Что такое детонация топлива в двигателе

Что такое детонация двигателя внутреннего сгорания

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.

Последствия детонации двигателя

Сильная детонация губительно действует на детали камеры сгорания. По сути, детонация — это взрыв, и несложно догадаться, что вследствие этого происходит механическое разрушение деталей двигателя.

При длительной и сильной детонации может быть испорчен и поршень, и шатун, другие элементы КШМ. Так же негативному воздействию подвергаются клапаны и другие элементы ГРМ. И конечно же цилиндры подвергаются сильнейшему негативному воздействию.

Детонация двигателя при выключении

После того как выключили зажигание, мотор автомобиля может временами продолжать работать, то есть «дергается». Частота вращательных движений коленчатого вала то увеличивается, то уменьшается. И происходящее в камере сгорания напоминает процесс самовозгорания топлива в дизельном двигателе. Это явление называется «дизелинг». Не нужно его путать с детонацией, это другое явление и ничего общего с детонацией не имеет.

Дизелинг появляется при некорректной регулировке холостого хода. В случае если система загрязнена и смесь обогащают принудительным способом, путем закручивания винта количества. Свыше меры приоткрывают заслонку первой камеры, при этом получается, что всегда работает главная дозирующая система. Это так же может служить причиной детонации на холостых оборотах.

Причины возникновения детонации в двигателе

Причиной детонации в современных двигателях, включая ВАЗ, чаще всего является низкое качество топлива и количество примесей в нем. Прежде чем ехать в сервис попробуйте сменить заправку. Если детонация не исчезнет, то необходимо проверить работу топливной системы с помощью компьютерной диагностики. Так же необходимо обратиться в сервис в том случае, если детонация сильная.

Помимо низкого качества топлива причиной детонации может стать:

  • низкое октановое число используемого топлива
  • грязный топливный фильтр
  • плохо работающие форсунки
  • неполадки в работе топливного насоса
  • неисправный кислородный датчик
  • использование неподходящих свечей зажигания
  • неисправность системы охлаждения двигателя
  • неисправность блока управления работой двигателя

То есть причин много, но большинство из них можно определить только лишь с помощью специального диагностического оборудования.

Что делать, если двигатель детонирует?

Детонация, как правило, возникает при определенных режимах работы двигателя, характеризующихся высокими оборотами двигателя и повышенной нагрузкой.

Это может быть резкий старт с места, движение в гору, движение с полной загрузкой и т.д.

Для борьбы с детонацией в современных двигателях используется специальный датчик, который так и называется датчик детонации. Он отслеживает параметры работы двигателя, и в случае появления детонации изменяет режим работы двигателя за счет изменения состава топливной смеси и параметров угла опережения зажигания.

Однако, если во время движения вы заметили, что двигатель детонирует, то первым делом необходимо изменить стиль вождения. Как можно плавнее нажимая на педаль газа старайтесь так же плавно трогаться, снизьте скорость движения, преодолевайте подъемы на пониженной (по сравнению с обычным режимом) передаче.

При первой же возможности залейте в бак гарантировано хороший бензин, купленный на официальной заправке того же Лукойла или BP. Если детонация не прекратится, то езжайте в сервис на диагностику.

Точное определение слову «детонация», которое можно найти сейчас, есть в энциклопедии журнала «За рулём». Правда, там само определение называют «причиной», чтобы подчеркнуть важность явления детонации. Итак, детонация двигателя – это самовоспламенение топлива в тех зонах, которые наиболее удалены от свечи. Вот так, просто и понятно – никаких «взрывов» или «стука пальцев». Правда, в действительности детонация проявляет себя характерным металлическим призвуком. Его ещё можно назвать «цокотом». Причины детонации инжекторного двигателя рассматриваются дальше.

Читайте также:  Как снять радиатор на приоре видео

Что точно не может быть причиной детонации на «инжекторе»

До сих пор считалось, что детонацию топлива в двигателе могут вызывать три фактора:

  1. Низкое качество самого топлива;
  2. Слишком низкое октановое число;
  3. Неправильная установка угла опережения зажигания.

Интересно то, что к инжекторным моторам всё сказанное не относится. Угол опережения выставляется автоматически, причём подбирается он как раз под октановое число. Ну а грязное топливо, в котором есть сор, будет сгорать так же, как любое низкооктановое. Правда, косвенно его использование ведёт к засору форсунок, но проявится этот эффект далеко не сразу. В общем, все указанные пункты – не актуальны.

Форсунка, проработавшая с засорённым фильтром тонкой очистки

Ещё в 50-х годах при изучении детонации двигателя причины были найдены и озвучены:

  • Используя топливо с фиксированным октановым числом, можно повышать угол опережения зажигания до строго определённого предела. Пройдя его, обычно наблюдают детонацию;
  • Пусть угол опережения является постоянным. Будем постепенно уменьшать октановое число. Тогда можно будет получить детонацию, преодолев некий «порог качества». В общем, низкооктановый бензин – это плохо.

В конструкции инжекторных двигателей есть датчик детонации (ДД) (подробнее о нём написано здесь). Блок ЭБУ, в свою очередь, меняет угол опережения, отслеживая сигнал с этого датчика. Неисправность самого ДД тоже не будет фатальной – процессор, хотя и не сразу, понизит угол опережения до минимума. Мощность после этого снизится, но детонация будет исключена.

Когда датчик ДД выходит из строя, лампа Check Engine включается обязательно. До замены датчика лучше выполнять рекомендацию – число стартов двигателя нужно свести к минимуму. Просто, контроллер после включения не сразу понимает, что именно вышло из строя. Лучше перестраховаться.

Чем грозит появление нагара

Использование топлива с большим количеством вредных примесей ведёт к образованию нагара. Это – аксиома. Если же говорить о причинах детонации, нужно различать два понятия – нагар на поверхности цилиндра и отложения на корпусе свечи.

Поршни и поверхность цилиндров

Слой нагара на внутренней поверхности цилиндров есть всегда, а его количество постоянно меняется. Можно заправить авто некачественным топливом, а затем пусть мотор поработает на малой мощности. Суммарное количество нагара в результате возрастёт, что приведёт к увеличению степени сжатия и к ухудшению отвода тепла. В общем, может появиться детонация, а решают проблему так:

  • Автомобиль останавливают, уменьшают угол опережения зажигания, заводят двигатель снова. Регулировку производят только на трамблёре;
  • На инжекторном двигателе трамблёра нет, а угол опережения регулирует блок ЭБУ. Вмешательство оператора не требуется – нужен лишь исправный датчик детонации. Но даже с испорченным датчиком вызвать детонацию не получится – система среагирует на наличие неисправности мгновенно и правильно.

Здесь не было сказано о нагаре на корпусе свечи. Его появление действительно представляет опасность – речь идёт о «калильном зажигании». Подробней об этом явлении рассказывается ниже.

Число настоящих причин равно трём

Причин детонации инжекторного двигателя мы так и не назвали. Можно спокойно заливать любое топливо, даже с примесями, и можно полностью отключить датчик детонации – мотор будет продолжать работать, но ЭБУ соответствующим образом отрегулирует зажигание. К появлению устойчивой детонации ведут три фактора: работа на обеднённой смеси, калильное зажигание, перегрев стенок камеры сгорания. Последний из факторов вызывается только одной причиной – поломкой датчика температуры (ДТОЖ).

Датчики ДТОЖ автомобилей Lifan

Ниже перечислены датчики, исправность которых тоже важна.

Шпаргалка по отказам датчиков

Инжекторный бензиновый двигатель снабжён набором элементов, позволяющих контролировать работу системы в каждый момент времени. Все эти элементы называются датчиками. Перечислим те из них, отказ которых ведёт к появлению детонации:

  • ДПДЗ, или датчик положения дроссельной заслонки. Симптомы отказа – снижение мощности, рывки и провалы при разгоне, а также неустойчивый холостой ход. Результат – работа двигателя на обеднённой смеси, но только при больших нагрузках. А детонация проявится, если управление ведётся в стиле «педаль в пол». Лампа Check Engine обычно не срабатывает.
  • ДТОЖ, то есть датчик температуры тосола. Если мотор нагрет до критической температуры, блок ЭБУ должен об этом «знать». Угол опережения зажигания затем должен быть скорректирован. А иначе, и довольно быстро, начнётся устойчивая детонация.
  • ДД, датчик детонации. Этот элемент выходит из строя редко, но может повреждаться проводка. При поломке именно датчика, а не при обрыве или замыкании проводов, лампа Check Engine не загорается на низких оборотах. Если неисправность уже есть, вызвать детонацию можно так: надо заглушить двигатель, скинуть и снова подключить клемму АКБ, выполнить старт. Детонация появится, а затем исчезнет до следующего запуска.

Ломается датчик ДТОЖ – получаем детонацию в критических режимах. А при поломке ДПДЗ детонация наблюдается на высоких оборотах. Появление и быстрое пропадание детонации – результат отказа ДД.

Причина детонации

В обычных условиях рабочая смесь топлива с воздухом воспламеняется от свечи зажигания, после чего пламя равномерно распространяется в камере сгорания со средней скоростью около 20 м/с. При неравномерном воспламенении рабочей смеси температура и давление воспламеняющейся смеси резко повышаются, так же, как давление и температура невоспламененной смеси. Если при этом в нескольких местах превышается критическая температура, возникают очаги самовоспламенения, вызывающие неравномерное ударное возгорание остатка рабочей смеси. Неравномерный процесс сгорания образует сильные ударные волны, вызывающие звонкий детонационный звук при достижении поверхности цилиндра.

Способы предотвращения детонации

На практике существуют три вида мероприятий по предотвращению детонации.

  1. Предотвращение детонации при эксплуатации двигателя, когда она возникает во время движения автомобиля и необходимы срочные меры для предотвращения сильных повреждений двигателя.
  2. Предотвращение возможной детонации при разработке двигателя, когда используется комплекс мер для противодействия появлению детонации.
  3. Предотвращение возможной детонации путем разработки топлива с высокой детонационной стойкостью.
Читайте также:  Пропуски зажигания на холостом ходу ваз 2114

1. Предотвращение детонации при эксплуатации двигателя.

Во время движения автомобиля детонация может возникнуть при разгоне или движении с большой скоростью. В обоих случаях двигатель сильно перегружается.

Детонация при разгоне возникает при ускорении транспортного средства с низких оборотов коленчатого вала путем резкого нажатия на педаль «газа». При этом резко увеличивается подача рабочей смеси в цилиндры, избыток смеси не успевает сгорать вовремя и догорание смеси вызывает детонационные процессы. В таком случае помогает переключение на следующую передачу (при наличии механической коробки передач), когда при той же мощности двигателя повышается частота вращения коленчатого вала, а крутящий момент уменьшается. Наполнение и вентиляция цилиндров двигателя происходят более равномерно, не остается сгорающих избытков рабочей смеси и детонация исчезает.

Детонация при движении с большой скоростью возникает с выходом двигателя на излишне высокую частоту вращения коленчатого вала. Ее можно легко не заметить, и так как не принимаются никакие меры, это нередко приводит к прогоранию поршня. В этом случае достаточноснизить скорость, то есть уменьшить подачу рабочей смеси в цилиндры. Двигатель выйдет на оптимальный режим работы и детонация исчезнет. Если детонация возникает в двигателе, работающем на обычном бензине, поможет замена на бензин высшего качества.

Кроме того, можно снизить склонность двигателя к детонации, настроив угол опережения зажигание на «поздний». При «позднем» зажигании давление в цилиндрах остается низким, а топливо не так часто самовоспламеняется. Обратной стороной такого решения является снижение мощности двигателя и увеличения расхода топлива.

2. Предотвращение возможной детонации при разработке двигателя.

Выбор степени сжатия

Степень сжатия следует выбирать настолько высокую, насколько это возможно для работы двигателя без детонации на имеющемся в продаже бензине.

Обычный бензин позволяет выбрать степень сжатия E до 9.

Бензин высшего качества позволяет выбрать степень сжатия E от 8,5 до 11. При расчетах необходимо учитывать, что высокое значение степени сжатия увеличивает мощность двигателя и снижает расход топлива.

Положение свечи зажигания

Склонность двигателя к детонации снизится, если пламя будет распространяться от горячих частиц смеси к холодным. Самым горячим местом в камере сгорания является выпускной клапан. Рядом с ним должна устанавливаться свеча зажигания.

Рис. Хорошее охлаждение камеры сгорания предотвращает детонацию

Форма камеры сгорания

Форма камеры сгорания также влияет на возникновение детонации. Единая камера сгорания менее предрасположена к детонации, чем разделенная.

Частицы рабочей смеси, которые поздно охватываются пламенем, должны сохранять низкую температуру с помощью хорошо охлажденных стенок камеры сгорания для предотвращения преждевременного воспламенения. Вихревое движение топливовоздушной смеси в камере сгорания поддерживает равномерный состав смеси и распределение температур. Пламя распространяется по камере сгорания быстрее, что не вызывает взрывных реакции при сгорании. Вихревое движение смеси обеспечивается геометрией впускного канала, а также соответствующей формой камеры сгорания и поршня, что закладывается на стадии проектирования двигателя. Во впускных каналах сложной геометрии увеличивается аэродинамическое сопротивление движению потока рабочей смеси, поэтому наполнение цилиндров и, соответственно, литровая мощность двигателя снижаются.

Охлаждение

Посредством хорошего охлаждения двигателя снижается температура рабочей смеси и она остается менее склонной к самовоспламенению. Жидкостное охлаждение двигателя имеет больше преимуществ, чем воздушное.

При использовании алюминиевых сплавов вместо чугуна температура головки блока цилиндров остается низкой вследствие в три раза большей теплопроводности.

Электронная система предотвращения детонации

Детонация исчезает, если установить угол опережения зажигания в «позднее» положение. Для этого используется электронная система предотвращения детонации в сочетании с электронной системой зажигания. Датчик детонации, установленный на двигателе (датчик ускорения), улавливает детонационные вибрации, например, блока цилиндров двигателя. Сигналы датчика детонации анализируются микропроцессором, который при необходимости перестраивает работу системы зажигания согласно уровню детонации, например, на 1 градус угла поворота коленчатого вала в направлении «позднее», пока детонационные вибрации не перестанут улавливаться.

Если детонация не улавливается, электронная система зажигания управляет работой двигателя в обычном режиме. При этом, правда, возможно приближение работы двигателя к зоне возможного возникновения детонации. В противоположность этому в двигателе без электронной системы предотвращения детонации режимы работы удерживаются на относительно большой дистанции от зоны возможного возникновения детонации. Следует, однако, учитывать, что работа двигателя вблизи этой зоны означает большую литровую мощность двигателя и меньший удельный расход топлива. В двигателях с электронной системой предотвращения детонации также может увеличиться степень сжатия; кроме того, они не чувствительны к топливу с незначительным октановым числом.

3. Предотвращение возможной детонации путем разработки топлива с высокой детонационной стойкостью.

Рис. Детонационная стойкость углеводородов

Горючее получают путем перегонки нефти, которая представляет собой множественные соединения углеводородов, имеющих различную детонационную стойкость. Дистиллят нефти подвергается химическим процессам для обогащения антидетонационными углеводородами.

При перегонке нефти получается бензин с диапазоном кипения 40-215 °С. Его удельная теплота сгорания составляет Нп

43 000 кДж/кг. Бензин разделяют на обычный бензин (плотность р — 0,74 г/см3), бензин высшего качества (р

0,76 г/см3) и бензин наивысшего качества. Детонационная стойкость разных сортов бензина различается вследствие различного состава. Октановые числа бензина по исследовательскому методу (ROZ) по меньшей мере, должны быть равны следующим величинам:

  • обычный бензин ROZмин= 91
  • бензин высшего качества ROZмин = 95
  • бензин наивысшего качества ROZмин = 98

Раньше для увеличения детонационной стойкости в бензин добавляли соединения свинца. Так как свинец и его соединения ядовиты и несут угрозу для окружающей среды, свинцевание бензина было запрещено на законодательном уровне. Исключением является этилированный бензин высшего качества с октановым числом ROZмин = 98 (максимальное содержание свинца 0,15 г/л). Так как все современные двигатели оснащены каталитическими нейтрализаторами для очистки отработавших газов, они не должны работать на этилированном бензине. Свинец и его соединения покрыли бы поверхность нейтрализатора и вступили с ней в химическую реакцию. Вследствие этого очистка отработавших газов стала бы невозможной.

Читайте также:  Как скрутить пробег на электронном спидометре самому

Те соединения свинца, которые раньше добавлялись в бензин для повышения детонационной стойкости, называются антидетонаторами.

В качестве антидетонаторов использовались тетраметилсвинец (Рb(СН3)4) и тетраэтилсвинец (Рb(С2Н5)4). Оба соединения свинца очень ядовиты. Их действие заключается в том, что они вследствие высокой температуры распадаются до воспламенения смеси в камере сгорания, и возникающий свинцовый порошок предотвращает преждевременное самовоспламенение смеси.

Чтобы во время сгорания не образовывался оксид свинца, который способен ускорить износ цилиндра, в бензин добавляют соединения брома и хлора. При высокой температуре в камере сгорания двигателя свинец образовывает бромид свинца или хлорид свинца. Эти два очень ядовитых соединения свинца становятся газообразными при температуре около 800 °С и выводятся из двигателя вместе с отработавшими газами. Они считаются вредными примесями в отработавших газах и приводят к загрязнению воздуха.

Добавление в бензин спиртов, например, метанола, также повышает детонационную стойкость топлива. Разумеется, при добавлении большого количества, равного 15%, топливная аппаратура системы питания двигателя должна быть специально настроена на смесь бензина и спирта.

Определение детонационной стойкости бензина

Детонационная стойкость бензина выражается в его октановом числе.

Октановое число бензина указывает на то, что данный вид топлива обладает такой же детонационной стойкостью, что и эталонная сравнительная смесь углеводородов — изооктана и нормального гептана. Так как изооктан имеет октановое число 100, а нормальный гептан — октановое число 0, то октановое число 80 означает, что детонационная стойкость бензина равна детонационной стойкости смеси из 80% (объемных частей) изооктана и 20% (объемных частей) нормального гептана. Детонационная стойкость растет с увеличением октанового числа.

Определение октанового числа выполняется на соответствующем испытательном стенде с использованием эталонного двигателя для оценки детонационной стойкости различных видов топлива. Эталонным в данном случае считается одноцилиндровый четырехтактный бензоиновый двигатель с термосифонной системой жидкостного охлаждения, в которой отсутствует помпа, а охлаждающая жидкость испаряется, и пар низкого давления конденсируется в радиаторе, а затем в виде конденсата возвращается в рубашку охлаждения. Степень сжатия двигателя во время испытаний может изменяться в границах между 4 и 18.

Существует два стандартизированных метода испытаний: исследовательский метод и моторный метод. Соответственно, результатами являются исследовательское октановое число бензина (ROZ) и моторное октановое число бензина (MOZ). Различия основных параметров обоих методов указаны в таблице.

Таблица. Различия параметров исследовательского и моторного методов

В моторном методе смесь воздуха и бензина нагревается позади карбюратора, а в исследовательском методе — воздух нагревается перед карбюратором.

Эталонный двигатель запускается и соединяется с большим электрическим генератором, в котором крутящий момент от эталонного двигателя возбуждает электрический ток, создающий тормозной момент. Измерение октанового числа всегда проводится в режиме сильной детонации при сгорании рабочей смеси. При этом коэффициент избытка воздуха регулируется так, чтобы получить детонацию максимальной интенсивности. Индуктивный датчик и электронный усилитель сигналов замеряют уровень детонации и выводят показания на дисплей специального прибора — детонометра. Компрессия двигателя настраивается таким образом, чтобы показания детонометра исследуемого бензина находились в середине шкалы прибора. Затем в систему питания вводятся две сравнительные смеси, чьи октановые числа различаются лишь на две единицы. Одна сравнительная смесь должна вызывать более сильную, а вторая более слабую детонацию, чем бензин. Посредством линейной интерполяции определяется и округляется до десятых долей октановое число бензина.

Рис. Определение октанового числа бензина

Один и тот же бензин, испытанный по моторному методу, имеет меньшее октановое число, чем выявленное по исследовательскому методу. Октановое число, определяемое по моторному методу, в современном бензине меньше примерно на 10 единиц, чем октановое число, определяемое по исследовательскому методу. Данная разница обусловлена тем, что соотношение олефинов и ароматических углеводородов в двух методах испытаний отличаются. На сегодняшний день исследовательское октановое число в бензине равно приблизительно 92, а в бензине высшего качества — 95 единиц. Октановое число, определяемое по исследовательскому методу, указывает на то, как ведет себя топливо при ускорении (детонация при разгоне).

Октановое число, определяемое по моторному методу, наоборот, указывает на поведение при большой нагрузке (детонация при высокой частоте вращения коленчатого вала).

Наряду с исследовательским и моторым октановыми числами существует также октановое число, определяемое по дорожному методу (SOZ). Оно определяется методом дорожных испытания транспортного средства согласно «модифицированному дорожному методу». В прогретый двигатель подаются различные сравнительные смеси из изооктана и нормального гептана. Автомобиль сначала ускоряется до максимальной скорости на прямой передаче, позволяющей плавное движение без рывков. Угол опережения зажигания регулируется до тех пор, пока не исчезнет детонация. В результате данные испытаний образуют базовую кривую, отображенную на рисунке.

Рис. Определение октанового числа по дорожному методу

Затем по тому же методу определяется установка зажигания, при которой начинается детонация, для исследуемого бензина. По базовой кривой определяется октановое число бензина по дорожному методу. Эта величина в различных двигателях будет иметь различные значения для одного и того же бензина.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *