Виды нарушений процесса сгорания и факторы их определяющие.

Детонация.

При воздействии на рабочую смесь излишне высоких для при­меняемого топлива температуры и дав­ления сгорание ее в двигателе в неко­торых случаях может принять взрывнуюформу, называемую детонационным сгоранием, или детонацией.

Рис.25.Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя при детонации

 

Причиной детонации являются проме­жуточные продукты окисления углево­дородных молекул топлива - активные перекиси. Эти весьма нестойкие соеди­нения способны вызвать цепную реак­цию окисления большого числа молекулсразу. Такие реакции имеют место втопливе и до воспламенения (активация топлива), но в незначительных раз­мерах. Процесс активации быстро раз­вивается при движении фронта пламени, когда еще несгоревшая часть смеси оказывается под воздействием повы­шенных температур и давлений. Осо­бенно быстро протекает активация по­следней порции смеси, наиболее удален­ной от источника зажигания. В резуль­тате чрезмерного повышения концентрации активных перекисей эта частьсмеси воспламеняется и сгорает со ско­ростью, в десятки раз превышающей обычную. При этом резко повышаются температура и давление. Наряду с вол­ной горения появляется волна высокого давления - ударная волна, скорость распространения которой достигает 1500-2000 м/с. С такой же скоростью распространяется и фронт пламени в детонирующей части смеси. Многократ­но ударяясь о стенки цилиндра, головки и поршня, ударные волны вызывают их вибрацию. Поэтому детонация сопровождается хорошо слышимы­ми металлическими стуками.

Вследствие интенсивной теплоотдачи при детонации резко повышается тем­пература стенок камеры сгорания и поршня, увеличивается теплоотвод в ох­лаждающую среду, уменьшается мощ­ность и ухудшается экономичность дви­гателя. Значительное повышение температуры вызывает диссоциацию газов с выделением углерода, который, быстро охлаждаясь в процессе расширения, не успевает сгореть и выбрасывается из цилиндров при выпуске в виде клубов черного дыма с искрами. Температура отработавших газов на выхлопе при этом повышается. Длительная сильная детонация может привести к прогора­нию днищ поршней и разрушению под­шипников коленчатого вала. Поэтому работа двигателя с детонацией недо­пустима.

Детонацию следует отличать от преж­девременной вспышки смеси, которая может возникнуть до момента зажига­ния вследствие местного перегрева де­талей или образования на них нагара. При преждевременной вспышке сгора­ние протекает с нормальной скоростью, но смещается во времени и осущест­вляется при иных положениях поршня, чем при нормальном сгорании

При преждевременной вспышке смеси значительно возрастают давление в кон­це такта сжатия и работа, затрачивае­мая при совершении этого такта. Со­ответственно уменьшается мощность двигателя, а он работает жестко, со стуком. Различить детонацию и прежде­временную вспышку можно выключе­нием зажигания. Двигатель, работав­ший с детонацией, при этом останавливается, если он не был перегрет (т. е. если он, кроме детонации, не имел еще и преждевременной вспышки). Если в двигателе была только преждевременная вспышка, то после выключения зажигания он продолжает работать (имеет место калильное зажигание).

Рис.26.Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя при преждевременной вспышке

 

Детонационное сгорание и преждевременная вспышка смеси зачастую взаимосвязаны. Перегрев двигателя, работающего с детонацией, может явиться причиной преждевременной вспышки смеси, и наоборот, сгорание самовоспламенившейся смеси иногда сопровождается детонацией. Появление детонации в основном является резуль­татом неправильной эксплуатации дви­гателя. Следует помнить, что возникно­вению детонации способствуют все фак­торы, сокращающие период задержки воспламенения последней порции смеси, наиболее удаленной от источника за­жигания.

Факторы, влияющие на детонацию.

По­вышение степени сжатия увеличиваеттемпературу и давление в процессах сжатия и сгорания, что усиливает ак­тивацию смеси и способствует возник­новению детонации.

Увеличение частоты вращения колен­чатого вала уменьшает склонность двигателя к детонации вследствие сокра­щения времени для химической подготовки последней порции смеси, сниже­ния коэффициента наполнения и увеличения коэффициента остаточных газов. Уменьшение нагрузки также приводит к снижению коэффициента напол­нения и увеличению количества остаточных газов в цилиндре. Кроме того, снижается температура стенок камеры сгорания, что увеличивает период за­держки воспламенения последней пор­ции смеси. Поэтому при дросселирова­нии детонация может перейти в нор­мальное сгорание.

При увеличении угла опережения за­жигания сгорание последней порции смеси протекает при более высоких температуре и давлении, что способствует наиболее интенсивной активации ее и возникновению детонации. Позднее зажигание уменьшает склонность двигателя к детонации. Поэтому, если двигатель работает на бензине меньшим октановым числом, чем тре­буется для данного двигателя, для того чтобы не возникла детонация, следует уменьшить угол опережения зажигания.

Детонация наиболее характерна для обогащенных рабочих смесей . Такие смеси хотя и сго­рают с большей скоростью, но в еще большей степени вследствие возраста­ния давления и температуры интенси­фицируется активация последней пор­ции таких смесей. При более бедных или богатых смесях возможность двига­теля детонировать меньше.

При увеличении сопротивления на впуске и выпуске растет содержание остаточных газов в цилиндре и снижа­ется склонность двигателя к детонации. Последняя увеличивается при повышении давления и температуры на впуске, способствующем активации последней порции смеси. Поэтому для двухтакт­ных карбюраторных двигателей требу­ется топливо с большим октановым чис­лом, чем для четырехтактных при оди­наковой действительной степени сжа­тия.

Недостаточное охлаждение наиболее нагретых участков головки и клапанов способствует возникновению детонации. Наличие нагара на поверхностях каме­ры сгорания ухудшает условия тепло отвода от наиболее нагретых стенок камеры сгорания и способствует дето­национному сгоранию смеси.

Детонационное сгорание у двигателей с заранее известными конструктивны­ми параметрами и эксплуатационными факторами зависит главным образом от сорта применяемого топлива. Дето­национная стойкость различных топлив оценивается по шкале октановых чисел.

Октановым числом (ОЧ) называется объемное содержание (в процентах) изооктана в смеси с нормаль­ным гептаном , которая имеет та­кую же стойкость к детонации, как исследуемое топливо. Октановое число чистого изооктана принимается за 100, гептана — за 0. Например, бензин А-76 начинает детонировать при тех же условиях, что и смесь, состоящая из 76 % изооктана и 24 % гептана.

Одной из причин, по которой в карбюраторных двигателях ограничивается степень сжатия, является необходи­мость применять высокооктановое топ­ливо.