Что такое детонация влияние детонации на работу двигателя

К чему приводит детонация двигателя

Процесс, при котором происходит неконтролируемое самовозгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах, называется детонация двигателя. Данный дефект является взрывом, он производит разрушительные действия на узлы и детали силовых агрегатов любого вида. В физическом смысле детонация представляет из себя разрушительную взрывную волну, созданную при избыточном давлении и сверхвысокой температуре топлива.

Описание детонации и ее последствий

Во время разгона автомобиля водитель давит на педаль акселератора, топливная смесь, попадая в цилиндры, испытывает воздействие очень высокого давления и температуры. Давление возрастает от перемещения поршня вверх и возгорания топлива от свечи накаливания. Пламя, расползаясь по камере сгорания, генерирует добавочное давление.

Под воздействием сверхвысокой температуры и возросшего давления остатки горючей смеси самовоспламеняются, создавая одну за другой взрывные волны со стремительным возрастанием амплитуды.

Возникает эффект неконтролируемой цепной реакции, в ходе которой пламя на огромной скорости давит на гильзу, обороты двигателя растут до бесконечности — движок идет вразнос, раскручиваясь самопроизвольно. Такую ситуацию трудно взять под контроль.

Последствия детонации двигателя выражены появлением следующих поломок:

Срыв кромок поршней.
Повреждение стенок цилиндров.
Разрыв прокладки головки цилиндров.
Поломка датчика дроссельной заслонки.

При стабильной работе мотора происходит равномерное сгорание топливной смеси с последующей передачей энергии на поршни.

Причины возникновения детонации при включении мотора на холодную

Детонация при запуске двигателя возникает при поступлении в один или несколько цилиндров обедненных топливовоздушных смесей. Причиной обеднения смеси является засоренность специальных распылителей — форсунок.

При появлении засоров, нарушается расчетная величина объема подаваемого топлива. Чтобы установить причину появления засорения, необходимо произвести проверку фильтра грубой очистки, а также фильтров каждой форсунки.

Холодный мотор после прогрева часто восстанавливает свою работу, и детонация двигателя прекращается.

Корректировка работы двигателя при помощи электронного управления

Электронный блок управления (ЭБУ), установленный в автомобилях с инжекторным двигателем, регулирует параметры топливной смеси. При помощи ЭБУ производится коррекция угла опережения зажигания с вынужденным снижением объема впрыскиваемой топливной смеси.

Причины детонации частично исчезают, но в результате подобного регулирования мощность силового агрегата существенно снижается. При высоком уровне засоренности форсунок ЭБУ не всегда может осуществлять компенсирующие функции.

Детонация мотора после прогрева

Причины детонации прогретого мотора:

поломан датчик заслонки;
использование топлива, имеющего низкое октановое число;
неисправность и засор форсунок.

После восстановления или замены датчика заслонки двигатель готов к эксплуатации на любых, в том числе и на повышенных режимах. Узнать, есть ли детонация двигателя, причины ее возникновения на прогретом моторе, можно только под нагрузкой при включенной передаче.

Низкое качество топлива, пониженное значение его октанового числа является одной из основных причин, которые способствуют повышению температуры в камере сгорания и увеличению давления в топливных цилиндрах, приводящих к возникновению взрывов.

Чем выше данный показатель топлива, тем лучше оно противостоит самовоспламенению и детонации. Высокое значение октанового числа бензина — это антидетонационный индекс.

Влияние качества топлива и свечей зажигания

Детонация двигателя также может быть вызвана нарушением хрупкого баланса между двумя факторами:

качество свеч зажигания;
сила сжатия топлива.

Применение неверно подобранных свечей зажигания, может явиться причиной возникновения детонации в двигателе. Назначение данных приборов состоит в контроле внутренней среды двигателя, от точности срабатывания свечей зависит своевременность и качество сгорания топлива.

При нарушении режима сжигания топлива происходит наращивание температуры в камере сгорания и перегреву элементов силового агрегата, приводящее к детонации. Чтобы устранить появившийся дефект, необходимо сменить имеющиеся свечи зажигания на другой рекомендуемый вид.

Недостаточное сжатие топлива в цилиндрах приводит к неполному сгоранию смеси и прилипанию оставшихся компонентов к стенкам цилиндров в виде нагара. В зависимости от качества бензина и уровня очистки топлива происходит образование отложений нагара, что существенно уменьшает объем цилиндра и вызывает детонацию.

Для уничтожения вредных отложений применяются специальные присадки или производится замена марки топлива на другую.

Устранение детонации мотора

На появление детонации инжекторного двигателя влияют следующие параметры:

Угол опережения зажигания.
Обеднение топливной смеси.

Многих автовладельцев интересует, как устранить детонацию двигателя своими руками. Для того чтобы избавиться от взрывного горения горючих смесей, умельцы часто используют следующие приемы:

Эксплуатация движка на более высоких передачах. При работе на высокой скорости сокращается время сгорания топлива на фоне максимального давления. Разгон автомобиля приводит к снижению вероятности появления детонации.
Замена свечей зажигания.
Увеличение влажности воздуха. Более влажный воздух существенно снижает температуру в камере сгорания.
Использование охладителя воздуха интеркулера для снижения температуры воздуха перед нагнетанием его в цилиндры.
Замена бензина на топливо, имеющее более высокое октановое число.
Перемещение трамблера для изменения угла опережения зажигания в сторону уменьшения для стабильной работы карбюраторного двигателя на холостых оборотах.
Торможение двигателя для опережения момента зажигания.

Применение метода корректировки положения трамблера используется на короткое время, чтобы добраться до ближайшей автозаправки и сменить топливо на более высокооктановый бензин. После этого трамблер необходимо установить в прежнее положение для обеспечения оптимального значения угла опережения.

Бывают случаи, когда автовладельцы осознанно производят корректировку угла опережения зажигания в сторону увеличения, обедняя горючую смесь. В результате происходит повышение динамических характеристик автомобиля, увеличивается крутящий момент. При проведении данной операции существенно возрастает вероятность появления детонации двигателя.

Устранение или уменьшение детонации двигателя является сложной задачей. Чтобы выявить настоящую причину возникновения взрывов внутри мотора, необходимо тщательно изучить принцип работы силового агрегата и понять, что способствует их появлению.

Признаки появления детонации движка

В результате ударных нагрузок, возникающих при взрывах, появляются характерные звуки в виде звонкого стука, изменяется состав и цвет выхлопных газов, детали двигателя получают серьезные дефекты. Кроме ярких шумовых эффектов, имеются внешние признаки появления детонации:

кратковременный выход черного дыма из выхлопной трубы;
уменьшение температуры отработавших газов;
кратковременная потеря мощности двигателя;
потеря управления работой двигателя вследствие ее неустойчивости;
критический перегрев элементов движка.

Элементы, входящие в состав силового агрегата, изготовлены с расчетом на работу при определенных значениях температуры и давления. Ударные нагрузки, возникающие при детонации, превышают все допустимые значения.

Детонационный эффект является наиболее опасным для транспортного средства. Он может возникнуть при неравномерном распределении воздуха и топлива внутри цилиндров, что приводит к внезапным неконтролируемым взрывам.

Для своевременного выявления данного дефекта нужно регулярно контролировать появление посторонних звуков и постукиваний, исходящих со стороны силового агрегата транспортного средства. Именно источники этих звонких сигналов нужно выявить и немедленно убрать причину их возникновения.

Детонация является потенциальной опасностью для движка, поэтому ее нужно постоянно держать под контролем. Она не должна присутствовать при нормальной работе двигателя. Даже небольшой шум в двигателе необходимо постоянно исследовать и убирать причины, вызвавшие его.

Детонация

Детона́ция (от фр. détoner — «взрываться» и лат. detonare — «греметь» [1] ) — режим горения, при котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной [1] . Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического нормального разрыва.

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации. Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает нескольких метров в секунду.

Многие вещества способны как к медленному (дефлаграционноному) горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом. Взрыв — это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией.

Читать еще: Газель бизнес двигатель заглох и не заводится

Стук, возникающий в двигателях внутреннего сгорания, также называют детонацией (англ. knock ), однако это не детонация в строгом смысле этого слова. Стук вызывается преждевременным самовоспламенением топливовоздушной смеси с последующим быстрым её сгоранием в режиме взрывного горения, но без образования ударных волн. Детонационные волны в работающем двигателе (англ. superknock ) [2] возникают крайне редко и только при нарушении условий эксплуатации, например из-за нештатного низкооктанового топлива. При этом двигатель очень быстро выходит из строя из-за разрушения конструкционных элементов ударными волнами.

Содержание

1 История исследований явления
2 Механизм детонации
- 2.1 Гидродинамическая теория детонации
- 2.2 Модель Чепмена—Жуге
- 2.3 Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND)
3 Детонация в технике
4 См. также
5 Примечания
6 Литература

История исследований явления [ править | править код ]

Вероятно, впервые термин «детонация» был введён в научный обиход Лавуазье в «Трактате по элементарной химии» (фр. Traité élémentaire de chimie ), опубликованном в Париже в 1789 году [3] . Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные взрывчатые вещества, в основе действия которых лежит явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и разрушительного действия взрыва научное изучение детонации оказалось чрезвычайно затруднено и началось с публикаций исследований явления детонации газовых смесей в трубах в 1881 году французскими химиками Малляром и Ле Шателье и независимо от них Бертло и Вьелем [4] . В 1890 году русский учёный В. А. Михельсон, опираясь на работы Гюгонио по ударным волнам, вывел уравнения для распространения детонационной волны и получил выражение для скорости детонации [5] . Дальнейшее развитие теории было выполнено Чепменом в 1899 году [6] и Жуге в 1905 году [7] . В теории Чепмена—Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва, а условие для определения скорости детонации, названное их именами ( условие Чепмена—Жуге [en] ), было введено как постулат.

В 1940-е годы Я. Б. Зельдович разработал теорию детонации, в которой учитывается конечное время протекания химической реакции вслед за нагревом вещества ударной волной. В этой модели условие Чепмена—Жуге получило ясный физический смысл как правило отбора скорости детонации [8] , а сама модель была названа моделью ZND [en] — по именам Зельдовича, Неймана и Дёринга, так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман [9] в США и Дёринг [10] в Германии.

Модели Чепмена—Жуге и ZND позволили существенно продвинуться в понимании явления детонации, однако они по необходимости были одномерными и упрощёнными. С ростом возможностей экспериментального исследования детонации в 1926 году английскими исследователями Кэмпбеллом и Вудхедом был открыт эффект спирального продвижения фронта детонации по газовой смеси [11] . Это явление получило название «спиновой детонации» и впоследствии было обнаружено и в конденсированных системах [12] .

В 1959 году сотрудники ИХФ АН СССР Ю. Н. Денисов и Я. К. Трошин открыли явление ячеистой структуры и пульсирующих режимов распространения детонационной волны [13] [14] .

Механизм детонации [ править | править код ]

Детонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и физико-химических факторов приводит к образованию комплекса из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций, называемого детонационной волной. Механизм превращения энергии в детонационной волне отличается от механизма в волне медленного горения (дефлаграции), движущейся с дозвуковой скоростью, в которой передача энергии в исходную смесь осуществляется в основном теплопроводностью [15] .

Гидродинамическая теория детонации [ править | править код ]

Если характерные размеры системы заметно превышают толщину детонационной волны, то её можно считать поверхностью нормального разрыва между исходными компонентами и продуктами детонации. В этом случае законы сохранения массы, импульса и энергии по обеим сторонам разрыва в системе координат, где фронт волны неподвижен, выражаются следующими соотношениями:

ρ 0 D = ρ ( D − u ) D=rho (D-u)>— сохранение массы,
P 0 + ρ 0 D 2 = P + ρ ( D − u ) 2 +rho _<0>D^<2>=P+rho (D-u)^<2>>— сохранение импульса,
P 0 D + ρ 0 D ( e 0 + D 2 / 2 ) = P ( D − u ) + ρ ( D − u ) ( e + ( D − u ) 2 / 2 ) D+rho _<0>D(e_<0>+D^<2>/2)=P(D-u)+rho (D-u)(e+(D-u)^<2>/2)>— сохранение энергии.

Здесь D — скорость детонационной волны, (D — u) — скорость продуктов относительно детонационной волны, P — давление, ρ — плотность, e — удельная внутренняя энергия. Индексом 0 обозначены величины, относящиеся к исходному веществу. Исключая из этих уравнений u, имеем:

P − P 0 = ( ρ 0 D ) 2 ( V 0 − V ) =(rho _<0>D)^<2>(V_<0>-V)>,
e − e 0 = 1 2 ( P + P 0 ) ( V 0 − V ) =<2>>(P+P_<0>)(V_<0>-V)>[16] .

Первое соотношение выражает линейную зависимость между давлением P и удельным объёмом V=1/ρ и называется прямой Михельсона (в зарубежной литературе — прямой Рэлея). Второе соотношение называется детонационной адиабатой или кривой Гюгонио (в зарубежной литературе также — Рэнкина—Гюгонио). Если известно уравнение состояния вещества, то внутренняя энергия может быть выражена через давление и объём, и кривая Гюгонио может быть также представлена как линия в координатах P и V [17] .

Модель Чепмена—Жуге [ править | править код ]

Система двух уравнений (для прямой Михельсона и кривой Гюгонио) содержит три неизвестных (D, P и V), поэтому для определения скорости детонации D требуется дополнительное уравнение, которое невозможно получить только из термодинамических соображений. Поскольку детонационная волна устойчива, звуковые возмущения в продуктах не могут догонять фронт детонационной волны, иначе он будет разрушаться. Таким образом, скорость звука в продуктах детонации не может превышать скорость течения за фронтом детонационной волны.

На плоскости P, V прямая Михельсона и кривая Гюгонио могут пересекаться не более чем в двух точках. Чепмен и Жуге предположили, что скорость детонации определяется по условию касания прямой Михельсона и кривой Гюгонио для полностью прореагировавших продуктов (детонационной адиабаты). В этом случае прямая Михельсона является касательной к детонационной адиабате, и эти линии пересекаются ровно в одной точке, названной точкой Чепмена-Жуге (CJ). Это условие соответствует минимальному наклону прямой Михельсона и физически означает, что детонационная волна распространяется с минимально возможной скоростью, и скорость течения за фронтом детонационной волны в точности равна скорости звука в продуктах детонации [18] .

Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND) [ править | править код ]

Модель Чепмена-Жуге позволяет описать распространение детонационной волны как гидродинамического разрыва, но не даёт ответов на вопросы, связанные со структурой зоны химических реакций. Эти вопросы стали особенно актуальными в конце 1930-х годов в связи с быстрым развитием военной техники, боеприпасов и взрывчатых веществ. Независимо друг от друга Я. Б. Зельдович в СССР, Джон фон Нейман в США и Вернер Дёринг в Германии создали модель, названную впоследствии по их именам моделью ZND. Аналогичные результаты были получены и в кандидатской диссертации А. А. Гриба, выполненной в 1940 году в Томске [19] .

В этой модели считается, что при распространении детонации вещество сначала нагревается при прохождении фронта ударной волны, а химические реакции начинаются в веществе спустя некоторое время, равное задержке самовоспламенения. В ходе химических реакций выделяется тепло, которое приводит к дополнительному расширению продуктов и увеличению скорости их движения. Таким образом, зона химических реакций выступает в роли своего рода поршня, толкающего ведущую ударную волну и обеспечивающего её устойчивость [20] .

На диаграмме P, V эта модель условно отображается в виде процесса, первой стадией которого будет скачок по адиабате Гюгонио для исходного вещества в точку с максимальным давлением, с последующим постепенным спуском по прямой Михельсона до её касания с адиабатой Гюгонио для прореагировавшего вещества, то есть до точки Чепмена-Жуге [21] . В этой теории правило отбора скорости детонации и гипотеза Чепмена-Жуге получают своё физическое обоснование. Все состояния выше точки Чепмена-Жуге оказываются неустойчивыми, так как в них скорость звука в продуктах превышает скорость течения за фронтом детонационной волны. В состояния ниже точки Чепмена-Жуге попасть невозможно, так как скачок давления на фронте ударной волны всегда больше конечной разности давлений между продуктами детонации и исходным веществом [22] .

Однако такие режимы могут наблюдаться в эксперименте при искусственном ускорении детонационной волны, и они называются соответственно пересжатой или недосжатой детонацией [23] .

Детонация в технике [ править | править код ]

В двигателях внутреннего сгорания детонацией часто называют взрывное горение в цилиндре (см. Стук в двигателе). Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, рассчитаны на медленное горение горючей смеси без резких скачков давления. Быстрое сгорание смеси резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к ударным нагрузкам на детали конструкции двигателя и быстрому выходу двигателя из строя. Топливо с более высоким октановым числом допускает большую степень сжатия и лучше противостоит детонации [24] .

Детонационное горение является наиболее термодинамически выгодным способом сжигания топлива и преобразования химической энергии топлива в полезную работу [25] . Поэтому детонация может применяться в рабочем процессе в камерах сгорания перспективных энергетических установок, таких как импульсный детонационный двигатель [26] [27] .

Явление детонации лежит в основе действия взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ [28] .

Что такое детонация двигателя

В обычных условиях сгорание топливно-воздушной смеси происходит в двигателе в спокойном режиме – пламя распространяется со скоростью около 20-50 м/с, давление в цилиндре нарастает равномерно, без выраженных скачков. Однако, когда автомобиль работает в условиях повышенной нагрузки, например, при подъеме в гору, при резком нажатии на педаль акселератора, горение в цилиндрах может приобретать совершенно другой характер. В двигатель подается большее количество горючей смеси, давление многократно возрастает, и топливо, смешанное с воздухом, воспламеняется самопроизвольно. Такой процесс похож своими физическими характеристиками на миниатюрный взрыв и называется детонацией.

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:

Соотношение бензина и воздуха в горючей смеси. При работе на смеси с недостатком бензина или избытком воздуха в цилиндрах под воздействием температуры и давления образуются очаги интенсивного окисления, которые и приводят к самовоспламенению топлива.
Большая величина угла опережения зажигания. Данная характеристика показывает, в какой момент сжатия ТВС подается искра, и чем позже это происходит, тем более высокое давление успевает создаться в цилиндрах. А именно это и приводит к детонации.
Неправильный выбор свечей. Каждый тип свечей зажигания обладает индивидуальными тепловыми характеристиками, которые должны соответствовать модели двигателя, установленного на автомобиль.
Октановое число используемого цилиндра. Чем меньше октановое число, тем выше вероятность взрывного самовоспламенения топливно-воздушной смеси. Это обусловлено тем, что при снижении данной характеристики возрастает химическая, прежде всего окислительная, активность топлива. Поэтому очень важно соблюдать рекомендации автопроизводителя и выбирать рекомендованную им марку бензина.
Степень сжатия. Данная характеристика понимается как отношение объема камеры сгорания к общему объему цилиндра. Чем выше степень сжатия, тем выше значения образуемого давления и температуры. А эти условия, как уже отмечено выше, являются основными провокаторами детонации. Чтобы нивелировать высокую степень сжатия, следует использовать высокооктановое топливо.
Особенности и дефекты двигателя. Детонацию могут провоцировать:
- недостаточное охлаждение несгоревшей часто горючей смеси, остающейся в цилиндрах;
- неэффективная конструкция камеры сгорания, приводящая к задержкам догорания топлива;
- проблематичное отведение тепла от головки поршня к телу цилиндра, вызванное неправильной формой поверхности поршня;
- цилиндры чрезмерно большого диаметра – это приводит к ухудшению отвода тепла, увеличению числа участков, удаленных от свечи, где и формируются детонационные очаги.

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:

Повышенные нагрузки на весь кривошипно-шатунный механизм приводят к его скорому выходу из строя. Здесь страдают и коленвал, и шатунные и коренные вкладыши. Также повреждения получает и поверхность поршней. Воздействие может быть настолько сильным, что поршни покрываются множеством выщерблин и сколов, их кромки скругляются, а перемычки между маслосъемными кольцами разрушаются.
Температура двигателя существенно повышается, нарушается процесс его охлаждения, что приводит к деформации цилиндров и поршней, а в отдельных случаях даже к прогоранию ГБЦ.
Масляная пленка на стенках цилиндров при контакте с взрывной волной разрушается, что дополнительно ускоряет износ элементов двигателя.
Также детонация в двигателе приводит к уменьшению его мощности и возрастанию расхода топлива.

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.

Что такое детонация влияние детонации на работу двигателя

Те, кто застал времена «Жигулей», помнит, как после заправки бензином другого качества иногда приходилось вручную корректировать угол опережения зажигания – чтобы от детонации не звенели поршневые пальцы. Бензин стал лучше, а регулировать зажигание больше не нужно. Двигатель борется с детонацией сам. Как он это делает?

С момента появления двигателей внутреннего сгорания детонация была одной из основных проблем инженеров. Для увеличения отдачи у моторов повышали степень сжатия, температура и давление в конце такта сжатия росли, и рабочая смесь детонировала. Проблему усугубило появление наддува: чем выше давление в цилиндрах – тем выше склонность к детонации.

На надувных двигателях пришлось понижать степень сжатия и применять высокооктановый бензин, но это не решило проблему полностью. Оставалось только регулировать угол опережения зажигания: чем позже возникает искра – тем меньше пик давления, а значит, и меньше вероятность детонации. Выход найден? Тоже не совсем: при позднем зажигании снижается мощность двигателя.

К слову, на авиационных моторах с детонацией боролись при помощи обычной воды. При взлете требуется максимальная отдача двигателя, а потому делать позднее зажигание – не лучшее решение. Поэтому во впускной коллектор впрыскивали воду, она испарялась в камере сгорания, снижала температуру и предотвращала детонацию. На автомобилях такую систему применять пробовали, но она не прижилась за счет своей конструктивной сложности и капризности.

С 1920-х годов начал применяться тетраэтилсвинец − наличие этой присадки повышало детонационную стойкость бензина. Запретить применение этого вредного для здоровья вещества удалось только к 1996-му году в США, и к 2000-му году в Европе. Но тетраэтилсвинец тоже не решил проблему, и не исключил детонацию. Услышав характерный металлический звон после заправки бензином с другим октановым числом, или просто при повышении температуры воздуха, водитель мог подкрутить трамблер, и выставить зажигание чуть позже.

Электроника

В 1970-е годы начался массовый переход с карбюраторов на впрыск топлива, а вместо контактной системы зажигания начала применяться электронная. Появилась возможность корректировать угол зажигания в процессе работы двигателя. Добиваясь максимальной отдачи двигателя, электроника выставляет более ранее зажигание, стараясь не перейти ту границу, за которой начнется детонация. Как можно определить эту границу? Один из вариантов − так же, как это делает человек: на слух.

Одними из первых детонационные датчики, основанные на этом принципе, появились на автомобилях Toyota в 1980-м году. Датчик назывался резонансным, и представлял собой пьезоэлемент, настроенный на звуковые вибрации, возникающие при детонации. От этих вибраций в датчике возникает резонанс, блок управления двигателем узнает об этом по увеличению напряжения, и выставляет угол зажигания чуть позже. В общем-то, подобный принцип используется и по сей день, изменился только инструментарий.

Виды датчиков

У резонансных датчиков выявились недостатки. Двигатель издает много вибраций, и выделить из них детонационные − не так просто. Позже было установлено, что частота детонационных вибраций зависит от диаметра цилиндров, соответственно − для каждого конкретного двигателя подбирался определенный тип датчика. Это было лишь частичным решением вопроса: датчики настраивались так, чтобы выявлять детонацию в самом тяжелом режиме работы двигателя, но детонация может возникать и в других режимах.

Следующим шагом стал широкополосный датчик: он универсален и подходит к любому двигателю. По-простому говоря, датчик слушает все шумы, а блок управления двигателем раскладывает их на компоненты, и находит те, которые относятся к детонации. Датчики, основанные на таком принципе, используются с 1980-х годов по настоящее время. Сегодня в двигателях может применяться несколько датчиков детонации − это зависит от конструкции мотора (рядный, V-образый или оппозитный) и от количества цилиндров. Например, в двигателе V12 может присутствовать до шести датчиков детонации.

Параметры

Наличие системы контроля детонации позволяет двигателю работать на бензине с разным октановым числом, например большинство двигателей BMW рассчитано на диапазон октанового числа 92. 98. Именно поэтому машины с одинаковыми моторами поставляются как в развитые страны, так и в страны третьего мира, где качество бензина не всегда соответствует стандартам. Даже на не самом хорошем бензине современные машины ездят, не напрягая владельца детонационным звоном. Естественно, есть пределы качества бензина, поскольку угол опережения зажигания регулируется, как правило, в пределах 10. 15 градусов.

Что будет, если датчик детонации откажет? Загорится «Check Engine», контроль детонации прекратится, и двигатель перейдет на заложенную в памяти карту аварийной работы − то есть, более поздний угол зажигания. Как будет вести себя при этом машина − возможны варианты.

Кто из автопроизводителей первым стал серийно выпускать легковые автомобили с турбомоторами? Яркий след в истории оставили Saab 99 Turbo и Mercedes-Benz 300 SD, но они были не первыми. А первыми стали Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile F-85 Jetfire 1962-го года (на фото). Oldsmobile интересен не только наличием турбины. Для борьбы с детонацией двигатель был оснащен системой впрыска воды в цилиндры – как на некоторых авиамоторах. Это позволило не снижать степень сжатия. Чтобы вода не замерзала в холодное время, ее смешивали с метанолом. По сравнению с атмосферным аналогом, мощность турбированного двигателя выросла со 188 до 218 л.с., крутящий момент – с 312 до 408 Нм. По нынешним меркам прирост не большой, но для того времени это было серьезно.

Один и первых автомобилей с системой контроля детонации − Toyota Crown Turbo 1980-го года. Рядный 2,0-литровый 6-цилиндровый инжекторный турбодвигатель развивал 147 л.с. и 211 Нм. За возникновением детонации следил резонансный пьезодатчик.

Как известно, на турбомоторах на детонацию влияет не только угол опережения зажигания, но и давление наддува. В принципе, можно регулировать и его. На Saab 900 Turbo APC 1982-го года − первом европейском автомобиле с системой контроля детонации − корректировалось именно давление наддува, а не угол опережения зажигания.

Один из вариантов широкополосного пьезодатчика датчика детонации. Если в двигателе несколько датчиков, то крайне не рекомендуется менять их местами. Работоспособность датчика определить просто: подключить вольтметр, и постучать по корпусу. Если при постукиваниях возникают скачки напряжения, значит, датчик исправен.

Детонацию можно контролировать не только с помощью датчиков. В 1994-м году Saab на модели 9000 применил систему, в которой детонация определялась по величине ионного тока между электродами свечи зажигания. Суть проста: чем выше давление в цилиндре − тем больше ионов в газе. Этот метод точнее, особенно на высоких оборотах, то есть − при высоком уровне шума, и не требует установки нескольких датчиков на многоцилиндровых моторах. Но такая система обходится дороже, а потому не является массовой. Тем не менее, ее применяют, например − на двигателе V10 BMW M5 E60.

Примерная схема, как происходит корректировка угла опережения зажигания. Например, при возникновении детонации угол сдвигается на 3 градуса позже. Не помогло? Тогда еще на три градуса, и еще, если надо − до тех пор, пока детонация не исчезнет. При совсем плохом бензине / высокой температуре / большой нагрузке двигатель переходит на низкооктановые карты − то есть, самый поздний угол зажигания из возможных. Но поздний угол − это ухудшенная динамика и не оптимальный расход топлива, а потому электроника начинает нащупывать границу возникновения детонации, сдвигая угол опережения зажигания в сторону более раннего на один градус с удержанием в этом режиме, потом еще на один градус, и так далее.

В любом случае с заменой лучше не затягивать. В современном двигателе все взаимосвязано, а датчик детонации является одним из приоритетных инструментов контроля, и его правильное функционирование влияет на работу всего мотора.

Сегодня инженеры стараются не просто контролировать возникновение детонации, но и отодвигать границу ее возникновения. В этот процесс вносят свою лепту множество факторов. Один из них − применение алюминия в качестве материала для блока и головок цилиндров. Алюминий обладает большей теплопроводностью, а поскольку тепло отводится быстрее, то температура в камере сгорания становится ниже. Свою роль играет и непосредственный впрыск, так как испарение топлива прямо в камере сгорания также снижает температуру в цилиндрах. Применяются и более сложные решения например Volkswagen разработал довольно сложную двухконтурную систему охлаждения. Имеется в виду не большой и малый круг, а именно два контура с разной температурой антифриза. Более холодный омывает головку блока цилиндров для лучшего отвода тепла и повышения стойкости к детонации.

голоса

Рейтинг статьи