§ 3. Порушення процесу згоряння

§ 3.1. Детонація

В міру поширення фронту полум’я від іскри незгоріла суміш буде нагріватися і стискуватися внаслідок росту тиску при згорянні. У цій частині свіжої суміші можуть створитися умови для ініціювання хімічних реакцій, тобто виникнення фронту самозапалювання. Самозапалювання цієї частини заряду називається детонацією. Хімічно підготовлена остання частина заряду самозаймається з величезною швидкістю, у результаті чого утвориться ударна хвиля.

Детонаційне згоряння в циліндрі двигуна являє собою згоряння останніх частин заряду в результаті його об’ємного самозапалювання. Воно супроводжується виникненням ударних хвиль, швидкість яких може в десятки разів перевищувати швидкість поширення фронту турбулентного полум’я й досягати 1500–2500 м/с (при нормальному згорянні U_пол = 15–20 м/с).

У процесі згоряння частина робочої суміші, до якої фронт полум’я доходить в останню чергу, у результаті збільшення тиску від згоряння нагрівається до температури, що перевищує температуру самозапалювання. У ній можуть виникати вогнища запалення. При достатньому часі в камері згоряння можливі поява й поширення ударних хвиль, які також сприяють самозапалюванню робочої суміші.

У результаті взаємодії ударної хвилі зі стінками простору усередині циліндру і відбиття її від цих стінок з частотою 5000–7000 Гц виникає дзвінкий металевий стукіт такої ж частоти. Віддача тепла при зіткненні ударної хвилі зі стінками стає надмірною, що приводить до вигоряння металу. При детонації ростуть теплові й механічні навантаження на деталі КШМ, а в результаті тривалої детонації оплавляються крайки поршнів (рис. 15), обгоряють прокладки головок циліндрів й електроди свічі, руйнуються підшипники колінчастого вала.

Зовнішні ознаки детонації.

1. Крива тиску на індикаторній діаграмі наприкінці процесу згоряння має пилкоподібний вигляд (рис. 14, а, б).

2. Характерний металевий звук.

3. Перегрів двигуна, у результаті різко знижується його економічність.

4. Падіння потужності двигуна.

5. Чорний дим на вихлопі. В ударній хвилі при високої температури йдуть реакції дисоціації з утворенням вільного вуглецю С (сажі). Відпрацьовані гази мають колір чорного диму.

СО₂→С+О₂.

а	б	в
Рис. 14. Індикаторні діаграми при порушеннях процесу згоряння у ДВЗ з примусовим запалюванням: а — слабка детонація, б — сильна детонація, в — передчасне запалювання.

Фактори, що впливають на виникнення детонації.

• Хімічний склад палива:

а) груповий склад палива — парафіни, олефіни, ароматичні вуглеводні; парафіни детонують більше, ніж олефіни; олефіни більше, ніж нафтени і т.д.

б) молекулярна маса. Палива з більшою молекулярною масою детонують сильніше.

в) структура молекул. Вуглеводні, що мають нормальну будову, детонує сильно, а вуглеводні з розгалуженою структурою детонують слабко.

• Ступінь стиску. Збільшення ε підвищує Т_с і сприяє детонації.

• Тип системи охолодження. Двигуни з повітряним охолодженням мають більш високу температуру в КЗ і більш схильні до детонації.

• Частота обертання вала двигуна. З ростом n зростає швидкість поширення полум’я, у результаті чого в незгорілій суміші не встигають виникнути вогнища самозапалювання (остання частина суміші підпалюється фронтом полум’я, що рухається від свічі) тому схильність двигуна до детонації помітно знижується.

• Діаметр циліндра D. При збільшенні діаметра подовжується шлях, який проходить полум’я, і, за час процесу згоряння в останніх порціях суміші встигають пройти реакції окислювання, що приводять до ланцюгового вибуху — детонації. Отже, збільшення діаметра циліндра сприяє виникненню детонації.

Виникненню детонації сприяють і інші фактори, що підвищують тепловий стан двигуна, наприклад, збільшення кута випередження запалювання й ін.

Заходи щодо зменшення детонації:

• використання палив з октановим числом, що відповідають вимогам заводу-виготовлювача. У легких фракцій бензину октанове число менше, ніж у середніх і важких. При швидкому відкритті дросельної заслінки важкі фракції бензину надходять у циліндр із деяким запізненням, тому на початку розгону через тимчасове зниження октанового числа палива можлива поява детонації;

• зменшення кута випередження запалювання для зниження максимального тиску й швидкості наростання тиску циклу;

• збільшення частоти обертання приводить до інтенсифікації процесу згоряння за рахунок підвищення швидкості поширення фронту полум’я. При цьому також росте концентрація відпрацьованих газів у робочій суміші, що знижує ймовірність виникнення детонації;

• зменшення навантаження двигуна прикриттям дросельної заслінки приводить до зниження тиску й температури процесу згоряння й збільшенню частки відпрацьованих газів у робочій суміші;

• конструктивні заходи щодо зниження ймовірності появи детонації зводяться до посилення турбулізації заряду, поліпшення охолодження останніх порцій заряду, зменшення шляху, який проходить фронт полум’я від свічі до найбільш віддалених частин камери згоряння, зменшенню діаметра циліндра, зниженню ступеня стиску.