Детонация

Детонация в двигателях, особый характер протекания процесса сгорания в цилиндре двигателя, имеющий следующие внешние признаки. Если в данном двигателе, нормально работающем на нек-ром топливе, повышать степень сжатия е (смотрите Двигатели внутреннего сгорания), то по достижении некоторой ее величины, вполне определенной для данного топлива, двигателя и режима его работы, работа мотора становится неустойчивой, в цилиндре появляется звонкий металлический стук, из выхлопных патрубков начинают периодически появляться черные выхлопы, указывающие на то, что сгорание рабочей смеси происходит с выделением свободного углерода (неполное сгорание, наблюдается при работе двигателя даже на бедных смесях); мощность двигателя уменьшается. При дальнейшем повышении степени сжатия все перечисленные явления усиливаются и обычно приводят к перегреву мотора и появлению преждевременной вспышки. Явление Д. очень часто смешивают с общеизвестным явлением преждевременной вспышки рабочей смеси, так как оба эти явления очень часто сопутствуют друг другу и каждое из них бывает причиной возникновения другого. Преждевременная вспышка появляется тогда, когда воспламенение рабочей смеси происходит вне зависимости от работы органов зажигания, вследствие общего перегрева двигателя или же чрезмерного накала отдельных деталей, находящихся в камере сгорания (например, электродов свечи). Преждевременная вспышка, как и Д., сопровождается неровным ходом, падением мощности и стуком двигателя. Различие заключается в том, что Д. может происходить и при совершенно холодном моторе. Характер стука в обоих случаях также совершенно иной: при Д. слышен ясный метадлическ. звук, а при преждевременной вспышке—глухой стук. Индикаторные диаграммы обоих случаев указывают на значительную разницу в самом характере протекания процесса. При Д.линия расширения имеет ясно выраженную зубчатую форму, указывающую на резкое колебание давления, тогда как преждевременная вспышка, аналогично слишком раннему опережению зажигания, дает отрицательную петлю на диаграмме и плавную линию расширения.

Наиболее подробные исследования явления Д. рабочих смесей непосредственно па двигателе были произведены проф. Рикардо в 1919—20 годах. В СССР исследование явлений Д. было произведено ин-тами ДАРИ и НАМИ. Установлено, что основными факторами, от которых зависит Д., являются степень сжатия двигателя и сорт применяемого топлива. Увеличение степени сжатия вызывает возрастание 1° и давления конца сжатия. Опыты по сжиганию смесей в х (Феннинг) показывают, что повышение любой из этих величин может вызвать Д., но повышение давления влияет более сильно. Сравнительно малое изменение 1° конца сжатия в двигателе при увеличении степени сжатия и исчезновении Д. при дросселировании, когда 1° в конце сжатия получается несколько выше, чем при работе на полном дросселе, заставляют предполагать, что основным фактором, влияющим на Д., является давление конца сжатия. На диаграмме (фигура 1) представлены результаты опытов

Рикардо по изменению среднего индикаторного давления (р,) и давления конца сжатия (/>,.) при работе без Д. на бензине, детонирующем на полном открытии дросселя при ε=4,85. Начиная с

этой степени сжатия, двигатель приходилось дросселировать для устранения Д. Кривые р₍ и γι, представляют среднее индикаторное давление и давление конца сжатия при работе на полном дросселе, на недетонирующем топливе. Из диаграммы видны потери мощности при высоких значениях ε, а также то, что давление конца сжатия, соответствующее моменту исчезновения Д., мало изменяется со степенью сжатия. На фигурех 2 по 4 представлены, согласно опытам Р. У. Феннинга, кривые сгорания при Д. бензиновой смеси, причем

Фнг. 1.

на фигура 2 весовое отношение бензина к воздуху^ : 10,7, начальная t° 99,5° и начальное давление 9,05 килограмм ем-, на фигуре 3—смесь 1 : 12,95, <° 201° и давление 8,46 килограмм/см^г и на фнг. 1—смесь 1 : 12,95, ί° 231° и давление 9,03 килограмма,см². Наивысшая степень сжатия, которая м. б. допущена для двигателя, всецело определяется качеством топлива. Наименее стойки в отношении Д. бензины, содержащие углеводороды парафинового ряда; далее идут нафтены и, наконец, ароматики (бензол, ксилол). По опытам Рикардо, допустимая степень сжатия ε для бензина без содержания ароматиков равняется 4,85; при работе же на е начало Д. было замечено лишь при ε=7,8. Для практическ. оценки сопротивляемости топлива Д. широким распространением пользуется «овый эквивалент», предложенный Рикардо.

	-40
		_ ~~ --
	-10	---------------

Фигура з.

При примешивании а к бензину, не содержащему ароматиков, увеличение допустимой степени сжатия м. б. принято прямо пропорциональным весовому содержанию а в смеси. овый эквивалент, выражающий собой процентное содержание а, непосредственно указывает допустимую для данного топлива степень сжатия. Рикардо принял овый эквивалент равным 0 и 100 для степеней сжатия, соответственно равных 4,85 и 7,8. Указанные величины ового эквива лента и степеней сжатия имеют лишь относительное значение, т. к. Д. зависит также от конструктивных форм камеры сгорания и режима работы двигателя. На практике, для ε в пределах 5,6-р7,0, применяют так называемым недетонирующие топлива, представляющие собою смеси нормальных бензинов с бензолом и ом. При степенях сжатия, превышающих 7,5—8, приходится переходить на или же примешивать к бензину т. и. антиы, незначительное прибавление которых устраняет Д.

Антиы представляют собою б. ч. органич. или металло-органич. соединения. Наиболее известными из них являются те-траэтиловый свинец, карбонильные соединения железа и никеля, бромистый этил, анилин, толуидин, метиланилин, органические перекиси и прочие Причины исчезновения Д. при применении ароматиков и антиов в точности не известны. В отношении ароматиков довольно удовлетворительным объяснением является указание на то, что они имеют циклическое строение молекулы, более стойкое в отношении распадения, чем ациклическое строение, свойственное нормальным бензинам. Антиы, поводимому, действуют, как отрицательные катализаторы, замедляя сгорание рабочей смеси. Это подтверждается опытами Кларка и Генне по спектрографии пламени, указывающими на то, что появление ультрафиолетовой части в спектре при Д. исчезает после добавления антиов.

Появление Д. зависит также от конструктивной формы камеры сгорания и режима работы двигателя. Паивысшая допустимая

кг

01*

г-60

-40 -.30 _

"фу-

⁽ *—-

r-ij— -10

-л=А

-----------

Фнг. 4.

степень сжатия для данного топлива изменяется в зависимости от конструкции камеры сгорания. Чем компактнее камера сгорания, чем меньше в ней имеется выступов и чем меньше отношение ее поверхности к объёму, тем выше, при прочих равных условиях, будет степень сжатия, при которой наступает начало Д. Увеличение количества свечей, уменьшение наполнения (дросселирование) также уменьшают Д. На Д. влияют также состав рабочей смеси, установленное опережение зажигания и число оборотов двигателя. Д. начинает появляться при составах смеси, дающих наибольшую мощность, чему соответствует в автомобильных и авиационных моторах работа с нек-рым недостатком воздуха против теоретически необходимого для полного сгорания. Сравнительно узкие пределы состава рабочих смесей, на "которых могут удовлетворительно работать такие двигатели, придают этому обстоятельству второстепенное значение. Увеличение опережения зажигания несколько усиливает Д., и наоборот; устранять Д. изменением момента зажигания молено лишь в очень узких пределах, не имеющих почти никакого практич. значения, так как уменьшение опережения зажигания даст сильное догорание по линии расширения и, как следствие этого, перегрев клапанов и возможность появления преждевременной вспышки. Увеличение числа оборотов двигателя уменьшает детонацию, то есть при работе на больших оборотах можно допускать большее открытие дросселя.

На фигуре 5 представлены результаты опытов ЦАГИ с авиамотором Непир при ε =5,0. Верхняя кривая дает максимальную мощность, развиваемую мотором на разных числах оборотов при полном открытии дросселя и работе на недетонирующем топливе.

Вторая кривая дает степень дросселирования, необходимую для устранения Д. при разных числах оборотов. По мере увеличения числа оборотов степень дросселирования уменьшается, и при нормальном числе 2 000 об м. мотор может работать на выбранном топливе почти без Д., при полном открытии дросселя. Испытания производились при работе только на одном блоке в 4 цилиндра. При изучении Д. необходимо различать механич. и физико-химич. сторон!,i явления. Первая состоит в изучении меха-ннч. условий, необходимых для образования и протекания ной волны. Механическ. теория Д. разработана Гугонио (Hugonio), Жуже, Риманом и Беккером. Основные данные этой теории находят себе подтверждение из опытов в трубах. Интересным подтверждением возможности применения основных выводов механической теории к условиям сгорания в двигателе является конструкция ступенчатого поршня, устраняющего Д., выполненная проф. Дюмануа. Физико-химич. сторона явления до сего времени еще не вышла из области б. или м. вероятных гипотез.

Теория мгновенного воспламенения, выдвинутая Рикардо, Тизаром и Пайем (Руе), заключается в предположении, что сгорание и повышение давления в сгоревшей части смеси вызывают сильное поджатие и, как следствие этого, повышение ί° и мгновенное воспламенение несгоревшей части, дающее начало детонационной волне. При этом необходимо, чтобы скорость выделения тепла в сгоревшей части превосходила на определенную величину скорость потери тепла, отдаваемого стенкам несгоревшей частью смеси, Это условие и скорость химич. реакции,

различная для рабочих смесей разных топлив, определяют течение процесса Д. Теория образования ядер, разработанная Каллендером, Кингом и на основании изучения энтрных диаграмм углеводородных топлив, предполагает, что к концу сжатия может происходить в рабочей смеси явление конденсации с образованием более тяжелых молекул. Так как температура воспламенения углеводородов парафинового ряда ниже для более тяжелых фракций, то образовавшиеся ядра легко воспламеняются, создавая в смеси ряд очагов горения. Действие этих очагов оказывается особенно сильным благодаря лучистой энергии, поглощаемой содержащимися в них молекулами углерода, и вследствие энергичной реакции, происходящей на поверхности [Таз дел а жидкости и пара. И результате эти очаги вызывают мгновенное воспламенение большей части смеси, дающее очень резкое повышение ί°.

Лит.: Стечкин Б. С., «Техника воздушного флота», М. 1927, 1: Б е г а м Б. Л., там же, 5: JI ы-с е и к о 1!. Опыты с детонацией на авиомоторе Napier Lion V. Μ. 1926; Rica r d ο H. R. The Internal-Combustion Engine, v. 2- High-Speed Engines, L., 1923; Ricardo H. R., Engines of High Output, L. 1926; Morgan J. D. «Journal of tile Soe. of Automotive Engineers», N. Y. 1925, Jan. 8, 1926, p. 121, 183. 284. 475. 509, 543. 575. А. Добрынин.