 |
Что из себя представляет детонационное сгорание и почему его нельзя допускать?
Дата добавления: 2014-09-05 | Просмотров: 1546
|
|
Общепризнана перекисная теория возникновения детонационного сгорания. Основоположником этой теории является академик Н.А. Бах. Много сделал по ее разработке и академик Н.Н. Семенов. Суть ее заключается в следующем.
В процессе сжатия топливовоздушная смесь подвергается действиям высоких давлений и температур. При этом образуются промежуточные элементы окисления молекул топлива, в частности перекись диалкила или гидроперекись (рисунок 1).
Рисунок 1 Схема образования перекиси диалкила (I) и гидроперекиси (II)
| Свойство перекисей – они могут существовать лишь при концентрации, не превышающей критической. При достижении критической концентрации они самопроизвольно взрываются. Наиболее вероятные места появления детонационного сгорания – наиболее отдаленные участки камеры сгорания (куда пламя подходит в последнюю очередь) и наиболее нагретые участки. |
Именно в этих зонах концентрация перекисей может достичь критической величины еще до подхода пламени. Детонационное сгорание обычно возникает на конечном участке нормального сгорания.
Скорость распространения детонационной волны сгорания доходит до 2000-2300 м/с. Из-за такой большой скорости в течение короткого времени выделяется большое количество тепла, а температура газов в отдельных участках поднимается до 3000-4000 К. Возникающая при этом волна
| давления распространяется со скоростью 500-900 м/с и, достигая стенок, отражается. В результате в цилиндре возникают резкие колебания давления (рисунок 2). Детонирует вообще-то небольшая часть смеси. Если детонирует 5-7 %, то детонацию считают слабой, если 20-25 %- сильной. | 
Рисунок 2 Индикаторные диаграммы при нормальном и детонационном сгораниях
|
Отрицательные последствия детонационного сгорания
Результат высокой температуры:
1. Перегрев стенок и усиление теплоотвода в охлаждающую воду.
2. Увеличение диссоциации продуктов сгорания (на исходные элементы) и, как следствие, снижение экономичности двигателя.
3. Разрушение и выгорание днища поршня, клапанов, электродов свечи и др. деталей.
4. Образование окиси азота, которая при соединении с водяными парами создает азотную кислоту, разъедающую детали ДВС.
В результате действия первых двух факторов работа двигателя становится неустойчивой, появляется черный дым в отработавших газах. Экономичность двигателя снижается.
Результат колебаний давления - вибрация стенок цилиндра, головки, поршня. Внешне эта вибрация проявляется в виде характерного металлического стука («стучат пальцы»).
Колебания давления разрушают антифрикционный слой шатунных подшипников и, разрывая масляную пленку, усиливают износ гильз цилиндров.
45 Перечислите конструктивные факторы снижения детонационного сгорания.
Степень сжатия является определяющим фактором. С ее увеличением повышаются температура и давление в цилиндре и, как следствие, возрастает не только термический к.п.д., hт, но и вероятность возникновения детонационного сгорания. В современных автомобильных двигателях e находится в пределах 6,5 ... 9,0.
Повышению степени сжатия препятствует именно детонационное сгорание. Любые меры, снижающие вероятность возникновения детонационного сгорания, будут способствовать увеличению степени сжатия.
Отвод тепла от сжимаемых газов существенно влияет на процесс сгорания.
Введение воды в камеру сгорания оказывается весьма эффективной мерой. Объясняется это тем, что на испарение воды затрачивается много тепла (в процессе сжатия) и температура газов соответственно снижается. С целью снижения детонации вода вводилась, например, в камеру сгорания двигателя 1МА (СХТЗ-НАТИ), работавшего на керосине, имеющем весьма небольшую величину октанового числа. Даже при введении воды степень сжатия этих двигателей не превышала e = 4,0.
В 2007 г. инженеры Массачусетского технологического института предложили впрыскивать вместо воды этиловый спирт (в объеме ~5% от топлива). Мгновенно испаряясь, он отнимает тепло и препятствует возникновению детонационного сгорания и в итоге позволяет резко поднять степень сжатия и снизить (на 20…30%) удельный расход топлива.
Рисунок 3 Влияние октанового числа на допустимую степень сжатия при различных материалах поршня и цилиндра
| Положительно влияют снижение температуры охлаждающей жидкости и увеличение степени перекрытия клапанов, улучшающие охлаждение цилиндра. Влияет и материал поршня и головки. При переходе с чугуна на алюминий увеличивается теплоотвод от деталей и, как следствие, снижаются температура газов и вероятность возникновения детонационного сгорания. При этом появляется возможность увеличения степени сжатия (рисунок 3). Переход с чугунных поршней на алюминиевые позволяет увеличить e на 0,4…0,6, и с чугунных головок цилиндров на алюминиевые - еще на 0,4…0,6. |
Сокращение пути для пламени также препятствует детонационному сгоранию.
При увеличении диаметра цилиндра открывается больший путь для пламени и соответственно повышается вероятность возникновения детонационного сгорания. Поэтому с увеличением диаметра цилиндра приходится увеличивать октановое число топлива или снижать степень сжатия (рисунок 4).
 Рисунок 4 Влияние диаметра цилиндра (D) на допустимую степень сжатия (e)
| В современных двигателях диаметр цилиндра варьирует в пределах 76 ... 108 мм (Урал – 375, например, имеет поршень Æ 108). Путь пламени зависит и от расположения клапанов. При верхнем их расположении камера сгорания оказывается более компактной, чем при нижнем, и путь для пламени оказывается короче и |
и, как следствие, уменьшается продолжительность нахождения смеси под высокими температурой и давлением, а отсюда ниже и вероятность возникновения детонационного сгорания. Поэтому двигатели с верхним расположением клапанов допускают более высокие степени сжатия (до 7,5...9): у двигателей Москвича – 412 - e=9,0; Чайки - e=8,5, ЗИЛ – 130 - e=6,7. У двигателя ГАЗ - 51А с Г - образной камерой e=6,2.
На протяженность пути пламени влияют также расположение и число свеч. Свечу располагают ближе к более нагретым участкам камеры сгорания, например, к выхлопному клапану. В некоторых случаях (особенно при больших диаметрах цилиндра) для сокращения пути пламени применяют даже две свечи.