CC BY
173
УДК 621.43.052
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
А.В. Мотлохов, к.т.н., НТУ «Х1111»
Аннотация. Рассматриваются физическая сущность понятия «границы» детонации, принцип используемый в основе способов устранения детонации, на конкретных примерах проанализированы причины и механизм разрушения поршня. Сделан вывод о возможности создания бензинового двигателя, не уступающего по экономичности дизелю.
Ключевые слова: двигатель, смесеобразование, сгорание, давление, детонация, разрушение.
Введение
Данная статья продолжает тему детонации в двигателях с искровым зажиганием [1]. В предыдущей части были рассмотрены положения действующей теории детонации, отмечено их недостаточное соответствие реальным процессам, в связи с чем была предложена гипотеза возникновения детонации, в основу которой положено сгорание неоднородной топливовоздушной смеси, при котором создаются условия для образования за фронтом пламени объемов смеси, сгорающих на такте расширения и являющихся очагами (центрами) детонации. Однако опубликованный материал не позволяет ответить на ряд вопросов, связанных с возникновением и развитием детонации. В продолжение предложенной гипотезы рассматриваются дополнительные положения, объясняющие закономерности протекания процесса детонации.
Цель и постановка задачи
В рамках предложенной гипотезы одним из факторов, влияющих на характер сгорания детонационно-опасной части заряда, рассматривается положение «границы» (или порога) детонации. Предполагается, что появление характерного стука при работе двигателя соответствует переходу от «бесшумного» сгорания данной части заряда к взрывному, сопровождающемуся образованием ударных волн, являющихся причиной появления внешних признаков сгорания. Оценка правомерности подобного предположения, определение физической сущности «границы» детонации, факторов, влияющих на ее положение, а также определение причины и механизма разрушения деталей камеры сгорания в процессе детонации является предметом данного исследования.
Оценка уровня давления как основного фактора определяющего характер сгорания детонационно-опасной части заряда
Влияние давления в цилиндре двигателя на участке расширения на характер сгорания отстающих объемов смеси, представляющих собой детонационно-опасную часть заряда, возможно оценить на характерном для рядовой эксплуатации примере - возникновении детонации при использовании топлива несоответствующего качества. В подобной ситуации детонационный стук возникает уже на частичных нагрузках по мере открытия дроссельной заслонки, увеличения действительной степени сжатия и возрастания максимального давления цикла Рг, при достижении которым определенного уровня появляются первые признаки детонации. В данном случае, на первый взгляд, ее появление противоречит положениям предложенной гипотезы, так как не связано с ухудшением дисперсности топливовоздушной смеси, а даже наоборот, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость воздушного потока в системе впуска, улучшаются условия смесеобразования, что сопровождается снижением влияния «внешней» причины, вызывающей нарушение однородности смеси. Однако остается неизмененным влияние «внутренней» причины, связанной с наличием в составе бензина фракций, выкипающих при различной температуре. Необходимо отметить, что влияние данной причины на характер работы двигателя учитывается на стадии проектирования и заключается в согласовании степени сжатия (е) и ОЧ бензина, что определяет требуемый уровень «границы» детонации для обеспечения нормальной работы двигателя на режимах внешней скоростной характеристики.
Следовательно «граница» детонации, по сути, является максимальным давлением при котором детонационно-опасная последняя часть заряда, состоящая из высококипящих фракций, сгорает с нормальной скоростью и не вызывает детонационных явлений. Так как высококипящие фракции (I - 200 °С) постоянно присутствуют в составе бензина и обеспечивают наличие детонационноопасной части в составе топливовоздушной смеси, автором сделано предположение, что при правильном согласовании степени сжатия двигателя и ОЧ топлива сгорание данной части заряда проходит «бесшумно» ниже границы детонации, тогда как в случае нарушения принятого соответствия сгорание проходит выше границы детонации и приобретает взрывной характер. В подобном случае появление детонационных стуков свидетельствует о фазовом изменении в процессе сгорания, вероятной причиной которого является повышение плотности и температуры продуктов сгорания с ростом Р2.
Определить пороговое значение давления соответствующего появлению детонации, а также подтвердить предположение о «бесшумном» сгорании последней части заряда ниже границы детонации, возможно при наличии серии осциллограмм, снятых на различных этапах развития детонации с одновременной регистрацией внутри-цилиндровых процессов и внешнего звукового проявления. Теоретически, по расположению детонационных пиков на линии расширения, они должны иметь следующий вид. На режиме, сопровождающемся интенсивной детонацией, «гребенка» пиков начинается от Р2 (диаграммы подобного типа являются наиболее распространенными и приведены в [1]). С уменьшением интенсивности детонации «гребенка» пиков будет смещаться от Р2 и на осциллограмме, соответствующей режиму на котором исчезнет стук, первый детонационный пик должен располагаться на существенном удалении от Р2, что будет соответствовать преддетонационному режиму работы с «бесшумным» сгоранием последней части заряда.
Подобную серию осциллограмм необходимо отснять, но предварительно характер изменения давления в цилиндре двигателя на такте расширения на преддетонационных режимах возможно оценить по серии осциллограмм, снятых автором при проведении исследований двигателя, оснащенного пневматической системой топливопода-чи, с разделенной камерой сгорания и повышенной степенью сжатия (е = 10) при работе на низкооктановом бензине, рис.1. Режимы работы двигателя на представленных осциллограммах являются преддетонационными, так как установка режимов осуществлялась по устранению детонационных стуков, возникающих при переходе к очередному режиму. Наличие детонационных пиков на осциллограммах режимов, не сопровождающихся внешним проявлением детонации,
подтверждает тезис о возможности «бесшумного» сгорания детонационно-опасной части заряда.
I 1“
ВМТ
Ре = 0,2 МПа 0з = 14° до ВМТ
отметка времени - 1 мс
Ре = 0,4 МПа 0з = 2° до ВМТ
Рис.1. Осциллограммы преддетонационных режимов работы двигателя, п = 2000 мин-1
Анализ представленных осциллограмм также показывает, что при изменении всех показателей цикла с изменением режима работы, остается постоянной длительность задержки сгорания отстающих объемов смеси тд, соответствующая промежутку времени от момента зажигания (МЗ) до подъема линии расширения в основании первого детонационного пика. Данная закономерность объясняет принцип устранения детонации путем коррекции угла опережения зажигания (УОЗ) - обеспечивается смещение сгорания детонационно-опасной части заряда ниже границы детонации.
Устранение детонации путем коррекции УОЗ является эффективным способом борьбы с данным явлением. Уточнив принцип, лежащий в его основе, логично предположить, что механизм действия антидетонатора при добавлении к бензину аналогичен применению поздних УОЗ и также смещает сгорание последней части заряда ниже границы детонации. Данное предположение возможно объяснить с точки зрения принципа действия веществ подобного рода, который заключается в замедлении протекания предпламенных окислительных реакций, препятствуя самовоспламенению топлива. Однако данный эффект при использовании высокооктановых этилированных бензинов оказывает положительное влияние не на этапе формирования первичного очага воспламе-
нения, как это принято считать, а на этапе подготовки к сгоранию отстающих объемов топливовоздушной смеси, сгорающих за ВМТ после достижения Рг, когда за счет замедления развития предпламенных реакций в них, давление в цилиндре двигателя успевает снизиться и последующее сгорание детонационно-опасной части заряда проходит ниже границы детонации, что объясняет механизм действия антидетонатора в составе бензина.
Рассмотрим особенность работы двигателя вблизи границы детонации, неоднократно отмеченную при исследованиях бензиновых двигателей и сформулированную в источнике [2] следующим образом «...достижение наивысшей мощности и наилучшей экономичности на пороге слышимой детонации». Положительное влияние преддето-национных явлений на показатели работы двигателя объясняется ускорением процесса сгорания вследствие «...возникновения ударных волн незначительной амплитуды». Однако причину улучшения показателей работы двигателя возможно объяснить с другой точки зрения. Прежде всего, на основании исследований проведенных автором, следует продолжить приведенный выше тезис об улучшении показателей с приближением к порогу детонации - тенденция роста сохраняется и после появления стука, что важно для выяснения причины их улучшения. В частности, сгорание последней части заряда независимо от его характера вызывает повышение давления в цилиндре на участке расширения и тем большее, чем оно (сгорание) ближе к Рг, что следует рассматривать дополнительным количеством полезной работы в цикле за счет увеличения полноты сгорания топлива. Данный вывод объясняет причину улучшения показателей работы с приближением сгорания последней части заряда к порогу детонации и выше к значению Р2 - растет эффективность сгорания отстающих объемов смеси, растет количество дополнительной полезной работы. В этой связи необходимо отметить, что неэффективное сгорание последней части заряда ниже границы детонации возможно является основным источником образования несгоревших углеводородов СпНт в продуктах сгорания.
Влияние конструкции камеры сгорания на характер протекания процесса детонации
«Граница» детонации для каждого типа двигателя имеет вполне определенный уровень, при этом, за счет турбулизации заряда в процессе смесеобразования, возможно некоторое ее повышение, что соответствует повышению антидетонационных качеств двигателя. Положительный эффект тур-булизации заключается в улучшении испарения топлива в составе смеси и ее гомогенизации, что уменьшает вероятность образования очагов детонации. Для обеспечения турбулизации заряда в
камерах сгорания предусматривается применение вытеснителей. В целом конструкция камеры сгорания, включающая вытеснитель и объем той или иной формы, обеспечивает определенный механизм смесеобразования, который влияет не только на смещение границы детонации, но и определяет длительность работы двигателя до его разрушения в случае возникновения детонации. Подобный вывод сделан автором на основании следующих предпосылок. В источнике [3] имеется информация о том, что только через «... 10 часов непрерывной работы экспериментального двигателя удалось обнаружить едва заметные следы эрозии на поверхности поршня, в то время, как интенсивность детонационного стука буквально пугала участников эксперимента». В другом случае, при проведении исследований в лаборатории кафедры двигателей НТУ «ХПИ», при переменной интенсивности детонации, поршень опытного двигателя прогорел через час работы. Вероятно, различие в последствиях детонационного сгорания смеси зависит от положения очага детонации относительно днища поршня, формирование которого зависит от механизма смесеобразования. В источнике [3] не упоминается конструкция камеры сгорания, в которой детонация не приводит к разрушению поршня, но важен факт, что это возможно.
Рассмотрим механизм смесеобразования в известной камере сгорания опытного двухтактного двигателя НТУ «ХПИ». При проведении исследований использовалась камера сгорания полусферической формы, расположенная в головке цилиндра со смещением относительно оси цилиндра, что позволяет получить в конструкции камеры вытеснитель достаточно большой площади. Подача топлива осуществлялась непосредственно в объем камеры сгорания, рис. 2. Двигатель имел высокую действительную степень сжатия, порядка е = 9,5 г 10, испытания проводились на низкооктановом бензине. В данном случае возможен следующий механизм смесеобразования - топливо при впрыскивании оседает на поверхность камеры сгорания в зоне А в виде пятна, примерно постоянной площади, но с различной толщиной пленки, зависящей от величины цикловой подачи. При незначительной толщине пленки топливо испаряется с горячей поверхности камеры к моменту воспламенения, что обеспечивает нормальное протекание процесса сгорания на режимах малой и средней мощности. При увеличении мощности более 0,6Летах работа двигателя начинает сопровождаться детонацией, появление которой связано с ухудшением испарения топлива при увеличении толщины пленки с ростом цикловой подачи. Частицы топлива уносятся воздушным потоком, движущимся вдоль образующей камеры сгорания и в зоне В, где поток меняет направление частицы, по инерции, оседают на днище поршня. Сгорание данной части топливного заряда происходит по мере испарения и сопро-
вождается задержкой относительно сгорания основной массы смеси в объеме камеры сгорания. При этом, если сгорание отстающей части заряда проходит выше границы детонации, то оно имеет взрывной характер и представляет собой совокупность отдельных микровзрывов от сгорания каплевидных объемов смеси образовавшихся на поверхности поршня после испарения частиц топлива, причем, каждый микровзрыв сопровождается выбиванием металла с поверхности поршня в зоне оседания, что привело к образованию сквозного отверстия в зоне В. О разрушении поршня подобным образом свидетельствует большое количество мельчайших частиц алюминия, покрывающих детали камеры сгорания. Необходимо отметить, что данный механизм разрушения аналогичен процессу, происходящему при схлопывании пузырьков воздуха на поверхности рабочих органов гидромашин, образовавшихся вследствие процесса кавитации.
Рис. 2. Механизм смесеобразования в камере сгорания двигателя, поврежденного детонацией
Оседание жидких частиц топлива на поверхность поршня в процессе смесеобразования следует рассматривать основным фактором, вызывающим его последующее разрушение. Подобный вывод позволяет объяснить причину, по которой поршень экспериментального двигателя (по материалам [3]) не разрушился в результате 10-часового воздействия детонации - испарение и сгорание последней части топливного заряда происходило в объеме камеры сгорания при взвешенном состоянии частиц топлива.
В отношении различных последствий детонации представляет интерес случай разрушения боковой поверхности поршня в зоне пояса колец. Вероятной причиной разрушений подобного рода является попадание топлива в канавки поршневых колец со стенки цилиндра, где за счет теплоты поршня происходит его испарение, а дальнейшее взрывное сгорание в ограниченных объемах технологических зазоров приводит к образованию трещин в перемычках между канавками колец. Попадание же топлива на стенку цилиндра при наличии капель в составе топливовоздушной смеси практически неизбежно, так как на входе сме-
си в цилиндр двигателя капли, двигаясь вдоль образующей клапана, как по трамплину, по инерции достигают стенки цилиндра.
Попадание топлива по приведенному механизму возможно и в зазор между блоком цилиндров и головкой на металлическую окантовку уплотнительной прокладки. Описание случая разрушения прокладки в непосредственной близости от тарелки впускного клапана и возможная причина разрушения приведены в источнике [2]. Альтернативной причиной разрушения может рассматриваться взрывное сгорание локальных объемов смеси, образовавшихся после испарения частиц топлива, попавших на торец прокладки. Факты, подтверждающие наличие жидких частиц топлива в зоне разрушения, приведены при описании обстоятельств разрушения - поступление топливной пленки из впускного коллектора.
Заключение
Использование положений рассмотренной гипотезы о причинах и особенностях развития детонации в двигателях с искровым зажиганием позволило автору обобщить имеющийся опыт конструирования камер сгорания и организации процесса смесеобразования и разработать высокоэффективный процесс, позволяющий получить однородную топливовоздушную смесь к моменту воспламенения, и исключить вероятность образования очагов детонации даже при работе двигателя на смесях мощностного состава. В случае реализации данного рабочего процесса становится реальной идея создания двигателя нечувствительного к изменению октанового и цетанового числа топлива, а также следует ожидать существенного улучшения эколого-экономических показателей двигателей с искровым зажиганием, за счет увеличения степени сжатия и (или) применения наддува, в сравнении не только с лучшими образцами выпускаемых бензиновых двигателей, но и с вихрекамерным дизелем.
Литература
1. Мотлохов А. В. К вопросу о причинах детона-
ции в двигателях с искровым зажиганием // Автомобильный транспорт. - 2005. - Вып.17. - С. 55-60.
2. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных порш-
невых двигателях. Изд. 2-е перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.
3. Топливная экономичность автомобилей с бен-
зиновыми двигателями / Под ред. Д. Хиллиарда / Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 504 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 марта 2006 г.
