Детонационное горение

При нормальном горении в цилиндре давление нарастает плавно, но в результате повышения температуры и давления может начаться детонационное горение или взрывное.

Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь нагревается в результате роста давления со сторон фронта пламени. При достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, тем не менее, не возникают из-за местного недостатка кислорода и времени для формирования фронта горения.

Однако несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Любое местное повышение давления и температуры вызывает самовоспламенение этой части заряда, которое носит взрывной характер.

Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают в свою очередь самовоспламенение хорошо подготовлен­ной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500—2300 м/с, что характерно для взрывного горения.

Сгорание в цилиндрах двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным.

При отражении ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий металлический стук, который является внешним проявлением детонации.

При сильной детонации мощность двигателя падает, растет расход топлива, в отработавших газах появляется черный дым. Ударные волны разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра, что приводит к его интенсивному износу. В дальнейшем могут обгореть кромки поршней, электроды свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров, произойти выкрашивание антифрикционного сплава в подшипниках коленчатого вала и иные разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговечность деталей механизма.

Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, которое может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры в результате разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания.

Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя, поэтому в таких случаях необходимо просто прекратить подачу горючей смеси.

В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает воспламенение топлива, но от сжатия – явление дизелинга. Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала, большой нестабильностью и вибрациями. Это явление имеет место при e > 8, 5. Для его устранения применяют автоматическое перекрытие в карбюраторе канала холостого хода при выключении зажигания.

В автомобильных двигателях с искровым зажиганием (карбюраторные, эжекторные) скорость горения топливовоздушной смеси должна быть ниже скорости детонационного сгорания. Детонационная стойкость бензинов оценивается октановым числом (ОЧ), которое численно равно процентному содержанию (по объему) в смеси трудно детонирующего изооктана с легко детонирующим нормальным гептаном, который по детонационной стойкости равноценен данному топливу.

Изооктан – C₈H₁₂ – бесцветная жидкость, получаемая взаимодействием изобутана с изобутиленом.

Гептан - C₇H₁₆ - бесцветная жидкость, содержащаяся в нефти.

Например, если исследуемое топливо при испытаниях детонирует так же, как смесь, содержащая 76 % изооктана и 24 % нормального гептана, то октановое число такого топлива равно 76. Чем выше октановое число топлива, тем выше максимально допустимая степень сжатия, при которой топливо будет сгорать без детонации. Октановое число определяется двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число, полученное моторным методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при использовании их в двигателях, длительно работающих на номинальных нагрузочных и тепловых режимах. Октановое число, определяемое исследовательским методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при исследовании их в двигателях, работающих в условиях неустановившихся режимов (движение автомобилей в городских условиях).

Моторный метод определения октанового числа топлива заключается в следующем. Устанавливают нормальный режим работы одноцилиндрового двигателя с изменяемой степенью сжатия на испытуемом топливе. Далее, изменяя степень сжатия, добиваются появления интенсивной детонации. Затем подбирают такую эталонную смесь изооктана с гептаном, которая при тех же условиях работы двигателя, будет также устойчиво детонировать. И по соотношению изооктана и гептана дают заключение об испытуемом топливе.

Исследовательский метод заключается в менее жестком режиме работы лабораторного двигателя на испытуемом топливе. Поэтому октановое число по исследовательскому методу несколько выше, чем октановое число, определенное по моторному методу. Основное различие между исследовательским и моторным методами состоит в том, что при исследовательском методе смесь не подогревается, а температура воздуха перед карбюратором поддерживается равной 52°С, в то время как при моторном методе смесь подогревается после карбюратора до 149 °С.

Если октановое число было определено исследовательским методом, то в марке бензина ставится индекс " И", например автомобильный бензин АИ-93, а при моторном методе бензин будет иметь обозначение А-76.

Увеличение октанового числа бензина возможно по ряду направлений:

– подбор соответствующего нефтяного сырья;

– совершенствование технологии переработки и очистки бензина.

Для повышения детонационной стойкости бензина наряду со специальной его обработкой применяют так называемые высокооктановые добавки- антидетонаторы – вещества, пары которых взаимодействуют с активными радикалами, уменьшая скорость реакции. Одна из наиболее распространенных добавок, применяющихся в России – тетраэтил свинца (ТЭС)Pb (C ₂ H ₅), представляющий собой густую, маслянистую бесцветную жидкость с плотностью r = 1, 66, температурой кипения 200°С, хорошо растворяющуюся в органических веществах (углеводородах, спиртах) и не растворяющаяся в воде. ТЭС – это наиболее дешевая добавка, однако выхлопные газы этилосодержащих бензинов, выбрасываемые в атмосферу, очень вредны, так как в них много свинца и углеводородов. Недостатком ТЭС является то, что свинец, находящийся в нем, из камеры сгорания удаляется не полностью, что приводит к освинцовыванию камеры сгорания. С целью уменьшения этого явления к ТЭС добавляют бромистые и хромистые соединения. В современных двигателях применяют другое органическое соединение свинца – тетраметилсвинец (ТМС), который более эффективен по сравнению с ТЭС. Это объясняется тем, что в форсированных двигателях температурный режим достаточно высок, а ТЭС разлагается слишком рано, так как он не слишком термически устойчив, и в связи с этим часть вещества расходуется непроизводительно, а ТМС в отличие от ТЭС более термически устойчив.

В США и практически во всей Европе и Японии применяют кислородосодержащие добавки, так называемые МТБЭ. Эти добавки менее вредны, но более дорогие в производстве.