Детонация в дизельном двигателе

Причина детонации

В дизельном двигателе воздух сжимается в цилиндре так сильно, что его температура превышает температуру воспламенения дизельного топлива. Незадолго до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое мгновенно воспламеняется. Если количество впрыскиваемого топлива избыточно велико, в цилиндре возникают сильные ударные волны, вызывающие детонацию.

Способы предотвращения детонации

Громкий звук детонации в большинстве случаев можно услышать при работе холодного дизеля на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. В этом виновата большая задержка воспламенения, которая, как известно, уменьшается при увеличении давления и температуры. Детонация во время холостого хода не опасна для двигателя и исчезает при повышении нагрузки.

В двигателях с непосредственным впрыском дизельного топлива в воздух в камере сгорания детонацию можно устранить, уменьшив количество топлива, впрыскиваемого во время задержки воспламенения. Основное количество впрыскивается сразу после начала сгорания. Недостатком является невозможность полностью устранить выброс сажи, которая возникает, если у топлива перед воспламенением недостаточно времени для испарения и смешивания с воздухом. Когда температура и давление высоки и нет достаточного количества воздуха для сгорания, возникает реакция крекинга (расщепления молекул), которая приводит к образованию сажи. Сажа сгорает не полностью и попадает в отработавшие газы.

Детонационное сгорание топлива можно также устранить с помощью разделения камеры сгорания. Дизельное топливо впрыскивается в изолированную полость (предварительную камеру) в головке блока цилиндров.

Рис. Разделенная камера сгорания дизельного двигателя

Из-за недостатка воздуха там может гореть не всякое топливо. Вследствие предварительного сгорания в предварительной камере повышаются температура и давление. Топливо, которое не сгорело, через сужение попадает с большой скоростью в основную камеру сгорания, где и догорает до конца. Вследствие растяжения по времени процесса сгорания детонационный шум подавляется даже при использовании топлива с большой задержкой воспламенения. Правда, при этом наблюдается повышенный удельный расход топлива.

Наряду со способами смесеобразования, когда топливо впрыскивается в воздух, существует метод подачи топлива, разработанный в компании «MAN», при котором дизельное топливо впрыскивается так, что тонкой пленкой оседает на поверхности камеры сгорания. При использовании данного метода детонация не возникает, так как топливо сгорает в том объеме, в котором оно испаряется со стенки и смешивается с воздухом. Двигатели, работающие по данному принципу смесеобразования, называются многотопливными двигателями внутреннего сгорания, так в них можно использовать все виды топлива, от смазочного масла и дизельного топлива до бензина.

Производители горючего также прилагают старания, чтобы устранить детонацию. Дизельное топливо после нефтеперегонки имеет диапазон кипения 160-90 °С. Оно содержит много насыщенных углеводородов, которые легко воспламеняются. Плотность дизельного топлива составляет р — 0,83 г/ см3, а его удельная теплота сгорания Нu

42000 кДж/кг. При добавлении присадок для ускорения сгорания воспламеняемость дизельного топлива еще больше увеличивается. Действие присадок заключается в том, что топливо воспламеняется непосредственно при попадании в горячий воздух, а при повышении температуры задержка воспламенения дизельного топлива уменьшается. Для этого достаточно добавить в дизельное топливо присадки для ускорения воспламенения в количестве 0,1-1 объемного процента.

Определение воспламеняемости дизельного топлива

Воспламеняемость дизельного топлива выражается с помощью цетанового числа (CZ). Оно означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и определенная сравнительная смесь из цетана и a-метилнафталина. Легковоспламеняемым реагентом смеси является цетан. Он имеет цетановое число 100, в то время как л-метилнафталин — цетановое число 0. Таким образом, например, цетановое число CZ = 55 означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и сравнительная смесь из 55% (объемных долей) цетана и 45% (объемных долей) a-метилнафталина. Воспламеняемость повышается при росте цетанового числа.

Определение цетанового числа выполняется так же, как и определение октанового числа бензина с помощью эталонного двигателя, специально предназначенного для этих замеров. Используются двигатель для оценки детонационной стойкости бензинов по методу компании «BASF» и стандартный двигатель для оценки детонационной стойкости топливных материалов — одноцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели с устройством для регулирования конечного давления сжатия. В то время, как в двигателе компании «BASF» конечное давление сжатия регулируется с помощью ограничения впускаемого воздуха, в стандартном двигателе регулировка выполняется путем изменения степени сжатия.

Ниже измерение цетанового числа 1952/54 описывается на примере испытательного двигателя, разработанного компанией «BASF» — четырехтактного дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания и системой испарительного охлаждения. Он работаете частотой вращения коленчатого вала приблизительно 1000 мин а тормозной генератор создает момент сопротивления. Сначала в двигатель подается исследуемое дизельное топливо. Впрыскиваемое количество должно быть отрегулировано согласно расходу 8 ± 0,3 см3/мин, а момент впрыскивания — на 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке. Во впускном коллекторе двигателя установлена дроссельная заслонка, а перед ней — измерительный диффузор. подключенный к вакуумметру. Дроссельная заслонка закрывается, уменьшая тем самым давление сжатия, пока задержка воспламенения дизельного топлива не будет равна 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке, а горение не начнется точно в верхней мертвой точке поршня. Величина разрежения отображается на дисплее вакуумметра. Воспламеняемость дизельного топлива высока, когда разрежение имеет низкое значение. Тогда через диффузор проходит лишь небольшое количество воздуха, и конечное давление сжатия — низкое.

По окончании измерения дизельного топлива впрыскиваются две сравнительные смеси при тех же условиях. Цетановое число сравнительных смесей должно различаться всего на четыре единицы. Кроме того, цетановое число дизельного топлива должно находиться в диапазоне между цетановыми числами двух сравнительных смесей. На основании зафиксированных показаний вакуумметра цетановое число дизельного топлива рассчитывается посредством линейной интерполяции и округляется до целого числа.

Цетановые числа современного дизельного топлива составляют 50-55 единиц.

Водителям приходится сталкиваться с эффектом неконтролируемого возгорания топлива в цилиндрах силовых агрегатов в виде взрывов. В результате сверхвысоких температур и огромного давления, возникает мощная взрывная ударная волна, которая называется «детонация двигателя». Она сопровождается мгновенным выбросом большого количества энергии и разрушениями различной степени тяжести.

Причины детонации дизельного двигателя

При нормальной работе ДВС смесь возгорается, когда поршня находится в верхней точке ВМТ, при опережении угла зажигания в 2 – 3 °. Догорание смеси продолжается и после ВМТ при движении поршня в обратную сторону. Расчетная скорость перемещения языка пламени равна 30 м/сек. Во время взрыва данный параметр резко возрастает, достигая значения 2 тысячи метров за одну секунду.

Детонация двигателя возникает при:

• постоянном движении машины;
• возрастании нагрузок;
• при работе на различных передачах;
• в т. ч. на холостом ходу.

Она вызвана нарушениями параметров при сгорании топлива. Плавный процесс мгновенно сменяется сильным взрывом, что приводит к негативным последствиям:

• разрушения поршней, цилиндров;
• деталей кривошипно-шатунного механизма;
• резкое возрастание температурного режима;
• уменьшение мощностных характеристик;
• возрастание потребления горючего.

Наиболее частые причины детонации двигателя:

1. Нарушение регулировок.
2. Некачественное смешение горючего с кислородом.
3. Недостаточная эффективность охлаждающей системы.
4. Нарушение эксплуатационных требований.
5. Применение бензина низкого октанового числа.
6. Конструктивные недоработки двигателя.

Последствия детонации двигателя

Для осуществления разгона транспортного средства, водитель резко вдавливает педаль газа. При попадании топлива в условия с повышенным давлением, сверхвысокими температурами, происходит воспламенение. Внутри камеры генерируется дополнительное давление, создается взрывная волна с возрастающей амплитудой, возникает цепная реакция, не поддающаяся контролю, коленвал вращается с огромной скоростью.

Детонация приносит огромные разрушения элементам двигателя:

1. Срываются и обламываются кромки поршней.
2. Нарушается целостность цилиндров, разрушаются стенки.
3. Прокладка головки ГБЦ полностью разрывается.
4. Датчики дроссельные выходят из строя.

В отличие от детонации, при нормальном функционировании топливо равномерно сгорает и передает энергию движения на поршни, затем на коленчатый вал и т.д.

Влияние особенностей эксплуатации на силу детонации

Даже в исправном механизме велика вероятность, что произойдет детонация двигателя при разгоне или при эксплуатации машины с повышенными нагрузками. Топливо начинает детонировать при длительных подъемах, особенно если скорость превышает установленную передачу. Выражаясь иначе, водитель не должен давить на газ при преодолении подъема, пока не осуществит переход на понижение скорости.

В это время коленчатый вал имеет низкие обороты, не хватает мощности на подъем автомобиля в гору. В общее звучание работающего двигателя добавляются отчетливые детонационные стуки, вызванные высокочастотной взрывной волной.

Топливовоздушные смеси вызывают детонацию при недостаточном охлаждении и неисправностях в системе:

• преждевременное раннее зажигание;
• перегревание мотора;
• наличие большого количества нагара в камерах;
• закоксованность стенок цилиндров, приводящая к увеличению степени сжатия.

Интересно: Известны случаи, когда мастера тюнинга искусственно устраивают раннее преждевременное зажигание. Этим способом пытаются улучшить реакцию движка на нажатие педали газа при работе на уменьшенных оборотах. Смесь воспламеняется раньше, чем поршень достигает ВМТ, т. е. препятствует его движению. Здесь главное – не допустить перегрева.

Если накопилось много нагара, объем камеры резко уменьшается, а значит степень сжатия возрастает. Вредные отложения способствуют значительному повышению температурного режима . Случается, что нагар тлеет, в результате чего смесь самовоспламеняется в самый неподходящий момент (эффект калильного зажигания). Это неконтролируемое явление – детонация двигателя при выключении зажигания. При несанкционированном возгорании топлива двигатель несет серьезный ущерб, его моторесурс значительно сокращается.

Прошивки и детонация

Помимо причин, описанных выше, также имеют влияние изменения, направленные на повышение экономичности топлива. «Экономичная прошивка» заключается в следующих усовершенствованиях:

1. Установка неподходящего калильного числа свечей зажигания.
2. Изменения в топливной аппаратуре.
3. Чип-тюнинг электронного блока ЭБУ с целью внесения корректировок топливных карт.

После проведения данных мероприятий смеси для разных режимов обедняются, что влечет снижение динамических характеристик авто.

Родные настройки ЭБУ рассчитаны на нормальное воспламенение смесей при номинальном температурном режиме в камерах. Детонация чаще всего случается после проведения прошивки при использовании смесей обедненного состава, автомобиль при этом испытывает серьезные нагрузки. На таких смесях детали двигателя быстро перегреваются и при впрыске возникает бесконтрольное возгорание.

Детонация при запуске двигателя

Холодный инжектор при запуске может детонировать при поступлении обедненного топлива в цилиндры. Как правило, это обусловлено засорением отверстий распыляющих форсунок. При их засоре топливо подается в ненадлежащем объеме. После прогрева детонация исчезает. Чтобы избавиться от негативного эффекта, рекомендуется регулярно проверять и очищать топливные фильтры. Засорение форсунок считается серьезным дефектом, избавиться от которого трудно без демонтажа.

Детонация дизельного двигателя

В отличие от инжекторов, в дизелях топливо не поджигается, оно самовоспламеняется при впрыске в цилиндр с раскаленным сжатым воздухом. Если объем горючего превышает установленную величину, в камере сгорания развивается ударная волна. Детонация двигателя на холостых оборотах сопровождается громким звуком, считается, что данный эффект не представляет опасности и постепенно исчезает с увеличением нагрузки.

Причины детонации дизельного двигателя на холостых оборотах – задержка возгорания топлива. Этот временной промежуток сокращается по мере возрастания температуры в системе.

Как снизить вероятность возникновения детонации:

1. Уменьшить количество, впрыскиваемого горючего.
2. Разделить камеры сгорания (предварительный отсек, рабочий).
3. Впрыскивать топливо по методу MAN.
4. Добавлять специальные присадки в дизтопливо, за счет которых происходит ускорение возгорания.

Детонация дизельного двигателя после выключения зажигания возникает по следующим причинам:

• засорение отверстий форсунок;
• отказ насоса ТНВД;
• отложения нагара.

Основные признаки детонации

От сильных взрывов при работе двигателя слышны звонкие металлические постукивания, отработавшие газы изменяются по оттенкам. Многие рабочие элементы деформируются и выходят из строя.

Внешние проявления детонации:

1. Дым темного цвета, выходящий из системы выхлопа.
2. Снижение мощности.
3. Вибрации усиливаются по мере возрастания амплитуды взрывной волны.
4. Двигатель не реагирует на управление со стороны водителя (неустойчивая работа).
5. Детали и узлы перегреты до критических температур.

Рекомендации опытных автомобилистов

При изготовлении автомобильных двигателей все детали имеют определенные параметры, рассчитанные на эксплуатацию в номинальных температурных режимах. При детонации двигателя транспортное средство подвергается ударным нагрузкам, превышающим допустимые значения. Неравномерное распределение горючего и кислородных масс приводит к неожиданным сильным взрывам.

Чтобы выявить и предотвратить случаи детонации, рекомендуется прислушиваться к равномерности звуков работающего двигателя. При выявлении нестандартных постукиваний, шумов, необходимо остановиться и выключить мотор. Далее нужно определить источник неизвестных звуков и попытаться ее устранить.

Во избежание разрушительных последствий, детонация должна быть под постоянным контролем. Главное помнить: при нормальной работе не должны возникать даже небольшие изменения в звучании мотора.

Детонация дизельного топлива — это чрезмерно быстрое (взрывное) и неконтролируемое сгорание в цилиндрах двигателя топливо-воздушной смеси. Происходит оно по разным причинам, но основными специалисты считают некачественное топливо, низкое цетановое число и нарушения впрыска его в цилиндры.

Отчего возникает детонация топлива в двигателе?

Явление детонации присуще, в своём большинстве, бензиновым двигателям, но не лишены этой беды и дизели. При работе поршневой группы степень сжатия воздуха в дизелях составляет от 14:1 до 25:1. В процессе сжатия воздух разогревается, и, когда происходит впрыск топлива, последнее воспламеняется.

Сгорая, оно увеличивает давление и температуру в камере. Но происходит всё это в объёме камеры сгорания неодинаково. Чтобы сгорание было равномерным, нужно чтобы воздух был одинаково перемешан с топливом во всех точках объёма, то есть смесь должна быть в виде мелкодисперсного тумана с равномерной концентрацией обоих компонентов.

Чтобы добиться этого, производители дизелей длительными экспериментами ищут оптимальное положение впрыскивающего инжектора, применяют индукционные клапаны, камеры предварительного сгорания и другие устройства. Целью этих поисков является увеличение интенсивности завихрения смеси для улучшения поджига и качества сгорания.

При впрыске топлива в разогретый до температуры его воспламенения воздух горение начинается вблизи сопла инжектора. Сфера огня затем распространяется по объёму, сжимая и увеличивая температуру оставшейся смеси. В этот момент и возникает детонационное сгорание топлива в дальних углах камеры.

В них топливо не поджигается фронтом распространения огня, а детонирует — взрывается в один момент с резким увеличением давления и температуры. Возникает сильная ударная волна, которая бьет по поршню, стенкам цилиндра и клапанам.

Скорость нормального распространения пламени в камере сгорания составляет 20-40 м/сек. Скорость распространения огня при детонации топлива — в сто раз больше (2-4 км/сек).

В целом детонация представляет большую угрозу для двигателя. Взрывное сгорание топлива при длительном воздействии повреждает в той или иной степени и цилиндропоршневую группу, и кривошипно-шатунный механизм, и ведёт к неминуемому дорогостоящему ремонту.

Детонация дизельного топлива может быть двух видов:

1. малозаметной или допустимой;
2. критической, возникающей при высоких нагрузках или на холостом ходу.

Причинами детонации топлива у дизельных двигателей могут быть:

• низкое качество топлива;
• неправильная установка момента впрыска топлива;
• подтекание форсунок;
• неправильный выбор толщины прокладки под головку блока цилиндров;
• конструктивные особенности.

Низкое качество топлива проявляется в процессе детонации в том, что скорость горения его ниже норматива. Поэтому дальние уголки камеры, пока до них не дошло пламя, перегреваются, что приводит к их взрывному воспламенению. Одним из способов борьбы с детонацией является введение в топливо присадок, увеличивающих скорость горения (которая всегда остаётся намного ниже детонационной скорости).

Как устранить детонацию дизельного топлива?

Специалисты предлагают слить топливо из бака, заправить машину заведомо качественным, с гарантированным цетановым числом в диапазоне 51-55. И непременно поменять АЗС, не экономить, покупая дешёвую солярку в сомнительных местах. Если эти действия не решают проблему, нужно обращаться в СТО для проведения комплексной компьютерной диагностики.

Если вам понравилась наша статья и мы как-то смогли ответить на ваши вопросы – то будем очень благодарны за хороший отзыв о нашем сайте!