Что такое детонация в цилиндре двигателя

Устройство автомобилей

Природа явления детонации

Детонация двигателя — это процесс самопроизвольного воспламенения горючей смеси в цилиндрах, носящий характер взрывной волны. Чаще детонации подвержены бензиновые двигатели, в которых рабочая смесь воспламеняется принудительно, но иногда явления детонации проявляются и у дизелей.

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.

Ничего в природе не происходит в единый миг, и рабочая смесь тоже воспламеняется не одновременно по всему объему камеры сгорания, — горение начинается у места запала смеси искрой, в центральной части камеры, а затем быстро распространяется к периферии. По мере роста очага возгорания создается так называемый фронт горения (или фронт пламени), на границе которого образуется зона повышенного давления и температуры.

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.

Однако несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Из-за высокого давления и больших температур несгоревшая горючая смесь образует очень активные химические соединения — альдегиды, спирты, перекиси и т. д. При достижении критических значений температуры и давления между соединениями возникают цепные окислительные реакции, приводящие к самопроизвольному воспламенению смеси, и сопровождающиеся мощным выбросом энергии взрывного характера. В эпицентре такого мини-взрыва образуется взрывная волна, которой распространяется по цилиндру с невероятной скоростью.

Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают, в свою очередь, самовоспламенение хорошо подготовленной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500…2300 м/с, что характерно для взрывного горения. Для примера — при нормальном горении скорость фронта пламени составляет всего 20…30 м/с. От разрыва поршень и стенки цилиндра спасает лишь то, что детонация вызывается микровзрывами, которые выбрасывают недостаточную для глобальных разрушений энергию.

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

Заблуждением является мнение, будто прирост давления за счет увеличения скорости распространения фронта пламени позитивно влияет на динамику двигателя и обеспечивает прибавку его мощности. Это не так, поскольку взрывная волна распространяется очень быстро (иногда – более 2 км/с), вызывая настолько сильный прирост давления (до 700 Н/см 2 ), что поршень, головка блока и другие детали КШМ испытывают настоящий удар, словно по ним ударяют увесистой кувалдой.
Очевидно, что положительно повлиять на мощность двигателя за такой короткий промежуток времени взрывная волна просто не успевает.

Поэтому микровзрывы в цилиндре приносят только вред — ударяя с невероятной скоростью в стенки цилиндров, взрывная волна разрушает масляную пленку, вызывая интенсивный износ деталей поршневой группы из-за сухого трения, а дополнительный прирост температуры на фронте волны приводит к перегреву стенок цилиндров, поршней, клапанов и головки блока.

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.

Заметно снижается динамика двигателя — при сильной детонации его мощность падает, растет расход топлива, в отработавших газах появляется черный дым.

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 γ_r 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.

Если двигатель стал работать с детонацией сразу после заправки — значит, в бак попало некачественное горючее. Если двигатель бензиновый, можно добавить в топливный бак немного ацетона, — он повысит октановое число. Либо придется некачественное топливо из бака слить и заправиться более качественным.

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.

Если автомобиль постоянно эксплуатируется с минимальной нагрузкой или же его двигатель часто и подолгу работает на холостом ходу, в камерах сгорания откладывается слой нагара, из-за чего повышается степень сжатия и увеличивается риск появления детонации.
В данном случае полезна своеобразная профилактика — двигателю необходимо периодически давать работать с большой нагрузкой. Хороший метод такой профилактики — периодические динамичные разгоны и движение на пониженной передаче с высокими оборотами.
Разумеется, такая профилактика не должна противоречить правилам дорожного движения.

Современные автомобильные двигатели, оснащенные компьютерным управлением системами питания и зажигания, предохраняют от детонации при помощи датчика, который так и называется — датчик детонации. Он чутко реагирует на посторонние стуки, появляющиеся в двигателе и подает сигнал компьютеру (ЭБУ), а тот, в свою очередь, корректирует зажигание, пытаясь устранить детонацию.

Калильное зажигание и дизилинг

Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, которое может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры — в результате поджига горючей смеси от раскаленной поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания .

Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем, и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя — двигатель будет продолжать работать. Поэтому в случае появления калильного зажигания необходимо просто прекратить подачу горючей смеси.
Иногда водитель пытается остановить двигатель, работающий от калильного зажигания, попыткой трогаться с места на высшей передаче. Двигатель в этом случае глохнет от недостатка тягового усилия на коленчатом валу, но детали КШМ, а также элементы трансмиссии могут повредиться из-за ударных нагрузок.

В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает самовоспламенение топлива от чрезмерного сжатия – явление дизилинга .
Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала. При этом его работа нестабильна и сопровождается вибрациями.
Дизилинг нередко имеет место при степени сжатия более 8,5. Для его устранения применяют специальные устройства, автоматически перекрывающие в карбюраторе канал холостого хода при выключении зажигания.

Причины появления детонации внутри цилиндров

Само по себе явление основано на раннем воспламенении топливовоздушной смеси, когда оно опережает появление искры от свечей – этот процесс сопровождается ударным горением топлива, что и является детонацией. Столкнуться с данной неполадкой можно на любом двигателе вне зависимости от его типа или возраста автомобиля, однако более новые модели оснащают датчиком детонации – он позволяет компьютеру на борту регулировать работу двигателя, чтобы избежать подобного явления в дальнейшем. Наиболее распространенные причины возникновения детонации в цилиндрах следующие:

1. низкокачественное горючее, либо топливо с неверно подобранным октановым числом,
2. неправильно выставленное упреждение зажигания,
3. слишком бедная топливная смесь,
4. стенки цилиндра покрыты углеродистыми отложениями,
5. некачественные свечи зажигания,
6. неисправности в системе охлаждения, ведущие к перегреву мотора.

Перед тем как рассмотреть способы борьбы с детонацией, стоит подробнее остановиться на разборе каждой из причин, перечисленных выше.

Причины происхождения:

1. Одна из самых распространенных причин появления детонационных стуков — это использование некачественного или низкооктанового бензина. Все дело в том, что для бензина октановое число является показателем его детонационной стойкости, точнее, его способности сгорать равномерно при любых условиях. Так например, у бензина марки АИ-92 эта стойкость будет ниже, чем у АИ-95 или АИ-98. Современные двигатели имеют сравнительно высокую степень сжатия, которая в этом случае является одним из главных ключевых факторов образования этого негативного явления. Фактически, степень сжатия определяется объемом камеры сгорания. Для двигателей с малой степенью сжатия вполне подойдет низкооктановый бензин. Но, этот же бензин при более высоком сжатии неизбежно потеряет свою детонационную стойкость. Его горение в цилиндрах будет взрывообразным, что может привести к, в полном смысле, разрушительным для мотора последствиям. Поэтому, заправка современного двигателя низкооктановым или низкокачественным топливом может стать для него фатальной.
2. В другом случае, может возникать как следствие перегрева двигателя. Причины перечислять не будем, их довольно много.
3. В ряде случаев в возникновении детонации виноваты неисправные свечи, благодаря которым происходят пропуски моментов зажигания, либо дизелинг — самопроизвольное воспламенение топливовоздушной смеси, когда поршень еще движется в направлении верхней мертвой точки. Такие свечи необходимо заменять.
4. Четвертая и самая распространенная причина данного явления — неисправность системы зажигания. В данном случае, причиной детонации будет слишком раннее зажигание – это когда подается искра прежде, чем поршень подошел к верхней мертвой точке. В этом случае, топливовоздушная смесь, сгорая начинает расширяться, но поршень продолжает совершать поступательное движение вверх. В результате, давление в цилиндре нарастает и возникает детонация. Особенно явно это явление заметно при движении под нагрузкой. Последствия неправильной регулировки зажигания могут вылиться в аналогичные, что и при использовании некачественного низкооктанового топлива.

Не те свечи

Еще одной из причин выявляют использование не тех свечек для зажигания. Не зря фирмы-производители авто рекомендуют в мануалах использование определенных марок свечей. Неправильно подобранные (как правило, более дешевые – в плане экономии) плохо контролируют внутреннюю среду, создают условия для нештатного и неполного сжигания ТВС, что и может спровоцировать явление детонации (особенно в пожилых движках).

Рекомендации по устранению: заменить свечи на прописанные производителем и не экономить на таких важнейших запчастях. И вообще, вначале нужно всегда искать причины детонации двигателя. Тогда это – вполне устранимая собственноручно проблема.

Влияние конструкции мотора на детонацию

Можно выделить следующие основныеконструкционные факторы:

• форма камеры сгорания и ее охлаждение;
• размеры цилиндра;
• число и расположение свечей;
• конструкция выпускного клапана;
• степень сжатия.

Влияние степени сжатия и давления наддува на датонациюСтепень сжатия является основныф фактором, влияющим на детонацию. Характерная зависимость порога появления детонации от степени сжатия и давления наддува показана на картинке.

Почему происходит детонация

Появлению детонации предшествуют много факторов, которые имеют общую черту — уменьшение задержки самовоспламенения несгоревшей части горючего, удалённой от свечей зажигания. Если коротко, то в камере сгорания образовываются благоприятные условия, чтобы окислительные реакции горючей смеси протекали более быстро. Появлению детонации предшествуют такие причины:

• состав ГСМ;
• угол опережения зажигания;
• качество топлива;
• степень сжатия;
• недостатки конструкции.

Если горючая смесь имеет соотношение равное 9 (топливо-воздух) и попадает в камеру сгорания при высоком давлении, то она способна формировать в отдалённых уголках окислительные реакции, которые перерастают в очаги воспламенения топлива.

Увеличение угла опережения зажигания сдвигает пик максимума давления во время сгорания горючего к ВМТ. Это приводит к тому, что в камере сгорания увеличивается давление, которое может стать виновником начала детонации.

Учитывайте рекомендации производителя касательно октанового числа бензина

Если октановое число топлива низкое, детонация может происходить гораздо чаще. Поэтому, если вы не хотите слышать стуки в двигателе, не используйте 76-й бензин в двигателях, если производитель рекомендует октановое число 92 и более.

Увеличение степени сжатия может привести к повышению температуры и давления. После этого создаются благоприятные условия, приводящие к детонационному сгоранию топлива. Если у вашего двигателя высокая степень сжатия, используйте высокоэтилированный бензин.

Что такое детонация

Детонация бензинового двигателя после выключения зажигания – это взрывное воспламенение рабочей смеси в цилиндре силового агрегата. Обычное зажигание горючей смеси происходит со скоростью двадцать пять или тридцать метров в секунду. Детонированное зажигание может происходить со скоростью двести, временами тысячью метров в секунду. Это убивает двигатель автомобиля.

Иногда детонирование горючей смеси путают с калильным зажиганием. Опытные механики называют его еще неконтролируемым сгоранием топлива после остановки мотора. Это зажигание происходит из-за перегрева элементов камеры сгорания. Например, нагар на стенках цилиндров, днище и свечах может служить длительному процессу догорания топлива уже после выключения двигателя.

Как это происходит: автовладелец выключает зажигание, а коленвал еще раз прокручивается вниз и перемещает поршень вниз. Всасывается топливно-воздушная смесь. Теперь эта смесь возгорается не из-за искры свечи, а из-за разогретых деталей внутри цилиндра.

Способы устранения детонации

Выше описаны самые наиболее встречающиеся причины появления детонации в моторе и само понятие этого явления, а теперь следует рассказать о том, какие существуют методу устранения этой неполадки в автомобиле. Увеличение скорости сможет помочь уменьшить вероятность взрывного горения топлива, потому как она делает меньше время его сжигания. Огромное давление снижается, и топливо не подвергается повышению температуры.

Для примера можно привести случай, если водитель едет по прямому участку дороги с горы. Когда автомобиль начинает подниматься на гору, то его скорость снижается и можно услышать детонацию мотора. Поэтому, чтобы придать ускорение автомобилю, водитель переключается на более низкую передачу и придавая ускорение автомобилю убирает это явление.

Риск появления описываемой неисправности уменьшает увеличение влажности. Содержащаяся в воздухе вода влияет на понижение температуры сгорания топлива. Самые распространенные уловки, которые используют водители, чтобы получить максимальную производительность двигателя без детонации следующие:

• Применение наиболее качественного бензина;
• Торможение, чтобы опередить зажигание;
• Понижение температуры горения топлива.

Этого можно достигнуть, используя интеркулер или нагнетанием воды. Охладитель получает воздух и отправляет его в воздушные охладители, которые снижают температуру. Описываемая проблема далеко не новая в сфере эксплуатации транспортных средств и изготовители автомобилей всячески старались снизить или вовсе устранить появление детонации на протяжении долгого времени.

Это довольно непростой процесс, включающий в себя большое количество разнообразных факторов. Для того чтобы понять работу двигателя, следует обрести понимание появления детонации и изучить, способствующие ей стадии.

Нужно постоянно обращать внимание на все нестандартные звуки и шумы в двигателе, потому как именно они смогут помочь определить появление детонации и должны быть устранены в кратчайшие сроки. Хотя это явление весьма опасно для мотора автомобиля, но им нетрудно управлять, главное понять причину появления неисправности.