Детонация в дизельном двигателе | Дизельный двигатель

Причина детонации

В дизельном двигателе воздух сжимается в цилиндре так сильно, что его температура превышает температуру воспламенения дизельного топлива. Незадолго до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое мгновенно воспламеняется. Если количество впрыскиваемого топлива избыточно велико, в цилиндре возникают сильные ударные волны, вызывающие детонацию.

Способы предотвращения детонации

Громкий звук детонации в большинстве случаев можно услышать при работе холодного дизеля на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. В этом виновата большая задержка воспламенения, которая, как известно, уменьшается при увеличении давления и температуры. Детонация во время холостого хода не опасна для двигателя и исчезает при повышении нагрузки.

В двигателях с непосредственным впрыском дизельного топлива в воздух в камере сгорания детонацию можно устранить, уменьшив количество топлива, впрыскиваемого во время задержки воспламенения. Основное количество впрыскивается сразу после начала сгорания. Недостатком является невозможность полностью устранить выброс сажи, которая возникает, если у топлива перед воспламенением недостаточно времени для испарения и смешивания с воздухом. Когда температура и давление высоки и нет достаточного количества воздуха для сгорания, возникает реакция крекинга (расщепления молекул), которая приводит к образованию сажи. Сажа сгорает не полностью и попадает в отработавшие газы.

Детонационное сгорание топлива можно также устранить с помощью разделения камеры сгорания. Дизельное топливо впрыскивается в изолированную полость (предварительную камеру) в головке блока цилиндров.

Рис. Разделенная камера сгорания дизельного двигателя

Из-за недостатка воздуха там может гореть не всякое топливо. Вследствие предварительного сгорания в предварительной камере повышаются температура и давление. Топливо, которое не сгорело, через сужение попадает с большой скоростью в основную камеру сгорания, где и догорает до конца. Вследствие растяжения по времени процесса сгорания детонационный шум подавляется даже при использовании топлива с большой задержкой воспламенения. Правда, при этом наблюдается повышенный удельный расход топлива.

Наряду со способами смесеобразования, когда топливо впрыскивается в воздух, существует метод подачи топлива, разработанный в компании «MAN», при котором дизельное топливо впрыскивается так, что тонкой пленкой оседает на поверхности камеры сгорания. При использовании данного метода детонация не возникает, так как топливо сгорает в том объеме, в котором оно испаряется со стенки и смешивается с воздухом. Двигатели, работающие по данному принципу смесеобразования, называются многотопливными двигателями внутреннего сгорания, так в них можно использовать все виды топлива, от смазочного масла и дизельного топлива до бензина.

Производители горючего также прилагают старания, чтобы устранить детонацию. Дизельное топливо после нефтеперегонки имеет диапазон кипения 160-90 °С. Оно содержит много насыщенных углеводородов, которые легко воспламеняются. Плотность дизельного топлива составляет р — 0,83 г/ см3, а его удельная теплота сгорания Нu ~ 42000 кДж/кг. При добавлении присадок для ускорения сгорания воспламеняемость дизельного топлива еще больше увеличивается. Действие присадок заключается в том, что топливо воспламеняется непосредственно при попадании в горячий воздух, а при повышении температуры задержка воспламенения дизельного топлива уменьшается. Для этого достаточно добавить в дизельное топливо присадки для ускорения воспламенения в количестве 0,1-1 объемного процента.

Определение воспламеняемости дизельного топлива

Воспламеняемость дизельного топлива выражается с помощью цетанового числа (CZ). Оно означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и определенная сравнительная смесь из цетана и a-метилнафталина. Легковоспламеняемым реагентом смеси является цетан. Он имеет цетановое число 100, в то время как л-метилнафталин — цетановое число 0. Таким образом, например, цетановое число CZ = 55 означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и сравнительная смесь из 55% (объемных долей) цетана и 45% (объемных долей) a-метилнафталина. Воспламеняемость повышается при росте цетанового числа.

Определение цетанового числа выполняется так же, как и определение октанового числа бензина с помощью эталонного двигателя, специально предназначенного для этих замеров. Используются двигатель для оценки детонационной стойкости бензинов по методу компании «BASF» и стандартный двигатель для оценки детонационной стойкости топливных материалов — одноцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели с устройством для регулирования конечного давления сжатия. В то время, как в двигателе компании «BASF» конечное давление сжатия регулируется с помощью ограничения впускаемого воздуха, в стандартном двигателе регулировка выполняется путем изменения степени сжатия.

Ниже измерение цетанового числа 1952/54 описывается на примере испытательного двигателя, разработанного компанией «BASF» — четырехтактного дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания и системой испарительного охлаждения. Он работаете частотой вращения коленчатого вала приблизительно 1000 мин а тормозной генератор создает момент сопротивления. Сначала в двигатель подается исследуемое дизельное топливо. Впрыскиваемое количество должно быть отрегулировано согласно расходу 8 ± 0,3 см3/мин, а момент впрыскивания — на 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке. Во впускном коллекторе двигателя установлена дроссельная заслонка, а перед ней — измерительный диффузор. подключенный к вакуумметру. Дроссельная заслонка закрывается, уменьшая тем самым давление сжатия, пока задержка воспламенения дизельного топлива не будет равна 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке, а горение не начнется точно в верхней мертвой точке поршня. Величина разрежения отображается на дисплее вакуумметра. Воспламеняемость дизельного топлива высока, когда разрежение имеет низкое значение. Тогда через диффузор проходит лишь небольшое количество воздуха, и конечное давление сжатия — низкое.

По окончании измерения дизельного топлива впрыскиваются две сравнительные смеси при тех же условиях. Цетановое число сравнительных смесей должно различаться всего на четыре единицы. Кроме того, цетановое число дизельного топлива должно находиться в диапазоне между цетановыми числами двух сравнительных смесей. На основании зафиксированных показаний вакуумметра цетановое число дизельного топлива рассчитывается посредством линейной интерполяции и округляется до целого числа.

Цетановые числа современного дизельного топлива составляют 50-55 единиц.

причины, как устранить, последствия, видео

Неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси способно привести к разрушению деталей цилиндропоршневой группы. В статье рассмотрим, что такое детонация двигателя, причины, которые ее провоцируют, и последствия.

Горение топливно-воздушной смеси

Невозможно понять, почему происходит детонация, без представления о нормальном воспламенении топливно-воздушной смеси (далее ТПВС):

• за несколько градусов до ВМТ свеча подает искру, воспламеняя ТПВС;
• фронт пламени начинает расходиться от электрода, где был первоначальный очаг, к стенкам камеры сгорания;
• если угол опережения зажигания (далее УОЗ) был подобран верно, то примерно к 10º после ВМТ в камере сгорания образуется максимальное давление горения. В этот момент поршень занимает позицию, при которой воздействие энергии на плечо сформирует максимальную вращательную силу кривошипа.

Несмотря на то что поджигание смеси происходит до ВМТ, следовательно, на поршень действует замедляющая его энергия, положительная сторона гораздо более значительна. Ведь самый важный момент – приложить усилие к поршню в момент, когда рычаг позволит получить максимальный крутящий момент. Именно плавное возгорание смеси позволяет достигнуть такого эффекта.

Определение

Детонация двигателя – самопроизвольное воспламенение ТПВС, характеризующееся высокой скоростью распространения фронта пламени. Как вы можете теперь увидеть, «детон» имеет противоположную нормальному горению природу.

Основная характеристика детонационного воспламенения – скорость распространения волны (в этом случае очень удачно сравнение со взрывной волной). После подачи искры средняя скорость розростания горения 20-30 м/с. Скорость взрывной волны в момент, когда топливо детонирует, достигает 2000 тыс. м/с.

Разумеется, ничем хорошим для двигателя это не кончиться. Ударная волна «сносит» очаг воспламенения, спровоцированный свечей зажигания, ударяясь о стенки камеры сгорания. Взрывная волна создает резонирующее воздействие, которое проявляет себя звонким звуком во время работы двигателя. Именно по этому звуку можно понять, что в одном либо сразу нескольких цилиндрах происходит детонирование.

Природа возникновения

С тем, что такое детонация двигателя, мы разобрались. Но что служит предпосылкой для ее возникновения?

Детонирует в камере сгорание не только топливо, но и масло, которые при неполном сгорании топливно-воздушной смеси остаются в камере сгорания. Вернемся к процессу горения. Во время начала воспламенения топливно-воздушной смеси от искры, пропорционально распространению фронта пламени, происходит повышение давления в камере сгорания. Также неминуемо повышается температура. В этот момент на периферии, то есть в полости камеры сгорания, куда еще не дошла волна горения смеси, начинаются предпламенные реакции. Иными словами, молекулы бензина начинают распадаться под действием температуры и давления. Распавшиеся частицы топлива очень легко поджечь. Поэтому, если в каком-то месте камеры сгорания температура слишком высока, это провоцирует самопроизвольное воспламенение частиц топлива.

Теперь нам ясны причины детонации двигателя. Но почему скорость ударной волны в процессе детонации намного больше той, что мы имеем после подачи искры? В гражданском двигателе давление в надпоршневом пространстве в момент достижения поршнем ВМТ – порядка 12 атм. Распространяющийся от искры фронт пламени, приводит к увеличению давления оставшейся полости. Поэтому давление, к примеру, около верхней стенки цилиндра может достигать 50-60 Атм. Именно поэтому скорость самовоспламеняющихся частиц гораздо больше тех, которые поджигаются искрой.

Причины

Факторы, провоцирующие появление детонации:

• несоответствие октанового числа топлива;
• несоответствие степени сжатия. Если вследствие проведения ремонтных работ, была увеличена степень сжатия, то заправка прежней маркой бензина может привести к детонации. Допустить такую оплошность очень легко, если шлифовать ГБЦ либо сам блок, а затем установить прежнюю по толщине прокладку ГБЦ. Если вы не хотите «умертвить» мотор, к вопросу степени сжатия стоит подходить очень серьезно. Учтите, что детонация двигателя может проявляться в жаркую погоду либо в определенном диапазоне оборотов;
• УОЗ. Слишком ранний угол может привести к «паразитному» давлению в некоторых местах камеры сгорания, что приведет к самопроизвольным взрывам;
• неправильное соотношение топлива и воздуха. Детонация мотора может возникнуть как в случае обедненной смеси, так и при переобогащении;
• нагар в камере сгорания. Образование отложений способствует закреплению частиц, которые после такта выпуска не покидают камеру сгорания. Сохраняя высокую температуру, они способствуют появлению в цилиндре детонации. Большое количество нагара приводит к заполнению полезного объема камеры сгорания, что может привести к появлению детонации.

Методы борьбы

Учитывая приведенные выше причины детонации, вам нужно следить за состоянием систем питания и зажигания. А также помнить о правилах выбора бензина.

Важнейшие составляющие топлива: изооктан и гептан. Изооктан, на противовес гептану, чрезвычайно устойчив к детонации. Именно соотношение изооктана к гептану и называют октановым числом бензина. Для большинства водителей выбор топлива стоит между АИ 92 либо АИ 95. Так вот 95 либо 92 и есть тем самым соотношением (к примеру, 92% изооктана и 8% гептана). Заправлять автомобиль нужно лишь той маркой бензина, которая рекомендована заводом-изготовителем. На рынке вы можете найти «Октан-корректор» либо «Октан-Бустер». Предназначение этих средств – повысить детонационную устойчивость топлива.

Среди прочих рекомендаций – периодически крутить двигатель до высоких оборотов. Постоянная езда «внатяг» либо работа двигателя  в диапазоне до 2 тыс. км приводит к ускоренному образованию нагара.

Последствия

К основным поломкам можно отнести:

• прогорание либо частичное оплавление поршня, вследствие аномально большой температуры. Также может произойти поломка перегородок между кольцами. Устранить неисправность поможет дорогостоящая капиталка;
• ускоренный износ ЦПГ. Детонация разрушает масляную пленку на стенках цилиндра, что приводит к сухому трению поршней;
• прогорание выпускных клапанов;
• перегрев двигателя;
• повышение температуры турбины, что может привести к ее поломке;
• высокая температура стенок цилиндра и поршня требует от колец проводить через себя большее количество тепла. Слишком высокая температура пагубно влияет на эластичность колец;
• оплавление электрода. Ситуация редкая и случается лишь в крайне запущенном состоянии.

Любителям экономить

Если вы заправляете современный автомобиль 92 бензином, в надежде сэкономить, то вас приятно удивит информация о системе зажигания инжекторного двигателя. Регистрируя возникновение детонации, ЭБУ «отодвигает» УОЗ. Такие меры помогают устранить детонацию, но приводят к потере динамических характеристик автомобиля. Соответственно, повышается расход, что сводит на нет все попытки экономии.

Тюнерам

Также будьте аккуратны с расчетами при форсировании мотора. В особенности детонации подвержены неправильно построенные турбированные моторы. Но не обходит стороной эта проблема и атмосферные ДВС. На отечественных просторах есть любители устанавливать 16-клапанные ГБЦ в моторы с поршневой от 8-клапанных двигателей. Многие даже не подозревают, что 16-клапанные Вазовские моторы имеют масляное охлаждение поршней. Поэтому установка одной лишь ГБЦ чревата увеличением температуры в цилиндре.

Езда внатяг

Движение внатяг – езда под нагрузкой на повышенной передаче. Случается такое, когда водитель резко добавляет газ, будучи на повышенной передаче, когда обороты двигателя не превышают 2500 тыс. Спровоцировать такую ситуацию может затяжной подъем, при котором водитель не сбрасывает скорость, а сильнее нажимает на педаль.

Езда внатяг, особенно на турбированном ДВС с малым объемом, создает благоприятные условия для возникновения детонации. Именно поэтому от такого способа вождения лучше отказаться.

Датчик детонации

Именно этот сенсор регистрирует посторонние резонансные частоты в цилиндре. Ориентируясь на показания датчика детонации, ЭБУ принимает решение о корректировании УОЗ. Если двигатель в исправном состоянии, а в баке правильный вид топлива, то поломка датчика не приведет к появлению детонации. Просто теперь ЭБУ не сможет адекватно реагировать на появление столь негативного явления.

По каким причинам может детонировать двигатель автомобиля?

Иногда случается так, что полное нажатие педали газа на автомобиле начинает сопровождаться некоторым посторонним металлическим стуком. Кто-то просто не обратит на него внимания, кто-то обратится за помощью к официальному дилеру своей марки автомобиля, ну а кто-то обязательно обратится к «дяде Васе» из соседнего гаража, который обязательно спишет металлический характер звука на так называемый стук поршневых пальцев, плохой бензин или неопытность и избыточную фантазию самого водителя. Между тем в подобных случаях речь чаще всего идет о явлении детонации. Что это за явление и нужно ли с ним бороться?

Что такое детонация?

Для понимания процесса детонации необходимо вспомнить, что происходит с топливом в цилиндрах бензинового двигателя. Когда смесь бензиновых паров с воздухом попадает в камеру сгорания, она воспламеняется с помощью искры. Соответственно, фронт пламени плавно распространяется от электрода свечи зажигания к переферии. Важно понимать, что никаких взрывов здесь не происходит (именно так считаю многие неопытные автомобилисты), скорость распространения огня ограничивается примерно пятьюдесятью метрами в секунду, что позволяет обеспечить мягкую и бесперебойную работу двигателя внутреннего сгорания.

При этом каждый двигатель нуждается в определеном опережении зажигания, необходимом для того, чтобы смесь воспламенялась еще до того, как поршень окажется в своем верхнем мертвом положении, а догорала в конце поршневого рабочего хода. В случае, если этот процесс нарушен, возникает неравномерное воспламенение воздушно-бензиновой смеси и ее сгорание приобретает взрывообразный характер, что со стороны проявляется в виде металлических стуков и, в некоторых случаях, тряской автомобиля. Также нередко слышны хлопки в глушителе такого автомобиля, что происходит по причине догорания топливной смеси в глушителе.

Стоит заметить, что судорожные рывки и вздрагивания автомобиля после выключения двигателя детонацией не являются. Это явление получило название дизелинг, и имеет несколько отличные от детонации механизмы.

Причины детонации двигателя

В чем же кроются причины столь неприятного явления? Благодаря недобросовестности некоторых поставщиков топлива, в нашей стране лидирующее место по причинам детонации занимает качество используемого в автомобиле топлива. Топливо с более низким, чем заявлено, октановым числом будет далеко не лучшим образом вести себя в двигателе, сгорая быстро и менее равномерно, чем то, которое предусмотрено заводом-изготовителем. При этом, помимо неприятных металлических стуков, детали мотора будут подвергаться более интенсивному тепловому и механическому ударному воздействию. Соответственно, намного сократится время до капитального ремонта.

Второй распространенной причиной детонации является слишком раннее зажигание, при котором топливо также воспламеняется преждевременно и сгорает взрывообразно, с большим выделением тепла, которое не выполняет полезной работы. Вследствие этого повышаются нагрузки на основные механизмы двигателя и возникает дополнительный риск образования задиров на стенках цилиндров, коленчатом вале, вкладышах.

Нередко фактором, вызывающим детонацию, становится и нагар на внутренних поверхностях двигателя, который прямо или опосредованно увеличивает степень сжатия и нарушает процесс горения.

Как бороться с детонацией?

Борьба с детонацией сводится к устранению фактора, который ее вызвал. Минимум, что необходимо сделать при неожиданном появлении детонации, это сменить заправку. Вполне возможно, что проблема заключается всего лишь в некачественном топливе. Также иногда возникает необходимость замены воздушного фильтра, ведь недостаточное количество воздуха обуславливает наличие переобагощенной топливной смеси.

Регулировка угла опережения зажигания может решить возникшую проблему, но эту процедуру можно произвести лишь на карбюраторных автомобилях. Инжекторные автомобили имеют собственный блок управления процессами работы двигателя, который и управляет, по программе, настройкой подобных параметров.

Радикальная борьба с нагаром двигателя заключается в полной разборке ДВС и проведении его капитального ремонта. К счастью, существуют менее трудоемкие и затратные методы. На сегодняшний день разработано немало присадок, способствующих очищению двигателя от нагара. Также можно использовать старый метод, заключающийся в том, что автомобилю необходимо дать поработать на высоких оборотах, например при езде по скоростной магистрали. Это способствует частичному уменьшению нагара.

Как избавиться от детонации двигателя. Почему детонирует двигатель

Пущенная на самотек ситуация с детонирующим двигателем чревата приличными затратами на его капитальный ремонт. Как распознать детонацию двигателя?

Детонация двигателя и ее симптомы

Детонацией называют неконтролируемое самовозгорание топливной смеси в цилиндрах, происходящее под воздействием очень высоких температур и давления.

Это неприятное и нежелательное явление обычно возникает у заглушенного двигателя после выключения зажигания, хотя случается и на низких оборотах при попытке разгона.

Двигатель кратковременно теряет мощность, нагревается до критической температуры, его работа становится неустойчивой и неуправляемой.

Процесс неконтролируемого сгорания топлива сопровождается характерным металлическим звуком, кратковременным снижением температуры выхлопных газов и окрашивания их в густой черной цвет.

В нормальных условиях скорость сгорания топливной смеси составляет примерно 20-25 м/с, при детонации же скорость пламени достигает 3000 м/с. Возникают новые очаги воспламенения, взрывные волны, накладываясь друг на друга, приводят к непроизвольному раскручиванию мотора.

Заканчивается все это разрывом прокладки между головкой и блоком цилиндров, срывом кромок поршней, повреждением гильз цилиндров, а в особо тяжелых случаях, когда заглушить мотор не удается – выгоранием двигателя.

Причины детонации и способы их устранения

Наиболее частой причиной детонации двигателя является бензин. Вернее, его качество, а еще точнее – октановое число.

Степень сжатия двигателей современных автомобилей составляет от 9 до 11 единиц, а потому низкооктановый бензин вполне может воспламеняться в их камере сгорания без поджога электрической искрой, исключительно за счет высокого давления.

Обнаружив первые признаки детонации после посещения АЗС, слейте из топливного бака некачественный бензин и заправьтесь топливом с достаточно высоким октановым числом.

При работе двигателя с загрязненными форсунками (особенно при его запуске) объем подаваемого в цилиндры топлива заметно уменьшается.

Пропорции, в которых смешиваются бензин с воздухом существенно изменяются, топливовоздушная смесь содержит меньшее количество бензина — становится обедненной.

В момент прохождения электрической искры от свечи зажигания такая обедненная смесь не всегда воспламеняется, зато последующие впрыски топлива приводят к неконтролируемому воспламенению смеси, иными словами, происходит детонация.

Проверьте фильтр грубой очистки топлива, фильтры каждой форсунки и очистите их, а лучше всего – замените на новые.

Аналогичная ситуация наблюдается и в случае неисправных или неправильно подобранных свечей зажигания. В большинстве случаев после замены свеч на новые самопроизвольное воспламенение топлива проходит.

Причиной детонации двигателя может быть раннее зажигание. Некоторые владельцы автомобилей с карбюраторными двигателями, пытаясь увеличить мощность мотора за счет увеличения его чувствительности на открытие дроссельной заслонки, сознательно изменяют угол опережения зажигания.

Воспламенение горючей смеси происходит раньше положенного, еще в момент движения поршня к верхней мертвой точке. В результате внутрення часть цилиндра перегревается, создавая очаги самовозгорания топлива.

Повернув прерыватель-распределитель в сторону уменьшения угла опережения зажигания, можно вернуть стабильную работу двигателя.

Удачи вам! Ни гвоздя, ни жезла!