Нарушения нормального сгорания в двигателях с принудительным воспламенением гомогенной смеси
Детонационное сгорание
Детонационным сгоранием в ДВС называют объемное самовоспламенение части горючей смеси перед распространяющимся фронтом пламени. носящий взрывной характер и характеризующийся формированием и распространением ударных волн давления. Детонационное сгорание возникает при работе двигателя в особых условиях.
Признаками возникновения детонации являются:
звонкие металлические стуки в цилиндрах двигателя;
снижение мощности;
перегрев двигателя;
в отдельных случаях, появление в выпускной системе черного дыма;
появление на индикаторной диаграмме в области максимальных давлений колебаний давлений в виде острых пиков.
Длительная работа двигателя в режиме детонационного сгорания недопустима.
Причинами возникновения детонационного сгорания могут являться;
использование не соответствующего по октановому числу топлива;
обогащение горючей смеси до α порядка 0,9;
высокая степень сжатия;
большие нагрузки при низких частотах вращения вала двигателя;
чрезмерно большой угол опережения зажигания;
повышенные температура и давление на впуске в двигатель;
повышенное тепловое состояние двигателя;
увеличение размеров цилиндра.
Механизм возникновения детонационного сгорания и его влияния на работу двигателя может быть пояснен следующим образом.
При распространении фронта пламени в несгоревшая часть заряда подвергается нагреву вследствие излучения фронта пламени сжатия ее расширяющимися продуктами сгорания. Эти явления способствуют быстрому развитию предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов. Завершается этот процесс, в случае несвоевременного прихода в эту зону фронта нормального сгорания, самовоспламенением конечного объема горючей смеси. Самовоспламенение носит взрывной характер и индуцирует ударную волну давления. При распространении ударной волны по несгоревшей части заряда за ее фронтом происходит воспламенение и сгорание смеси, что повышает интенсивность и скорость распространения волны, которая достигает 1000 – 2300 м/с. Отражаясь от стенок рабочей камеры, ударная волна образует новые волны и очаги воспламенения. Повышенные температуры за фронтом волны приводят к развитию диссоциации продуктов сгорания с выделением свободного углерода и продуктов неполного сгорания углеводородов и затрате на это большого количества теплоты.
Продукты диссоциации догорают уже на линии расширения, причем, не полностью (например, углерод), это снижает работу цикла, мощности двигателя, увеличению удельного расхода топлива. А ударные волны, взаимодействуя со стенками кратковременно и локально, резко увеличивают тепловой поток в стенку, механические и тепловые нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей.
Для снижения вероятности детонации при работе проектируемого двигателя или в процессе эксплуатации необходимо рассмотреть факторы, влияющие на возникновение и развитие детонационного сгорания.
Конструктивные факторы.
Форма камеры сгорания (в т.ч. турбулизация)
Размер цилиндра
Степень сжатия
Материал поршня и головки цилиндра (ε 0,5 - 1 ед.)
Охлаждение выпускного клапана
Эксплуатационные факторы
Состав смеси
При ≈ 0,9 достигается наибольшая склонность к детонации. Обедняя смесь или обогащая её, можно уменьшить склонность двигателя к детонации. На практике стремятся уменьшить , так как при его увеличении процесс сгорания замедляется, доля тепловыделения на линии расширения увеличивается, что ведет к увеличению температуры ОГ и повышению вероятности перегрева двигателя, что также может явиться причиной возникновения детонации.
Нагрузка
Скоростной режим
n об/мин |
1000 |
1800 |
2600 |
3200 |
ОЧ |
95 |
88 |
80 |
66 |
Угол опережения зажигания
Нагарообразование на головке цилиндра и днище поршня.