Что такое детонационное сгорание
Что такое детонация двигателя?
Силовая установка автомобиля работает за счет сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах. Процесс горения должен проходить по определенным условиям, чтобы обеспечить максимальный выход энергии с дальнейшим её преобразованием в механическое действие. Одно из нарушений процесса горения топлива — детонация двигателя.
Как проявляется детонация
Возникновение детонации в цилиндрах сопровождается металлическим звоном. При этом сам мотор вибрирует, что передается на кузов, а также запозданием прекращения работы (после отключения зажигания двигатель некоторое время еще работает). Если эти симптомы появились – в цилиндрах двигателя происходит детонационное сгорание.
В бензиновом двигателе топливовоздушная смесь, которая закачана в цилиндры, предварительно сжимается поршнем, что обеспечивает смесеобразование и повышение температуры, которая сказывается на воспламеняемости. Находящуюся под давлением смесь поджигает искра свечи зажигания. При этом образуется фронт пламени, который распространяется по всему объему от точки воспламенения к краям. Процесс распространения медленный – 20-30 метров в секунду. Сгорание топлива сопровождается возрастанием температуры внутри цилиндра и давления, которое и выступает как энергия, преобразуемая в механическое действие.
Детонационное сгорание – процесс, при котором возрастание давления и температуры приводит к появлению окислительных процессов компонентов смеси, что становится причиной возникновения дополнительного очага воспламенения. В результате фронт пламени распространяется быстрее, чем при нормальном горении (скорость распространения пламени превышает 1500 м/сек). Вместо одного очага (от свечи) становится два (второй – самопроизвольный), при этом фронт пламени каждого из них идет навстречу друг другу.
Видео: ДЕТОНАЦИЯ НАГЛЯДНО
Детонационное сгорание и калильное зажигание
Детонационное сгорание и калильное зажигание часто путают между собой. Коротко охарактеризовать их можно так: калильное зажигание – самопроизвольное воспламенение смеси от сильно разогретых элементов, расположенных в цилиндре. Детонация – самостоятельное поджигание смеси в результате воздействия давления (при сильном сжатии смеси происходят процессы, приводящие к самовоспламенению).
При этом детонация — процесс, который возникает при резкой смене режима работы двигателя и носит кратковременный характер. Она появиться может при резком нажатии на педаль газа. В результате смесь обогащается, но обороты двигателя еще не соответствуют требуемым. Из-за богатого топливом состава смеси возникает детонационное сгорание, но как только мотор выйдет на нужные обороты, детонация исчезает и процесс горения становится нормальным.
Калильное зажигание – следствие детонации. Если по каким-то причинам детонационное сгорание продлится длительное время, высокая температура, появляющаяся при детонации, разогреет элементы в камере сгорания и самовольное возгорание смеси будет происходить уже от них.
Причины возникновения
Причины появления детонации:
Видео: Детонация двигателя и методы устранения в прошивке
Последствия детонации
Воздействия ударных нагрузок и температуры пагубно влияет на элементы ЦПГ, клапанов, свечей.
Ударные нагрузки приводят к:
Высокая температура оплавляет днище поршня (вплоть до полного прогорания), подгорают седла и кромки клапанных тарелок, оплавляются свечные электроды, повреждается прокладка ГБЦ.
Где искать причину?
При появлении детонации в первую очередь обращаем внимание на качество бензина. Благодаря смене топлива от проблемы избавляемся. Далее уже проверять остальные условия – выставить зажигание, проверить работу топливной системы и т. д.
Если появляется калильное зажигание, то в этом случае помогает раскоксовка мотора.
Устройство автомобилей
Детонация
Природа явления детонации
Попробуем разобраться в физической природе детонации и причинах, вызывающих ее, пристальнее рассмотрев процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя.
Попавшая в цилиндр двигателя во время такта впуска горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов, образуя рабочую смесь, и начинает быстро сжиматься в процессе такта сжатия. На подходе поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь сильно разогревается за счет сжатия и контакта с горячими деталями кривошипно-шатунного механизма, после чего в требуемый момент цикла воспламеняется искрой зажигания.
Горение распространяется по объему камеры сгорания лавинообразно, увеличивая давление в цилиндре, толкая поршень и совершая, таким образом, полезную работу.
Таков механизм протекания нормального процесса горения. Но иногда он может нарушаться.
Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается дополнительно в результате прироста давления со стороны фронта пламени. Тем не менее, при достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, чаще всего, не возникают из-за местного недостатка кислорода и относительно большого времени протекания первой стадии сгорания, что характерно для периферийных зон.
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.
Последствия детонации
Высокая температура разрушает детали двигателя, приводя к обгоранию кромок поршней и клапанов, электродов свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров. Кроме этого нередко имеют место механические разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма и даже выкрашивание антифрикционного состава в подшипниках коленчатого вала.
Попробуйте узнать в приведенном на рисунке бесформенном куске металла поршень. Он разрушен последствиями детонационного сгорания топлива.
Таким образом, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговечность деталей КШМ.
Причины возникновения детонации
Возникновению детонации способствуют следующие факторы:
Сорт топлива
Сорта топлива характеризуются октановым числом, которым оценивается антидетонационная стойкость бензина. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационные свойства топлива. Октановое число легких фракций бензина меньше, чем у средних и тяжелых фракций. При быстром открытии дроссельной заслонки (например, при интенсивном разгоне) тяжелые фракции поступают в цилиндр с некоторой задержкой, что стимулирует детонацию в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в цилиндр.
Октановое число автомобильных бензинов в соответствии с ГОСТ 2084-77 составляет от 76 до 98 единиц.
Частота вращения коленчатого вала
Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к росту турбулизации заряда, что влечет за собой увеличение скорости распространения пламени. В результате времени на развитие предпламеных процессов в последних частях заряда становится недостаточно, и детонация снижается.
Кроме того, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается содержание остаточных газов в рабочей смеси, что также снижает интенсивность предпламенных процессов и приводит к снижению детонации.
Нагрузка
Уменьшение нагрузки сопровождается прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, вследствие чего давление и температура заряда в конце процесса сжатия снижается, а коэффициент остаточных газов γr увеличивается.
Кроме того, уменьшается количество поступающей в цилиндр горючей смеси, а значит и выделяемая в результате ее сгорания теплота, вследствие чего снижается давление в камере сгорания. По этим причинам уменьшение нагрузки приводит к снижению детонации и наоборот.
Угол опережения зажигания
Увеличение угла опережения зажигания приводит к более раннему тепловыделению относительно прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В результате резко повышается давление, что способствует возрастанию степени сжатия рабочей смеси перед фронтом пламени и вызывает появление очагов самовоспламенения.
Поэтому с увеличением угла опережения склонность к детонации возрастает и наоборот.
Тепловое состояние двигателя
С ростом температуры деталей камеры сгорания увеличивается вероятность возникновения очагов самовоспламенения и детонации.
Температура и давление воздуха на впуске в цилиндр
Увеличение температуры и давления окружающей среды усиливает вероятность детонации. Поэтому применение наддува в двигателях с принудительным воспламенением затруднено.
Степень сжатия
Увеличение степени сжатия приводит к увеличению температуры и давления в конце процесса сжатия. Следовательно, увеличение степени сжатия ограничивается, и ее максимально допустимое значение выбирается в зависимости от сорта топлива, формы камеры сгорания, материала поршня, головки блока цилиндров, быстроходности двигателя и способа его охлаждения.
Форма и размеры камеры сгорания
Двигатели с формой камеры сгорания, обеспечивающей наибольшую турбулизацию смеси, более защищены от детонации. С этой точки зрения наиболее рациональными являются камеры сгорания в поршне или клиновые и плоскоовальные камеры с вытеснителями. Уменьшение пути пламени от свечи до периферийных зон камеры сгорания сокращает время его распространения и тем самым снижает вероятность возникновения детонации.
Следовательно, детонацию ограничивает применение двух свечей зажигания вместо одной и уменьшение диаметра цилиндра.
Материал поршня и головки блока цилиндров
Материал этих деталей во многом определяет теплоотвод от рабочего тела. Применение алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет снизить требования к октановому числу бензина на 5…7 единиц.
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.
Детонация дизельного двигателя иногда сопровождается черным или зеленоватым выхлопом. Это означает, что разрушились поршни, и выхлопные газы содержат частицы алюминия. В такой ситуации необходима замена поршневой группы.
Из-за неисправных свечей зажигания может возникать детонация при запуске двигателя. В этом случае свечи необходимо заменить.
У дизельного двигателя такая проблема может возникнуть после западания иглы форсунки.
Калильное зажигание и дизилинг
Что такое детонация двигателя
Что такое детонация
Нормальное сгорание топливо-воздушной смеси.
Под воздействием критически высокого давления и экстремальных температур, которые возникают при увеличении объема попадающей в цилиндры топливно-воздушной смеси, из несгоревших ее остатков образуются такие вещества, как спирты, альдегиды и т.д. При продолжающемся давлении такие соединения достигают своих критических состояний и вступают в окислительные реакции, приводящие к самовозгоранию смеси, сопровождающемуся подобием взрыва и высвобождением большого объема энергии. В зоне образования такого взрыва температура достигает предельных значений, а образующаяся взрывная волна распространяется со скоростью достигающей 2300 м/с. Этот разрушительный процесс и называют детонацией.
Ударяясь о стенки цилиндров, волна вызывает характерные металлические звуки — детонационные стуки которые бывалые автомобилисты определяют как «звенящие пальцы». Однако это определение неправильное – стучат не поршневые пальцы, а именно внутренние поверхности цилиндров.
В нормальных условиях воспламенение рабочей смеси происходит, когда поршень находится в в своей верхней точке – то есть когда давление в цилиндре максимально. Детонация же возникает тогда, когда поршень еще проходит такт сжатия. В результате давление резко повышается и давит на поверхность поршня, оказывая тем самым противодействие его движению вверх. Это приводит к повышенным нагрузкам на всю поршневую группу и, как следствие, ее преждевременному выходу из строя.
Причины возникновения детонации в двигателе
Сгорание топливо-воздушной смеси с детонацией.
Детонация двигателя может появляться вследствие действия различных факторов, которые объединяет общий признак – стремительное окисление и сокращение времени задержки самовозгорания той части ТВС, которая не сгорела в нормальных условиях. К основным факторам возникновения детонации в цилиндрах относятся следующие:
Зачем нужен датчик детонации
Как выглядит датчик детонации.
В конструкции многих двигателей на блоке цилиндров имеется такой модуль, как датчик детонации. Его основная задача заключается в отслеживании процесса сгорания ТВС в цилиндре и автоматическом изменении параметров зажигания и качества горючей смеси. Принцип действия датчика основан на акселерометрии – он трансформирует энергию колебаний блока цилиндров в электрические импульсы, которые в виде сигналов посылаются в блок управления мотором. Здесь сигналы расшифровываются, и электроника вносит коррективы в величину угла опережения зажигания и соотношение бензина и воздуха в рабочей смеси.
Конструкционно датчик детонации представляет собой пьезоэлектрический элемент, размещенный в защитном корпусе. При возникновении детонации на краях данного элемента образуется напряжение. И чем выше амплитуда и частота механических колебаний блока цилиндров, тем больше становится величина данного напряжения.
Однако возможности роста напряжения принудительно ограничены на уровне определенного критического значения. При его превышении в блок управления двигателем отправляется соответствующая команда, которая уменьшает угол опережения зажигания и/или изменяет соотношение бензина и воздуха в ТВС. При отключении датчика от двигателя, но сохранении связи с блоком управления, электронная система начинает работать в режиме «все в порядке», не реагируя на возникающую детонацию. Поэтому исправность указанного датчика имеет большое значение для сохранения работоспособности двигателя и предотвращения его преждевременного износа.
Последствия детонации
Происходящая в цилиндрах детонация оказывает на механическую начинку автомобиля широкий спектр негативных воздействий. Наиболее существенными из них являются следующие:
Для того, чтобы защитить свой двигатель от таких последствий, следует внимательно относиться к его состоянию. Самая простая и важная мера – использование качественного топлива с оптимальным октановым числом. Кроме того, нужно следить за состоянием свечей – при покрытии электрода нагаром, уменьшении зазора зажигание становится менее эффективным, что приводит к детонациям. Важным нюансом также является исправность охлаждающей системы – в ней должно быть достаточно антифриза, в радиаторе не должно быть течей, а вентилятор должен эффективно отводить горячий воздух.
Читайте также: Что такое степень сжатия двигателя и какой она должна быть.
Детонация двигателя автомобиля — эффективные методы устранения
При нормальных условиях топливовоздушная смесь сгорает равномерно, не создавая ударных нагрузок на поршневую группу, стенки цилиндров и детали газораспределительного механизма.
Детонация двигателя автомобиля — это последствия ошибочной настройки системы зажигания или использования горючего с пониженным октановым числом.
Детонация негативно влияет на экономичность, мощность и ресурс двигателя.
Понятие детонации двигателя автомобиля
При нормальном режиме работы топливная смесь воспламеняется при подходе поршня к верхней мертвой точке и сгорает со скоростью до 50 м/с. Преждевременное зажигание приводит к нарушению процесса горения, поскольку расширяющиеся газы пытаются сжать идущий вверх поршень. Увеличение быстроты окисления до скорости звука и лавинообразный рост давления формируют ударную волну, которая достигает стенок цилиндров мотора и издает металлический стук (иногда явление ошибочно называют стуком поршневых пальцев).
Признаки детонации двигателя
Основные симптомы детонационного сгорания: 1. Металлический высокотональный стук при нажатии на педаль акселератора. Допускается кратковременная детонация в интервале скоростей от 40 до 60 км/ч при разгоне на прямолинейном участке шоссе. 2. Повышение температуры охлаждающей жидкости при нормальном уровне и исправных вентиляторе и радиаторе. 3. Падение мощности силовой установки, отрицательно влияющее на динамические возможности автомобиля. 4. Появление посторонних вибраций, передающихся на кузов или ощущаемых на рулевом колесе, педалях или селекторе управления трансмиссией.
Разновидности детонации двигателя
Детонация автомобиля разделяется на категории:
Процесс является неконтролируемым и способен разрушать камеры сгорания, днища поршней или перегородки между кольцами.
Основные причины детонации двигателя
Детонационные процессы в двигателях внутреннего сгорания могут быть вызваны:
Детонация происходит не только в двигателях с искровым зажиганием, но и в дизелях.
Причиной является неправильная регулировка момента начала впрыска солярки, применение некачественного горючего.
Дизель отличается пониженным термическим режимом, но при повышенной нагрузке и неисправной системе охлаждения горячие элементы (например, кромки выпускных клапанов) способны преждевременно воспламенять распыленное топливо.
Неправильный выбор топлива для авто
Двигатели со степенью сжатия более 10 единиц и агрегаты с наддувом рассчитаны на топливо с октановым числом не ниже 95. При использовании бензина низкого сорта или испарении присадок (используются некоторыми нефтеперерабатывающими компаниями для повышения детонационной устойчивости) происходит преждевременное воспламенение смеси взрывного характера.
Контроллер инжекторного мотора способен снизить вероятность детонации корректировкой опережения зажигания и фаз газораспределения (при наличии системы поворота распределительных валов).
Особенности эксплуатации двигателя
Детонация возникает при работе мотора с перегрузкой (например, во время движения с небольшой скоростью на затяжном подъеме на повышенной передаче). Для устранения дефекта необходимо перейти на пониженную скорость, что позволит повысить частоту вращения и нормализовать процесс сгорания.
Детонация двигателя автомобиля при запуске холодного силового агрегата указывает на обеднение смеси из-за засора распылителей форсунок. По мере прогрева проблема исчезает (производительность системы впрыска соответствует требуемому составу топливовоздушной смеси).
Неверно настроенное зажигание
Прошивка как причина детонации двигателя
Детонацию может вызвать некорректная прошивка, установленная в блоке управления двигателем.
Например, после снятия каталитического нейтрализатора владельцы загружают программу с измененным алгоритмом работы. В случае обнаружения проблем необходимо установить прошивку, соответствующую характеристикам силового агрегата. Самопроизвольное изменение заданных параметров настройки в процессе эксплуатации двигателя невозможно.
Неисправные свечи зажигания
При выборе свечей зажигания необходимо учитывать не только размеры резьбовой втулки, но и калильное число (информация о допусках указывается в инструкции по обслуживанию и специализированных каталогах). Применение изделий с пониженным или повышенным числом приводит к затрудненному запуску и нарушению процесса искрообразования. Мотор теряет мощность и крутящий момент, нарушается нормальное сгорание топлива и падает динамика разгона автомобиля.
Обедненная топливовоздушная смесь
Владельцы машин с карбюратором стремятся сократить расход бензина путем обеднения топливной смеси, что приводит к некорректному сгоранию.
Техника с электронным управлением автоматически поддерживает стехиометрический состав смеси, ориентируясь на информацию от датчиков температуры, расхода воздуха или концентрации кислорода в отработавших газах (расположены до и после корпуса каталитического нейтрализатора). При поломке катализатора или выходе из строя сенсоров возможно обеднение рабочей смеси, вызывающее детонационные процессы при сгорании.
Нагар на стенках цилиндра
Образующийся на стенках рабочей камеры и тарелках выпускных клапанов нагар ухудшает условия охлаждения деталей. В процессе сжатия смесь воздуха с топливом воспламеняется раньше допустимого момента, что приводит к детонационному сгоранию. Проблема часто встречается на силовых агрегатах с большими пробегами, моторное масло попадает в камеры сгорания и образует слой плотного нагара.
Особенности конструкции ДВС
Двигатели легковых машин со степенью сжатия от 10 единиц склонны к детонации при использовании бензина с октановым числом менее 95. В некоторых моторах на поршнях и поверхности камер сгорания имеются острые кромки, вызывающие нарушение нормального процесса сгорания. В этом случае проблема решается использованием качественного топлива, но остается кратковременная детонация при переходных режимах работы.
Силовые агрегаты с повышенной литровой мощностью (например, с нагнетателем) отличаются увеличенным давлением рабочей смеси на впуске в цилиндр. При использовании некачественного топлива или нарушении условий охлаждения возрастает риск детонации.
В конструкции предусмотрен датчик, который определяет момент начала взрывного сгорания топливной смеси и регулирует работу систем (например, снижает давление в системе наддува при помощи специального клапана в турбине либо корректирует момент зажигания).
Неисправность системы охлаждения
Недостаточный уровень антифриза приводит к образованию паровых пробок в рубашке и повышению температуры головки и блока цилиндров. Часто проблема наблюдается в жаркую погоду, при разгоне автомобиля либо при движении с небольшой скоростью в условиях бездорожья. Раскаленные детали вызывают преждевременное зажигание и детонацию. Необратимые температурные деформации приводят к нарушению герметичности линии соприкосновения головки и блока и пробитию прокладки.
Причины, которые часто путают с детонацией двигателя
Двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием способны работать некоторое время после отключения зажигания.
Причиной воспламенения смеси являются нагретые элементы в камере сгорания или повышенная степень сжатия. Равномерно снизить температуру головки и поршней поможет работа двигателя на холостом ходу на протяжении 1-2 минут после прекращения поездки.
Калильное зажигание
Калильное воспламенение наблюдается при выключении зажигания карбюраторных двигателей. Раскаленные частицы нагара поджигают рабочую смесь, и мотор может работать 5-10 секунд после попытки глушения. Проблема не встречается на технике с двигателями, оснащенными системой распределенного впрыска, поскольку при повороте ключа в замке отключаются форсунки и помпа, подающая горючее из бака.
Дизелинг
Карбюраторные двигатели с искровым зажиганием и высокой степенью сжатия могут продолжить работать за счет самовоспламенения смеси. Проблема встречается при использовании топлива с недостаточным октановым числом. Топливовоздушная масса воспламеняется в результате сжатия, вызванного инерционным движением поршней после прекращения подачи напряжения к свечам. Агрегат нестабильно работает 2-3 секунды на холостых оборотах, а затем останавливается из-за падения температуры стенок цилиндров.
Последствия детонации двигателя автомобиля
Последствия эксплуатации мотора с детонационным процессом сгорания рабочей смеси:
Методы предупреждения детонации двигателя автомобиля
Способы недопущения детонации:
Для снижения риска детонации двигателя автомобиля была разработана система форкамерно-факельного зажигания с расположением электродов свечи в отдельной полости, связанной с основной камерой узким каналом. Подобные моторы производились небольшими партиями на заводе ГАЗ и устанавливались на машинах ГАЗ-3102. В головке имелся дополнительный клапан, через который от отдельной секции карбюратора в форкамеру подавалась обогащенная смесь. По мере развития систем электронного впрыска горючего работы над такими агрегатами прекратились.
Существуют бензиновые 4-тактные двигатели, работающие по циклу Миллера, предусматривающему преждевременное закрытие впускного клапана на этапе заполнения цилиндра либо позднее запирание на этапе начала сжатия. За счет подачи меньшего объема рабочей смеси возможно повышение геометрической степени сжатия до 12-14 единиц без риска детонационного сгорания. Цикл обеспечивает увеличенную степень расширения и повышает КПД силового агрегата, но наблюдается падение мощности и крутящего момента из-за неполноценного заполнения цилиндров.
Способы профилактики
Основные методы, позволяющие снизить риск детонационного сгорания:
Использование датчика детонации
Для определения детонационных процессов используется датчик детонации, установленный на специальной плоскости на блоке цилиндров. При фиксации ударных нагрузок акселерометр сенсора генерирует электрические сигналы и передает информацию, которая обрабатывается блоком управления.
Сила импульса зависит от интенсивности взрывного сгорания в цилиндрах.
Контроллер корректирует момент опережения зажигания, состав топливной смеси либо изменяет положение распределительных валов, что позволяет сократить продолжительность и полностью устраняет детонацию.
Датчик оснащается корпусом из ударопрочного пластика, выдерживающего длительный нагрев до +150°С и выше, для крепления используется болт. Резьбовое соединение позволяет прижать чувствительный элемент к поверхности блока. На боковой части корпуса предусмотрен разъем для подключения жгута проводки.
При поломке датчика в комбинации приборов включается индикатор Check Engine, а в памяти блока управления фиксируется ошибка. Некоторые моторы с впрыском (например, для классических моделей ВАЗ) не оснащены сенсором в силу особенности конструкции.
Полезные советы и рекомендации опытных автомобилистов
Формируемая при взрывном сгорании ударная волна изменяет тональность работы двигателя. Водителю необходимо научиться улавливать появление посторонних звуков, указывающих на некорректную работу силового агрегата. Следует учитывать, что в процессе движения не допускается изменение звучания мотора. Любой посторонний шум косвенно указывает на неисправность агрегата.
Если детонация появилась после заправки автомобиля, то необходимо долить в бак бензин с повышенным октановым числом. В случае, когда двигатель рассчитан на топливо типа А-98 или выше, доливка не поможет. Необходимо слить горючее с промывкой рампы и форсунок. При длительной эксплуатации машины в условиях городских пробок на деталях поршневой группы оседает нагар. Для устранения отложений необходимо совершить поездку протяженностью 50-70 км по загородному шоссе с максимально допустимой скоростью.