6.1.1. Детонация

Одним из препятствий на пути эффективного сжигания заряда цилиндра в ДВС с искровым зажиганием является детонация, которая возникает преимущественно на режимах с высокими нагрузками при относительно низких частотах вращения коленчатого вала n. Детонация возникает в зонах 6 объема сжатия 3 наиболее отдаленных от свечи зажигания 4 (рис. 6.4).

При распространении фронта пламени 5 в горючей смеси давление и температура в объеме сжатия 3 увеличиваются. Этому способствует и продолжающее сжатие заряда поршнем 2. В локальных зонах 6 могут возникнуть предпламенные реакции, и температура достигнет значений для сомовоспламенения топлива, в результате чего произойдет взрывное горение с распространением ударной волны.

Рис. 6.4. Возникновение детонации:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – объем сжатия; 4 – свеча;

5 – фронт пламени; 6 – зоны возможного возникновения детонации

Фронт ударной волны, движущийся со скоростью, превышающей скорость звука, способствует мгновенному зарождению новых очагов воспламенения в несгоревшей смеси и, неоднократно отражаясь от стенок объема сжатия, вызывает значительные ударные нагрузки на цилиндропоршневую группу и кривошипно-шатунный механизм. Сгорание смеси при детонации значительно ухудшается, мощность ДВС резко снижается и в отработавших газах появляется сажа, повышенное содержание углеводородов СН и оксида углерода СО.

Исследования показали, что наименьшей склонностью к детонации обладают смеси с коэффициентом избытка воздуха α = 0,4 - 0,7, имеющие низкую температуру горения и характеризующиеся наличием охлаждающего эффекта, создаваемого при испарении топлива. Смесям с α = 0,8 - 0,9 свойственна высокая скорость сгорания, при которой давление и температура имеют максимальные значения. При работе ДВС на этих смесях детонация может возникнуть при увеличенных углах опережения зажигания θ и высоких степенях сжатия ε.

Наибольшей склонностью к детонации подвержены смеси с α = 1,0 - 1,1, что обусловлено снижением скорости сгорания, которое проходит при высоких температурах, из-за чего часть смеси, сгорающая последней, проходит относительно длительный период химической подготовки. Дальнейшее обеднение смеси сопровождается значительным снижением давления и температуры, при которых детонация затруднена. Обычно детонация возникает в конце второй фазы процесса сгорания.

В отличие от детонации, нарушение нормального сгорания может быть и при калильном зажигании, которое происходит в начале второй фазы сгорания.

На сгорание в ДВС с искровым зажиганием большое влияние оказывает угол опережения зажигания θ (рис. 6.5 и рис. 6.6).

Рис. 6.5. Индикаторные диаграммы при различных θ:

1 – θ = 0^о (В.М.Т.); 2 – θ = 7^о до В.М.Т.;

3 – θ = 22^о до В.М.Т.; 4 – θ = 27^о до В.М.Т.

Рис. 6.6. Регулировочные характеристики по углу θ:

1 – дроссельная заслонка полностью открыта; 2 – = 0,013 МПа;

3 – = 0,027 МПа; 4 – = 0,053 МПа; 5 – область оптимальных углов θ; 6 – начало признаков детонации

Характеристики, показанные на рис. 6.6, указывают, что склонность к детонационному сгоранию возрастает по мере увеличения нагрузки (при открытии дроссельной заслонки и увеличении η_v), т.е. при снижении разряжения в системе впуска (уменьшение ). Это объясняется тем, что при этом уменьшается количество остаточных инертных газов (снижается γ) в цилиндре, которые ухудшают процесс сгорания.

Большое влияние на возможность детонационного сгорания оказывает октановое число топлива (ОЧ), которым называют процентное по объему содержание изооктана С₈Н₁₈ в смеси с нормальным гептаном С₇Н₁₆, составляющие эталонное топливо, которое имеет такую же склонность к детонационному горению, как и применяемое топливо. Изооктан наименее склонен к детонационному сгоранию, поэтому принято его ОЧ = 100, а гептан обладает высокой склонностью к детонации и поэтому принято считать его ОЧ = 0. Если мы используем бензин марки Аи-92, то он будет детонировать, так же как и смесь, состоящая из 92 % С₈Н₁₈ и 8 % С₇Н₁₆, конечно при условии, что в бензине не содержится инертных примесей.

На возникновение детонационного сгорания большое влияние оказывают давление р_с и температура Т_с в цилиндре ДВС к моменту воспламенения заряда, зависящие от степени сжатия ε, которая, в свою очередь, определяется ОЧ бензина (табл. 6.2).

Таблица 6.2.

Таблица допустимых значений ε в зависимости от ОЧ топлива

ОЧ	66-72	73-76	77-80	81-90	91-100	Более 100
ε	5,5-6,5	6,6-7,0	7,1-7,5	7,6-8,5	8,6-9,5	до 12,5

Если увеличение р_с и Т_с произошло (например, при использовании наддува), то необходимо снизить степень сжатия ε, использовать бензин с более высоким ОЧ, уменьшить угол опережения зажигания θ или провести эти мероприятия одновременно.