Что такое детонация почему происходит детонация в двигателе

Детонация двигателя явление не из приятных. Причины детонации мы разберем в конце статьи, а сначала давайте разберемся в том, что такое детонация, и что при ней происходит с двигателем.

Нормальное сгорание топлива в цилиндре, это химическое взаимодействие, протекающее в смеси паров бензина с воздухом. Для того чтобы процесс начался, мало просто перемешать горючее с воздухом в нужной пропорции, этому веществу необходимо еще дать необходимую энергию.

В дизельных двигателях для этого создается очень высокое давление на горючую смесь и температура в конце такта сжатия способствует воспламенению топлива. В бензиновых моторах смесь необходимо поджечь искрой, которая создается при помощи автомобильной свечи. Сформировавшееся пламя распространяется от электродов автомобильной свечи к стенкам всей камеры сгорания.

Пока фронт пламени идет от свечи зажигания к дальним зонам камеры сгорания, может произойти ее самовоспламенение до прихода огня. Несомненно, из-за этого возникает слабая ударная волна, которая встречает на своем пути подготовленное к воспламенению топливо.

От сжатия горючая смесь тут же воспламеняется. Проще говоря, эта волна и есть детонация, скорость ее распространения в цилиндре двигателя достигает порядка 1000 м/с. Это в несколько раз быстрее обыкновенного фронта огня. При этом вы можете слышать металлический звук.

Это явление проявляется, как правило, при средних и больших оборотах мотора. Слабая и кратковременная нагрузка не оказывает серьезного вредного воздействия. Кроме того, чем ближе обстоятельства сгорания в моторе к детонации, тем выше его КПД.

В дизельных двигателях уровень сжатия намного выше, от чего топливо нагревается до пятисот градусов, и самовоспламеняется без помощи искры. В бензиновых моторах уровень сжатия намного меньше, соответственно, и температура в цилиндрах ниже. Кроме того, способность самовозгораться у бензина ниже, чем у дизельного горючего.

Детонация: базовая характеристика явления

Прежде чем определять причины прецедента и искать способы решения проблемы, стоит разобраться, что собой являет детонация двигателя и как её распознать автовладельцу. Детонация, как опасный для двигателя феномен, проявляется чаще всего нехарактерными звуками со стороны агрегата. Раздражающий металлический стук, сравнимый с микровзрывом по воспроизведению, зачастую возникает при включении зажигания, под нагрузкой или при глушении. Детонация при запуске двигателя, когда агрегат функционирует на холостых оборотах, многими автомобилистами воспринимается как проблема с зажиганием, однако, если прецеденты проявляются и в других ситуациях, дополняются второстепенными признаками детонирования, причины кроются значительно глубже. Дополнительные признаки детонации могут проявляться в следующем:

1. Стремительный рост расхода топливных ресурсов.
2. Ухудшение параметров мощности агрегата.
3. Регулярные перегревания двигателя.
4. Изменения цвета дыма из выхлопной трубы с практически прозрачного до чёрного.

Если вышеупомянутые симптомы проявляются комплексно и систематически, значит, мотор подвергается детонации, которая являет собой самовоспламенение топлива в камере сгорания, влекущее за собой появление взрывной волны, воздействующей негативно на компонентные детали агрегата.

Как говорится, лучше всего придерживаться золотой середины – слишком бедная смесь не воспламеняется от искры, а слишком обогащенная будет воспламеняться раньше положенного срока.

Одна из очень частых причин появления детонации связана с образованием отложений внутри камеры сгорания. Раскаленный нагар воспламеняет топливную смесь раньше времени, так как он увеличивает степень сжатия. В таком случае идеальным средством для очистки двигателя будет раскоксовка и промывка от LAVR – лучше всего подойдет готовый набор из раскоксовки ML202 и 5-минутной промывки. Препараты эффективно и безопасно очищают элементы камеры сгорания, выравнивают компрессию в цилиндрах, а также исключают риск детонации.

Последствия детонации

Когда технология сгорания топлива нарушается, в цилиндрах постоянно повышается температура. В результате первыми под удар попадают свечи зажигания, а затем клапаны и поршневые кольца.

Во время детонации на двигателе выгорает масляная пленка, которая должна защищать детали от чрезмерного износа. При долгосрочном отсутствии смазывающего вещества элементы цилиндропоршневой группы подвергаются излишнему механическому воздействию, что чревато залеганием колец и задирам на стенках камеры сгорания.

Помимо температурной нагрузки возникает постоянное давление от ударной волны, которая настигает все активные элементы двигателя. В первую очередь это отражается на кривошипно-шатунном механизме.

Сильнее всего от детонации страдают вкладыши коленчатого вала и шатуна.

Детонация при запуске двигателя

Холодный инжектор при запуске может детонировать при поступлении обедненного топлива в цилиндры. Как правило, это обусловлено засорением отверстий распыляющих форсунок. При их засоре топливо подается в ненадлежащем объеме. После прогрева детонация исчезает. Чтобы избавиться от негативного эффекта, рекомендуется регулярно проверять и очищать топливные фильтры. Засорение форсунок считается серьезным дефектом, избавиться от которого трудно без демонтажа.

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] .

Способы борьбы с детонацией

Для того чтобы устранить данное явление, необходимо обратить внимание на причины его возникновения и помнить, что детонация происходит при включенном зажигании, ненормальные явления, возникающие при глушении мотора, имеют иное название и требует иных мер.

Если ДВС стал работать с детонацией сразу после заправки – значит, в бак попало некачественное горючее. Если мотор бензиновый, можно добавить в топливный бак ацетон, он повысит октановое число. Либо топливо придется попросту слить и заправиться более качественным.

Если автомобиль постоянно эксплуатируется в щадящих условиях, с минимальной нагрузкой или же мотор подолгу работает на холостом ходу, в камерах сгорания откладывается нагар, из-за чего повышается степень сжатия и увеличивается риск появления детонации. В данном случае необходима профилактика: двигателю необходимо периодически давать работать с большой нагрузкой. Хороший метод профилактики – периодические динамичные разгоны (что называется «тапка в пол») и езда на пониженной передаче с высокими оборотами. Разумеется, это допустимо только если позволяет обстановка на дороге.

Детонация дизельного ДВС иногда сопровождается черным или зеленоватым выхлопом. Это означает, что разрушились поршни, и выхлопным газам добавляются частицы алюминия. В такой ситуации необходима замена поршневой группы.

Из-за неисправных свечей зажигания может возникать детонация при запуске двигателя. В этом случае все, что нужно сделать – заменить их. У дизельного двигателя такая проблема возникает после западания иглы форсунки. Чтобы устранить неполадку, придется посетить СТО.
» alt=»»>