Что такое дитанация двигателя

Детонация двигателя. Что это такое, какие основные причины ее возникновения

После моего материала – крутить или не крутить двигатель, многие запомнили мои слова про детонацию. Что при «уменьшении» камеры сгорания (скажем от нагара), этот разрушительный процесс начинает прогрессировать. Но вот многие не знают, что это вообще такое и какие основные причины ее возникновения. Сегодня будем разбираться (просто и на пальцах), как обычно будет статья + подробная видео версия …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

• Нормальная работа бензинового ДВС
• Что происходит при детонационных процессах?
• Причины возникновения детонации
• Чем опасна детонация?
• Как распознать и не допустить?
• ВИДЕО ВЕРСИЯ

Для начала, как обычно, рассказываю, что это такое:

Детонация – это процесс, взрывного воспламенения воздушно-топливной смеси в цилиндрах ДВС. Нормальная волна воспламенения двигается со скоростью в 30-45 м/с, а при детонации фронт пламени может двигаться до 2000 м/с. Возникшая ударная волна негативно сказывается на все части с которыми она соприкасается, в основном страдает КШМ (кривошипно-шатунный механизм), стенки блока цилиндров, головка блока и клапана.

Нормальная работа бензинового ДВС

В основном такой процесс как детонация свойственен именно бензиновым вариантам, все же дизеля работают по другой системе.

Если рассмотреть нормальные условия работы бензинового ДВС, то получается что на такте сжатия воздушно-топливной смеси, в верхней мертвой точке (ВМТ) происходит искра, которая и воспламеняет наше топливо.

Если быть точным, то угол опережения 2 – 3 градуса до ВМТ, то есть поршень еще не успел подойти к верху, а искра подалась, и топливо начинает поджигаться. НО основной фронт пламени, происходит после того, как поршень уже идет вниз (этот фронт как бы подталкивает поршень), благодаря чему происходит работа ДВС.

Это нормальная работа! Еще раз – сжатие – воспламенения от свечи – далее этот «фронт пламени» толкает поршень вниз

Что происходит при детонационных процессах?

Теперь рассмотрим другой вариант. Когда поршень идет верх, но не дойдя до ВМТ, воздушно-топливная смесь воспламеняется, да еще так что фронт этого горения очень сильный.

Таким образом, поршень идущий вверх (до ВМТ), испытывает очень большие нагрузки!

Это совсем не нормальная работа мотора, потому как топливо воспламеняется от давления, а не от искры свечи. Силовой агрегат при этом может выйти из строя, но про это чуть ниже

Причины возникновения детонации

Давайте пробежимся по основным причинам, точных причин не много, но они реально могут погубить мотор и очень быстро. ИТАК:

• Любой современный мотор имеет определенную степень сжатия, и он рассчитан под определенное топливо (в нашем случае бензин). Если вы зальете бензин, не тот который рекомендует производитель. Тогда возможно, возникнет детонация. В дело в том что, число которое красуется на заправках, «80 – 92 – 95 – 98» и т.д. Это как раз стойкость бензина к детонационным процессам. Простыми словами если в мотор, степенью сжатия в 11 единиц, залить 76 – 80 бензин, он просто воспламенится от сжатия, а не от свечи зажигания. Так что если у вас написано 92 или 95 бензин, стоит лить именно такой. Производитель вам дает понять, что именно такое топливо в этом ДВС не воспламенится от сжатия!

• Поддельный бензин. Этот пункт вытекает как бы из «первого». Если вам обещают 95 или 98 бензин, а в итоге вас обманывают и подсовывают 92 или чего хуже 80. Тогда опять е мотор будет детонировать
• Уменьшение камеры сгорания. Со временем, при не правильной эксплуатации, или от некачественного топлива, камера сгорания может зарастать отложениями (как собственно и поршни). Она уменьшается в объемах, а соответственно степень сжатия начинает расти. То есть если раньше мотор ездил и не детонировал, то сейчас с заросшей камерой сгорания все чаще и чаще начинает проявляться это явление (четкий металлический звук)

• Система зажигания. Если она не правильно настроена (такое очень часто было характерно для карбюраторных моторов), например зажигания раннее, этот процесс не заставлял себя ждать
• Исправность системы охлаждения. Силовой агрегат, всегда должен хорошо охлаждаться, если температура слишком высокая (забита, неисправна система охлаждения), то давление в камере сгорания может расти! Опять же проявляются детонационные процессы

Конечно, стоит смотреть еще и на саму конструкцию ДВС, формы поршней, камеры сгорания, наличие наддува и т.д. Но основные причины я перечислил сверху

Чем опасна детонация?

Как я уже писал выше, что при детонационных процессах, происходит взрывообразное воспламенение топлива (до 2000 м/с, а должно быть около 30 – 45 м/с). Кстати температура при таком процессе может достигнуть +3500, +3700 градусов Цельсия

Таким образом, давление на поршень, стенки блока цилиндров, клапана, головку блока, прокладку головки блока и т.д. намного возрастает. Банально они не рассчитаны на такое:

• Если детонация продолжается длительное время, то прогорают поршни, клапана, может оплавиться даже головка блока

• НО самое первое что выходит из строя, это прокладка головки блока. Ее попросту (как говорят мотористы) – «выдувает». Она сгорает от высокой температуры и давления.

Так что не зря утверждают, что это самый разрушительный процесс для мотора.

Как распознать и не допустить?

Распознать достаточно легко, ДВС работает нестабильно (многие путают с «троением»), проявляется четкий металлический стук (как будто кто-то стучит по поршню молотком, цепь стучит намного тише), мощность падает (давите на газ, а машина не тянет).

Не допустить очень просто:

• Заправляйтесь всегда тем бензином, что вам указал производитель
• Используйте проверенные заправки, желательно сети. Все же у них контроль, за топливом лучше
• Иногда давайте повышенные обороты мотору (как говорят многие мотористы «дать просраться»). «Вылетает» большая часть налета в камере сгорания
• Периодически меняйте ТОСОЛ или антифриз, следите за чистотой радиаторов, не допускайте перегрева

Тогда ваш силовой агрегат будет ходить долго и только радовать вас.

Сейчас видео версия смотрим

НА этом заканчиваю, думаю вы поняли что это такое и почему нужно избавляться от детонации. ИСКРЕННЕ ВАШ АВТОБЛОГГЕР

(7 голосов, средний: 4,43 из 5)

Похожие новости

• 

Основные причины большого расхода масла в двигателе. Почему он ж.

Ресурс ремня ГРМ. Разберем иномарки, а также ПРИОРУ, КАЛИНУ и ГР.

Как влияют гидрокомпенсаторы на мощность двигателя. Подробно + .

Добавить комментарий Отменить ответ

ТОП статей за месяц

Скоро праздники, а это значит — большая часть нашей страны будет употреблять алкоголь. Легкий: —…

Напряжение аккумулятора транспортного средства, как и его емкость – самые важные показатели этого автомобильного узла,…

Меня часто спрашивают о выхлопе автомобиля. Зачастую новичкам, да и водителем со стажем не нравится,…

Детонация

Детона́ция (от фр. détoner — «взрываться» и лат. detonare — «греметь» [1] ) — режим горения, при котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной [1] . Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического нормального разрыва.

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации. Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает нескольких метров в секунду.

Многие вещества способны как к медленному (дефлаграционноному) горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом. Взрыв — это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией.

Стук, возникающий в двигателях внутреннего сгорания, также называют детонацией (англ. knock ), однако это не детонация в строгом смысле этого слова. Стук вызывается преждевременным самовоспламенением топливовоздушной смеси с последующим быстрым её сгоранием в режиме взрывного горения, но без образования ударных волн. Детонационные волны в работающем двигателе (англ. superknock ) [2] возникают крайне редко и только при нарушении условий эксплуатации, например из-за нештатного низкооктанового топлива. При этом двигатель очень быстро выходит из строя из-за разрушения конструкционных элементов ударными волнами.

Содержание

• 1 История исследований явления
• 2 Механизм детонации
  • 2.1 Гидродинамическая теория детонации
  • 2.2 Модель Чепмена—Жуге
  • 2.3 Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND)
• 3 Детонация в технике
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература

История исследований явления [ править | править код ]

Вероятно, впервые термин «детонация» был введён в научный обиход Лавуазье в «Трактате по элементарной химии» (фр. Traité élémentaire de chimie ), опубликованном в Париже в 1789 году [3] . Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные взрывчатые вещества, в основе действия которых лежит явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и разрушительного действия взрыва научное изучение детонации оказалось чрезвычайно затруднено и началось с публикаций исследований явления детонации газовых смесей в трубах в 1881 году французскими химиками Малляром и Ле Шателье и независимо от них Бертло и Вьелем [4] . В 1890 году русский учёный В. А. Михельсон, опираясь на работы Гюгонио по ударным волнам, вывел уравнения для распространения детонационной волны и получил выражение для скорости детонации [5] . Дальнейшее развитие теории было выполнено Чепменом в 1899 году [6] и Жуге в 1905 году [7] . В теории Чепмена—Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва, а условие для определения скорости детонации, названное их именами ( условие Чепмена—Жуге [en] ), было введено как постулат.

В 1940-е годы Я. Б. Зельдович разработал теорию детонации, в которой учитывается конечное время протекания химической реакции вслед за нагревом вещества ударной волной. В этой модели условие Чепмена—Жуге получило ясный физический смысл как правило отбора скорости детонации [8] , а сама модель была названа моделью ZND [en] — по именам Зельдовича, Неймана и Дёринга, так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман [9] в США и Дёринг [10] в Германии.

Модели Чепмена—Жуге и ZND позволили существенно продвинуться в понимании явления детонации, однако они по необходимости были одномерными и упрощёнными. С ростом возможностей экспериментального исследования детонации в 1926 году английскими исследователями Кэмпбеллом и Вудхедом был открыт эффект спирального продвижения фронта детонации по газовой смеси [11] . Это явление получило название «спиновой детонации» и впоследствии было обнаружено и в конденсированных системах [12] .

В 1959 году сотрудники ИХФ АН СССР Ю. Н. Денисов и Я. К. Трошин открыли явление ячеистой структуры и пульсирующих режимов распространения детонационной волны [13] [14] .

Механизм детонации [ править | править код ]

Детонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и физико-химических факторов приводит к образованию комплекса из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций, называемого детонационной волной. Механизм превращения энергии в детонационной волне отличается от механизма в волне медленного горения (дефлаграции), движущейся с дозвуковой скоростью, в которой передача энергии в исходную смесь осуществляется в основном теплопроводностью [15] .

Гидродинамическая теория детонации [ править | править код ]

Если характерные размеры системы заметно превышают толщину детонационной волны, то её можно считать поверхностью нормального разрыва между исходными компонентами и продуктами детонации. В этом случае законы сохранения массы, импульса и энергии по обеим сторонам разрыва в системе координат, где фронт волны неподвижен, выражаются следующими соотношениями:

• ρ 0 D = ρ ( D − u ) D=rho (D-u)>— сохранение массы,
• P 0 + ρ 0 D 2 = P + ρ ( D − u ) 2 +rho _<0>D^<2>=P+rho (D-u)^<2>>— сохранение импульса,
• P 0 D + ρ 0 D ( e 0 + D 2 / 2 ) = P ( D − u ) + ρ ( D − u ) ( e + ( D − u ) 2 / 2 ) D+rho _<0>D(e_<0>+D^<2>/2)=P(D-u)+rho (D-u)(e+(D-u)^<2>/2)>— сохранение энергии.

Здесь D — скорость детонационной волны, (D — u) — скорость продуктов относительно детонационной волны, P — давление, ρ — плотность, e — удельная внутренняя энергия. Индексом 0 обозначены величины, относящиеся к исходному веществу. Исключая из этих уравнений u, имеем:

• P − P 0 = ( ρ 0 D ) 2 ( V 0 − V ) =(rho _<0>D)^<2>(V_<0>-V)>,
• e − e 0 = 1 2 ( P + P 0 ) ( V 0 − V ) =<2>>(P+P_<0>)(V_<0>-V)>[16] .

Первое соотношение выражает линейную зависимость между давлением P и удельным объёмом V=1/ρ и называется прямой Михельсона (в зарубежной литературе — прямой Рэлея). Второе соотношение называется детонационной адиабатой или кривой Гюгонио (в зарубежной литературе также — Рэнкина—Гюгонио). Если известно уравнение состояния вещества, то внутренняя энергия может быть выражена через давление и объём, и кривая Гюгонио может быть также представлена как линия в координатах P и V [17] .

Модель Чепмена—Жуге [ править | править код ]

Система двух уравнений (для прямой Михельсона и кривой Гюгонио) содержит три неизвестных (D, P и V), поэтому для определения скорости детонации D требуется дополнительное уравнение, которое невозможно получить только из термодинамических соображений. Поскольку детонационная волна устойчива, звуковые возмущения в продуктах не могут догонять фронт детонационной волны, иначе он будет разрушаться. Таким образом, скорость звука в продуктах детонации не может превышать скорость течения за фронтом детонационной волны.

На плоскости P, V прямая Михельсона и кривая Гюгонио могут пересекаться не более чем в двух точках. Чепмен и Жуге предположили, что скорость детонации определяется по условию касания прямой Михельсона и кривой Гюгонио для полностью прореагировавших продуктов (детонационной адиабаты). В этом случае прямая Михельсона является касательной к детонационной адиабате, и эти линии пересекаются ровно в одной точке, названной точкой Чепмена-Жуге (CJ). Это условие соответствует минимальному наклону прямой Михельсона и физически означает, что детонационная волна распространяется с минимально возможной скоростью, и скорость течения за фронтом детонационной волны в точности равна скорости звука в продуктах детонации [18] .

Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND) [ править | править код ]

Модель Чепмена-Жуге позволяет описать распространение детонационной волны как гидродинамического разрыва, но не даёт ответов на вопросы, связанные со структурой зоны химических реакций. Эти вопросы стали особенно актуальными в конце 1930-х годов в связи с быстрым развитием военной техники, боеприпасов и взрывчатых веществ. Независимо друг от друга Я. Б. Зельдович в СССР, Джон фон Нейман в США и Вернер Дёринг в Германии создали модель, названную впоследствии по их именам моделью ZND. Аналогичные результаты были получены и в кандидатской диссертации А. А. Гриба, выполненной в 1940 году в Томске [19] .

В этой модели считается, что при распространении детонации вещество сначала нагревается при прохождении фронта ударной волны, а химические реакции начинаются в веществе спустя некоторое время, равное задержке самовоспламенения. В ходе химических реакций выделяется тепло, которое приводит к дополнительному расширению продуктов и увеличению скорости их движения. Таким образом, зона химических реакций выступает в роли своего рода поршня, толкающего ведущую ударную волну и обеспечивающего её устойчивость [20] .

На диаграмме P, V эта модель условно отображается в виде процесса, первой стадией которого будет скачок по адиабате Гюгонио для исходного вещества в точку с максимальным давлением, с последующим постепенным спуском по прямой Михельсона до её касания с адиабатой Гюгонио для прореагировавшего вещества, то есть до точки Чепмена-Жуге [21] . В этой теории правило отбора скорости детонации и гипотеза Чепмена-Жуге получают своё физическое обоснование. Все состояния выше точки Чепмена-Жуге оказываются неустойчивыми, так как в них скорость звука в продуктах превышает скорость течения за фронтом детонационной волны. В состояния ниже точки Чепмена-Жуге попасть невозможно, так как скачок давления на фронте ударной волны всегда больше конечной разности давлений между продуктами детонации и исходным веществом [22] .

Однако такие режимы могут наблюдаться в эксперименте при искусственном ускорении детонационной волны, и они называются соответственно пересжатой или недосжатой детонацией [23] .

Детонация в технике [ править | править код ]

В двигателях внутреннего сгорания детонацией часто называют взрывное горение в цилиндре (см. Стук в двигателе). Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, рассчитаны на медленное горение горючей смеси без резких скачков давления. Быстрое сгорание смеси резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к ударным нагрузкам на детали конструкции двигателя и быстрому выходу двигателя из строя. Топливо с более высоким октановым числом допускает большую степень сжатия и лучше противостоит детонации [24] .

Детонационное горение является наиболее термодинамически выгодным способом сжигания топлива и преобразования химической энергии топлива в полезную работу [25] . Поэтому детонация может применяться в рабочем процессе в камерах сгорания перспективных энергетических установок, таких как импульсный детонационный двигатель [26] [27] .

Явление детонации лежит в основе действия взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ [28] .

Детонация в двигателе. Причины и пути решения

Беспричинное воспламенение и быстро сгорание топлива в цилиндре, называется детонацией двигателя. Это явление еще можно описать как взрывное горение. Причина, из-за которой происходит детонация топлива – это физика горения топливной смеси. В то время, когда нагрузка увеличивается, либо машина движется в гору, повышается и подача топлива, в результате этого получается обогащенная смесь, которая попадает в цилиндр, где высокая температура и давление.

Сгорание смеси происходит неоднородно, что приводит к образованию зоны не сгоревшей смеси, в которой происходят химические реакции. Когда давление и температура достигают критического значения, происходит самовоспламенение.

На проявление и характер детонации двигателя влияют следующие факторы:

• угол сжигания
• количество топлива
• структура топливной смеси
• конструкционные недостатки двигателя
• соотношение объема цилиндра и камеры сгорания

Состав смеси влияет на образование источников детонации, если он будет обогащенным, то это обязательно приведет к появлению в камере сгорания зон, где будут проходить окислительные процессы несгоревшего топлива. Увеличение угла зажигания приводит к перемещению давления в верхнюю мертвую точку, оно начинает расти, что приводит к детонации.

Октановое число бензина говорит о стойкости к взрывному горению, чем ниже число, тем активнее будут проходить окисления и повышается вероятность детонации. Кроме этого, причиной появления детонации двигателя могут стать дефекты конструкции, например камера сгорания имеет неправильную форму, либо цилиндр слишком большой.

Металлический стук, который появляется из-за взрывных ударов о внутренние стенки цилиндра, говорит о детонации двигателя. Нарушается масляный слой, что приводит к работе кривошипно-шатунного механизма всухую, двигатель начинает перегреваться и портятся детали. Соответственно падает мощность двигателя, а расход топлива наоборот увеличивается.

Чтобы побороть детонацию двигателя, применяется ускорение сгорания смеси и в тоже время, замедление всех реакций окисления. Добиться такого эффекта можно с помощью увеличения оборотов коленчатого вала, это поможет сократить время на процесс окисления несгоревших участков топливной смеси. Соответственно вероятность самовозгорания уменьшится.

Увеличение степени турбулентности в камере сгорания – еще один способ борьбы с детонацией в двигателе. Это достигается при максимальном завихрении потока смеси, что сокращает количество времени на прохождение пламени от источника к периферии. Добиться такого результата можно при использовании поршня со специальной формой верхней части.

Данные способы позволяют избавится от детонации в двигателе, что положительно отразится на моторесурсе. Наш автосервис в Твери предлагает услуги по диагностике и ремонту двигателя Вашего автомобиля.

Что такое детонация двигателя?

Топливно-воздушная смесь воспламеняется от действия искры, исходящей из свечи зажигания. Происходит взрыв, сила которого и заставляет поршень двигаться вверх. Благодаря равномерному распределению энергии по камере сгорания двигатель работает ровно и слаженно. Однако иногда могут возникать сбои.

Детонация двигателя как раз к ним относится. Это аномалия, которая может происходить в моторе по разным причинам. Она представляет собой преждевременный взрыв, когда поршень еще не достиг нужного положения. Все это сопровождается стуком и ощутимой вибрацией.

Почему возникает детонация?

Одна из причин — неправильное процентное содержание топлива и воздуха в смеси. В момент увеличения нагрузки на двигатель (к примеру, крутой подъем), количество бензина (или газа) увеличивается и смесь обогащается. Этот состав поступает в цилиндры. При максимально высоком давлении и температуре между локальными зонами не воспламенившегося топлива возникает самовозгорание – тот самый преждевременный взрыв.

Однако это не единственная причина возникновения данного аномального явления. Также на него могут повлиять:

• Появление нагара масла из-за несвоевременной смены;
• Раннее зажигание;
• Длительная эксплуатация мотора на низких оборотах коленвала (в большинстве случаев этому подвержены российские машины);
• Перегрев двигателя, который, в свою очередь, возник из-за проблемы с системой охлаждения, при поломке запчастей радиатора охлаждения, или вентилятора;
• Использованием неподходящего для машины топлива (к примеру, низкооктановый бензин для форсированного мотора). Как правило, использование подобного горючего повышает вероятность появления данного явления.

Также проблема может возникнуть из-за некорректного вождения неопытным водителем. Езда на высокой передаче в тех случаях, когда ее необходимо снизить (торможение, поворот, подъем в гору) либо случайное включение не той передачи.

Последствия явления

После того, как произошла детонация мотора, его работа полностью нарушается, поэтому потребуется замена запчастей для двигателя:

• Снижается тяга;
• Двигатель потребляет большее количество топлива;
• Поднимается температура, что влечет за собой негативные последствия. Увеличивается трение между деталями, поскольку они работают без смазки;
• Снижается уровень масла.

В случае появления длительной аномалии (несколько секунд и более) возникают проблемы серьезнее:

• Деформируются кольца поршня и клапана;
• Снижается герметичность блока и головки цилиндров;
• Возникают задиры.

Судя из всего вышеперечисленного следует, что данное явление крайне опасно. Чтобы не получить дорогостоящий ремонт необходимо внимательно следить за техническим состоянием автомобиля.