ћосква +7 495 545 6936
E-mail: написать
YouTube Instagram
Ќаш опыт в двигател€х Ч с 1990 года!
—ѕ≈÷»јЋ»«»–ќ¬јЌЌџ… ћќ“ќ–Ќџ… ÷≈Ќ“–
јЅ-»нжиниринг
√Ћј¬Ќјя

«агадки процесса сгорани€ (ч.2)


јЋ≈ —јЌƒ– ’–”Ћ≈¬, кандидат технических наук

ћы рассмотрели процесс сгорани€ топлива и возможные его нарушени€, возникающие при эксплуатации двигател€. —егодн€ речь пойдет о детонации - одном из наиболее распространенным, опасных и одновременно загадочным €влений в двигателе.
ѕервыми с €влением детонации столкнулись конструкторы/ авиационным моторов еще в начале 20-го века, когда авиаци€, обогнав автомобильный транспорт, вышла на новый виток технического прогресса и стала использовать все более мощные и легкие двигатели.
ѕопытки повысить мощность только за счет увеличени€ объема цилиндров естественно приводили к возрастанию массы/ и габаритов двигателей, что дл€ самолетов неприемлемо. ћожно было пойти по пути увеличени€ частоты вращени€ коленвала. Ќо в авиации свои законы - при очень быстром вращении винта скорость обтекани€ воздухом концов лопастей могла приблизитьс€ к скорости звука. ј в этом случае сила т€ги винта неизбежно падает, даже несмотр€ на высокую мощность мотора.
ќставалс€ единственный выход - совершенствовать рабочий процесс, в том числе сгорание. » здесь ключевым параметром оказалась степень сжати€.

«ачем повышать степень сжати€?

ќ том, что степень сжати€ - параметр дл€ двигател€ важный, свидетельствовали теори€ и практические результаты испытаний разных двигателей. ѕростейший анализ индикаторной диаграммы (в те времена уже прекрасно известной) однозначно показывал: увеличение степени сжати€ дает рост давлени€ в цилиндре в конце такта сжати€ и при сгорании топлива. «начит, увеличиваетс€ площадь под кривой диаграммы (она же - работа цикла двигател€). ѕовышаетс€ и мощность, котора€ пропорциональна работе.

 ѕƒ двигател€ и его экономичность тоже растут. ј это хорошо и дл€ автомобил€, и дл€ самолета. Ќо испытани€ двигателей с высокой степенью сжати€ показали, что на некоторых режимах они работали шумно, с характерным стуком, и быстро выходили из стро€. Ћомались поршни, поршневые кольца, прогорали стенки камер сгорани€.

—тало €сно, что только за счет изменени€ геометрии камеры сгорани€ "чистого" повышени€ мощности двигател€ не получить. » тогда вмешалась наука: были разработаны теории процесса горени€, поставлены тыс€чи экспериментов, прежде чем по€вилась €сность в понимании того, что же на самом деле происходит в камере сгорани€ двигател€. » откуда беретс€ этот стук, в конечном счете разрушающий двигатель.

¬ дальнейшем результаты исследований процесса сгорани€, детонации и причин ее возникновени€ были перенесены с авиационных на автомобильные двигатели внутреннего сгорани€.

ќткуда беретс€ стук?

Ќапомним, как развиваетс€ процесс сгорани€. ѕосле образовани€ искры между электродами свечи по объему камеры начинает распростран€тьс€ фронт пламени. ¬ реакцию горени€ вступают все новые и новые порции свежей топливо-воздушной смеси. ¬ результате выделени€ тепла в камере быстро возрастает давление, достига€ максимума.

 огда основна€ фаза сгорани€ заканчиваетс€, начинаетс€ фаза догорани€.   этому моменту в камере остаетс€ еще достаточно большое количество не вступившей в реакцию топливовоздушной смеси. ¬от здесь-то нас и поджидают сюрпризы. ƒавление в камере сгорани€ сильно увеличилось - значит, повысилась и температура смеси, еще не вступившей в реакцию. ѕри определенных услови€х она может стать выше температуры самовоспламенени€ топлива. Ќо это еще полбеды, ведь дл€ запуска реакции самовоспламенени€ требуетс€ врем€. ѕри нормальной работе двигател€ быстрое продвижение пламени не приводит к самовоспламенению - дл€ этого просто не хватит времени.

Ќасто€ща€ беда дает о себе знать, если цилиндр двигател€ имеет большой объем и габариты. “огда длина пути и, соответственно, врем€ распространени€ фронта пламени увеличиваютс€, создава€ возможность дл€ начала процесса самовоспламенени€. ¬ некоторых случа€х может уменьшитьс€ само врем€, необходимое дл€ начала реакции самовоспламенени€, - при неправильной установке зажигани€, применении низкооктанового бензина и целом р€де других причин.

¬озникшее в результате повышени€ давлени€ и температуры самовоспламенение происходит не во фронте пламени, как нормальный процесс горени€, а за его пределами, в части объема еще не горевшей смеси. ¬озникает самый насто€щий взрыв - резкое, практически мгновенное выделение тепла и повышение давлени€ в той области, где случилось самовоспламенение.

ј дальше еще интересней.  ак и во врем€ вс€кого взрыва, образуетс€ ударна€ волна. –аспростран€етс€ она со скоростью, превышающей 1000 м/с (напомним, что фронт пламени "движетс€" намного медленнее - со скоростью не более 50-80 м/с). ¬о фронте ударной волны, движущейс€ по камере, не только давление, но и температура скачкообразно возрастают - чем не услови€ дл€ воспламенени€ остатков негоревшей смеси?

Ќа практике так и происходит: она воспламен€етс€ со скоростью движени€ ударной волны. Ёта волна, многократно отража€сь от стенок камеры сгорани€, и вызывает характерный звонкий металлический стук при работе двигател€.

ќписанное €вление получило название "детонаци€", а процесс сгорани€, сопровождаемый объемным самовоспламенением последних порций смеси с образованием ударных волн, - детонационным сгоранием (в иностранной литературе детонацию иногда даже обозначают термином knock - стук).

≈сли в камере сгорани€ установить датчик давлени€, то он зарегистрирует высокочастотную вибрацию, частота и амплитуда которой завис€т от интенсивности детонации.

ƒетонаци€, особенно сильна€, не только вызывает стук двигател€ под нагрузкой, но и потерю мощности. ј разрушение деталей из-за детонации - это вообще особа€ тема.

 ак победили детонацию?

ћноголетн€€ борьба за мощность моторов не прошла даром, тем более что велась она сразу по нескольким направлени€м. “ак по€вились высокооктановые марки авиационного и автомобильного бензина. ј конструкторам удалось увеличить степень сжати€ почти вдвое - от 5-6 в 20-30-х годах до 10-11 в наше врем€.

«а счет каких ресурсов это было достигнуто? ƒл€ ответа на этот вопрос достаточно сравнить современный двигатель с его прародителем.

ѕервое, что бросаетс€ в глаза, - камера сгорани€ стала компактней, т.е. рассто€ние от свечи зажигани€ до самой удаленной точки камеры стало намного меньше. «начит, фронт пламени это рассто€ние проходит намного быстрее, и процессы самовоспламенени€ не успевают начатьс€.

ѕо€вились вытеснители - поверхности камеры, к которым поршень в ¬ћ“ подходит практически вплотную. ќбразуетс€ щель, из которой перед воспламенением часть топливовоздушной смеси вытекает с большой скоростью и "завихривает" (турбулизирует) основную массу смеси в камере. “урбулизаци€ смеси преп€тствует самовоспламенению, одновременно ускор€€ движение фронта пламени.

«аметно уменьшилс€ диаметр цилиндра - ведь чем он меньше, тем меньший путь пройдет фронт пламени. Ќа некоторых двигател€х стали устанавливать по две свечи зажигани€ - с той же целью. «начительно усовершенствованы процессы впуска и выпуска, в несколько раз повышены максимальна€ частота вращени€ и, соответственно, мощность двигателей. ”лучшены услови€ охлаждени€ стенок камеры сгорани€ и днища поршн€, на многих двигател€х применено масл€ное охлаждение поршней. ¬се это позволило снизить температуру смеси там, где обычно начинаетс€ самовоспламенение.

ѕо€вились, наконец, электронные системы управлени€ углом опережени€ зажигани€, в последние годы - с обратной св€зью по сигналу с датчика детонации.

 азалось бы, все сделано, чтобы предотвратить детонацию и ездить в свое удовольствие. Ќо нет, не получаетс€: двигатели продолжают выходить из стро€ из-за детонации.

„ем опасна детонаци€?

”дарные волны, "гул€ющие" по камере сгорани€ во врем€ детонации, "бьют" по стенкам и элементам, установленным в камере, в первую очередь по поршню. «аметим, что удары €вл€ютс€ не только механическими, но и тепловыми.

Ёто приводит в первую очередь к поломке перемычек между канавками колец на поршне. ”дар вначале воспринимает верхнее компрессионное кольцо. ќно передает удар на перемычку, котора€ при сильной детонации способна треснуть и даже отделитьс€ от поршн€ в течение всего нескольких минут работы двигател€.

ƒальше событи€ будут развиватьс€ в зависимости от режима и времени работы двигател€. ќчевидно, поломка перемычки на поршне вызовет резкое падение компрессии в этом цилиндре и значительное увеличение расхода масла. ≈сли водитель этого не заметит или проигнорирует, ситуаци€ продолжит развитие. ¬ерхнее кольцо, потер€в тепловой контакт с поршнем, не сможет выполн€ть свою основную функцию - отводить тепло от нагретого поршн€ к более холодному цилиндру. ѕоследующий перегрев поршн€, сопровождаемый прорывом гор€чих газов из камеры сгорани€, приведет к выгоранию верхней части поршн€.

»ногда страдают и кра€ днища поршн€ - ударные волны способны выбивать из него частицы металла. Ќа поверхности образуютс€ каверны, которые затем углубл€ютс€ и расшир€ютс€. –азрушени€ при этом будут несколько схожи с теми, которые характерны дл€ калильного. — той лишь разницей, что детонаци€ больше "бьет" по кра€м поршн€ (там образуютс€ ударные волны при самовоспламенении топлива), а калильное зажигание обычно сжигает поршень ближе к центру, там, где расположена свеча зажигани€.

ќт детонации страдают и край окантовки прокладки, и выступающие элементы камеры сгорани€, в том числе свеча зажигани€. Ќа привалочной плоскости головки блока вблизи окантовки детонаци€ способна выжечь глубокие каверны, привод€щие к потере герметичности и прогоранию прокладки √Ѕ÷. ¬ дальнейшем такие повреждени€ головки удаетс€ устранить только с помощью сварки.

–еже встречаетс€ поломка поршневых колец. ¬ерхнее кольцо из высокопрочного чугуна прекрасно противостоит детонации. Ќо если, к примеру, при ремонте использованы кольца сомнительного происхождени€, они могут сломатьс€, и последстви€ будут почти такими же, что и при поломке перемычки на поршне.

ƒетонаци€ вызывает и другие, менее заметные, но не менее серьезные дефекты. Ќапример, ударные волны разрушают пленку масла на поверхности цилиндра, из-за чего износ верхней его части и поршневых колец заметно ускор€етс€. ƒа и вообще удары по поршню не проход€т бесследно дл€ соединений поршн€ с пальцем и шатунного вкладыша - с шейкой коленвала.

 стати, канавка верхнего кольца при детонации тоже быстрее изнашиваетс€, а иногда вообще разбиваетс€. »звестны также случаи деформации перемычек на поршне, при которых нижние кольца оказывались зажатыми, то есть тер€ли подвижность в канавках и, соответственно, работоспособность.  ак видим, опасностей в детонации таитс€ немало. » чтобы двигатель не пострадал, надо их избегать. ј дл€ этого хорошо бы знать...

 огда по€вл€етс€ детонаци€?

ќна возникает, как известно, не на всех режимах работы двигател€. Ќапример, на холостом ходу и малых нагрузках ее не будет - слишком мало давление в цилиндре, чтобы при сгорании могло произойти поджатие и самовоспламенение последних порций топливовоздушной смеси. ћаловеро€тна детонаци€ и при высоких частотах вращени€. ¬рем€ горени€ (распространени€ фронта пламени) здесь мало, процесс горени€ при этом более раст€нут по углу поворота коленвала, а нарастание давлени€ идет с относительно меньшей скоростью. »з-за этого не хватает времени на развитие процесса самовоспламенени€ отдельных зон смеси.

ѕрактика подтверждает эти рассуждени€: детонаци€, как правило, возникает при больших нагрузках на малой и средней частоте вращени€. Ќо режимы эти неизбежны при работе двигател€, поэтому важно знать факторы, вли€ющие на возникновение детонации и поддающиес€ регулировке. √лавными и первыми следует назвать угол опережени€ зажигани€ и октановое число бензина. —лишком раннее зажигание приводит к увеличению скорости нарастани€ давлени€ и повышению его максимального значени€, а низкое октановое число бензина гарантирует окисление (самовоспламенение) топлива при сравнительно низких температурах.

Ќа по€вление детонации вли€ет и тепловой режим двигател€. ѕоскольку последние порции смеси, определ€ющие по€вление детонации, расположены у стенок цилиндра, высока€ температура стенок дополнительно нагревает смесь, дела€ ее самовоспламенение более веро€тным.

¬от почему при перегреве двигатель нередко "детонирует". ≈стественно, возникает вопрос...

 ак избежать детонации?

–аспознать ее можно по характерному стуку. ѕоэтому надо научитьс€ слушать двигатель. ѕравда, на некоторых современных автомобил€х услышать детонацию непросто - слишком хорошо изолирован салон. ¬ этом случае слышен слабый детонационный "шелест", не характерный дл€ нормального работающего мотора, но уловить его на слух здесь намного труднее.

√аранти€ от детонации - правильна€ установка угла опережени€ зажигани€ и применение бензина с требуемым дл€ данного двигател€ октановым числом. ≈сли же такое несоответствие обнаружилось (например, на ј«— бензин оказалс€ "не той системы"), придетс€ или исключить режимы больших нагрузок на низких и средних частотах вращени€, или сдвинуть зажигание на более позднее (если, конечно, конструкци€ двигател€ позвол€ет изменить угол опережени€ зажигани€).

»ногда по€влению детонации способствуют и совсем неожиданные факторы.   примеру, при ремонте головки блока пришлось сн€ть большой слой металла с ее привалочной плоскости. «начит, степень сжати€ увеличилась, и придетс€ использовать бензин с более высоким октановым числом.  онечно, в подобной ситуации можно попробовать уменьшить угол опережени€ зажигани€, но тогда возрастет опасность прогара выпускных клапанов: ведь при позднем зажигании температура выхлопных газов увеличитс€.

ѕоэтому боротьс€ с детонацией лучше самыми простыми способами. » в первую очередь - содержать двигатель в исправном состо€нии и примен€ть соответствующее ему топливо.


ƒругие наши статьи...


фото
фото
ѕоломанна€ перемычка на поршне типичный результат детонации.
фото
ƒетонаци€ обычно начинаетс€ при достижении максимума давлени€ в камере сгорани€. ƒатчик давлени€ регистрирует ее как высокочастотную вибрацию.
фото
—ильна€ детонаци€ в конечном счете привела к поломке юбки поршн€.
фото
ј на этом поршне детонаци€ выжгла хороший кусок - результат отказа регул€тора давлени€ турбонаддува.
фото
а) деформаци€ перемычек и колец из-за перегрева
фото
б) начало плавлени€ поврежденного поршн€
фото
в) прогар верхнего уплотнительного по€са поршн€


—ћ÷ "јЅ-»нжиниринг"© 2001. ¬се права защищены