Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
"Pinging" перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см Ping (значения) .

Выбивание (также постучать , детонация , искра стук , пингование или прокалывания ) в искровым зажиганием двигателей внутреннего сгорания происходит при сжигании некоторых из воздуха / топливной смеси в цилиндре не является результатом распространения фронта пламени воспламеняется с помощью свечи зажигания , но один или несколько карманов топливовоздушной смеси взрываются за пределами нормального фронта горения. Заряд топлива-воздуха предназначен для воспламенения только свечой зажигания и в точной точке хода поршня. Детонация возникает, когда пик процесса сгорания больше не происходит в оптимальный момент для четырехтактного цикла.. Ударная волна издает характерный металлический «звенящий» звук, и давление в цилиндре резко возрастает. Эффекты детонации двигателя варьируются от несущественных до полностью разрушительных.

Детонацию не следует путать с предварительным зажиганием - это два разных события. Однако за предварительным зажиганием может последовать детонация.

Феномен детонации был описан в ноябре 1914 года в письме от Lodge Brothers (производители свечей зажигания и сыновья сэра Оливера Лоджа ), в котором обсуждалась дискуссия о причинах «конкинга» или «розжига» в мотоциклах. В письме они заявили, что раннее возгорание может вызвать детонацию газа вместо обычного расширения, а звук, производимый детонацией, такой же, как если бы по металлическим частям постучали молотком. [1] Это было дополнительно исследовано и описано Гарри Рикардо во время экспериментов, проведенных между 1916 и 1919 годами, чтобы обнаружить причину отказов в авиационных двигателях . [2]

Нормальное горение [ править ]

В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Сгорание запускается свечой зажигания примерно на 10-40 градусов поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ), в зависимости от многих факторов, включая скорость двигателя и нагрузку. Это опережение зажигания дает время для того, чтобы процесс сгорания развил пиковое давление в идеальное время для максимального восстановления работы от расширяющихся газов. [3]

Искра на электродах свечи зажигания образует небольшое пламя размером примерно с промежуток свечи зажигания. По мере того, как он увеличивается в размере, его тепловыделение увеличивается, что позволяет ему расти с ускоренной скоростью, быстро расширяясь через камеру сгорания. Этот рост происходит из-за прохождения фронта пламени через саму горючую топливно-воздушную смесь, а также из-за турбулентности, которая быстро растягивает зону горения в комплекс пальцев горящего газа, которые имеют гораздо большую площадь поверхности, чем простой сферический шар из пламя было бы. При нормальном сгорании этот фронт пламени перемещается по топливно-воздушной смеси со скоростью, характерной для данной смеси. Давление плавно повышается до пика, так как почти все доступное топливо израсходовано, затем давление падает по мере опускания поршня.Максимальное давление в цилиндре достигается через несколько градусов коленчатого вала после прохождения поршнем ВМТ, так что сила, приложенная к поршню (от возрастающего давления, приложенного к верхней поверхности поршня), может дать самый сильный толчок именно тогда, когда скорость поршня и механическое преимущество на коленчатом валу дает лучшее восстановление силы от расширяющихся газов, таким образом максимизируя крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал.[3] [4]

Аномальное горение [ править ]

Основная статья: Холодное пламя

Когда несгоревшая смесь топлива и воздуха за границей фронта пламени подвергается воздействию тепла и давления в течение определенного времени (сверх периода задержки используемого топлива), может произойти детонация . Детонация характеризуется почти мгновенным взрывным воспламенением по крайней мере одного кармана топливно-воздушной смеси за пределами фронта пламени. Вокруг каждого кармана создается локальная ударная волна, и давление в цилиндре резко возрастает - и, возможно, превышает проектные пределы, - вызывая повреждения.

Если позволить детонации сохраняться в экстремальных условиях или в течение многих циклов двигателя, детали двигателя могут быть повреждены или разрушены. Самыми простыми вредными эффектами, как правило, являются износ частиц, вызванный умеренной детонацией, которая в дальнейшем может проходить через масляную систему двигателя и вызывать износ других деталей, прежде чем они будут захвачены масляным фильтром. Такой износ дает вид эрозии, истирания или «пескоструйной обработки», аналогично повреждению, вызванному гидравлической кавитацией. Сильный детонация может привести к катастрофическому отказу в виде расплавленных физических отверстий, проталкиваемых через поршень или головку блока цилиндров (т. Е. Разрыв камеры сгорания.), любой из которых сбрасывает давление в цилиндре и вводит в масляную систему крупные металлические фрагменты, топливо и продукты сгорания. Известно, что заэвтектические поршни легко ломаются от таких ударных волн. [4]

Детонацию можно предотвратить с помощью любого или всех следующих методов:

  • замедление момента зажигания
  • использование топлива с высоким октановым числом , которое увеличивает температуру сгорания топлива и снижает склонность к детонации
  • обогащение воздушно-топливного отношения, которое изменяет химические реакции во время горения, снижает температуру горения и увеличивает запас по детонации
  • снижение пикового давления в цилиндре
  • уменьшение давления в коллекторе за счет уменьшения открытия дроссельной заслонки или давления наддува
  • снижение нагрузки на двигатель

Поскольку давление и температура тесно связаны, детонацию также можно уменьшить, контролируя пиковые температуры камеры сгорания за счет уменьшения степени сжатия , рециркуляции выхлопных газов , соответствующей калибровки графика опережения зажигания двигателя , а также тщательного проектирования камер сгорания и системы охлаждения двигателя. как контроль начальной температуры всасываемого воздуха.

Добавление определенных материалов, таких как свинец и таллий , очень хорошо подавляет детонацию при использовании определенных видов топлива. [ необходима цитата ] Добавление тетраэтилсвинца (TEL), растворимого органического свинца , добавляемого в бензин, было обычным явлением, пока его не прекратили из-за токсического загрязнения. Свинцовая пыль, добавляемая во всасываемый заряд, также снижает детонацию при использовании различных углеводородных топлив. Соединения марганца также используются для уменьшения детонации бензинового топлива.

В холодном климате стук встречается реже. В качестве решения для вторичного рынка можно использовать систему впрыска воды для снижения пиковых температур камеры сгорания и, таким образом, подавления детонации. Пар (водяной пар) подавляет детонацию, даже если дополнительное охлаждение не подается.

Чтобы детонация произошла, сначала должны произойти определенные химические изменения, поэтому топлива с определенными структурами имеют тенденцию к детонации легче, чем другие. Разветвленные цепи парафины имеют тенденцию к сопротивлению детонации в то время как парафины с прямой цепью легко постучать. Было высказано предположение [ необходима цитата ], что свинец, пар и т.п. мешают некоторым из различных окислительных изменений, которые происходят во время сгорания, и, следовательно, уменьшают детонацию.

Как уже говорилось, турбулентность оказывает очень важное влияние на детонацию. Двигатели с хорошей турбулентностью имеют тенденцию к снижению детонации, чем двигатели с плохой турбулентностью. Турбулентность возникает не только при вдохе двигателем, но и при сжатии и сгорании смеси. Многие поршни спроектированы так, чтобы использовать "сжатую" турбулентность для интенсивного перемешивания воздуха и топлива вместе, когда они воспламеняются и сгорают, что значительно снижает детонацию за счет ускорения горения и охлаждения несгоревшей смеси. Одним из примеров этого являются все современные двигатели с боковым клапаном или плоской головкой.. Значительная часть свободного пространства над поршнем расположена в непосредственной близости от днища поршня, что создает сильную турбулентность вблизи ВМТ. На заре разработки головок боковых клапанов этого не делали, и для любого топлива приходилось использовать гораздо более низкую степень сжатия. Также такие двигатели были чувствительны к опережению зажигания и имели меньшую мощность. [4]

Детонация более или менее неизбежна в дизельных двигателях , где топливо впрыскивается в сильно сжатый воздух ближе к концу такта сжатия. Между впрыском топлива и началом горения есть небольшая задержка. К этому времени в камере сгорания уже имеется некоторое количество топлива, которое воспламенится первым в областях с большей плотностью кислорода перед сгоранием всего заряда. Это внезапное повышение давления и температуры вызывает характерный для дизеля «стук» или «грохот», некоторые из которых должны быть учтены в конструкции двигателя.

Тщательная конструкция насоса форсунки, топливной форсунки, камеры сгорания, днища поршня и головки блока цилиндров может значительно снизить детонацию, а современные двигатели с электронным впрыском Common Rail имеют очень низкий уровень детонации. Двигатели с непрямым впрыском обычно имеют более низкий уровень детонации, чем с прямым впрыском.двигатели, благодаря большему рассеиванию кислорода в камере сгорания и более низкому давлению впрыска, обеспечивающему более полное смешивание топлива и воздуха. На самом деле дизельные двигатели не подвержены такому же «стуку», как бензиновые двигатели, поскольку известно, что причиной является только очень высокая скорость повышения давления, а не нестабильное сгорание. Дизельное топливо на самом деле очень склонно к детонации в бензиновых двигателях, но в дизельных двигателях нет времени для возникновения детонации, потому что топливо окисляется только во время цикла расширения. В бензиновом двигателе топливо все время медленно окисляется, пока оно сжимается перед искрой. Это позволяет изменениям произойти в структуре / составе молекул до очень критического периода высокой температуры / давления. [4]

Обнаружение детонации [ править ]

Из-за большого разброса качества топлива, атмосферного давления и температуры окружающей среды, а также возможности неисправности каждый современный двигатель внутреннего сгорания содержит механизмы для обнаружения и предотвращения детонации.

Контур управления постоянно отслеживает сигнал одного или нескольких датчиков детонации (обычно пьезоэлектрический датчиккоторые способны преобразовывать колебания в электрический сигнал). Если обнаруживается характерный пик давления детонационного сгорания, момент зажигания замедляется на несколько градусов. Если сигнал нормализуется, указывая на контролируемое сгорание, момент зажигания снова увеличивается таким же образом, сохраняя двигатель в его наилучшей возможной рабочей точке, так называемом «пределе детонации». Современные системы контроля детонации могут регулировать время зажигания для каждого цилиндра индивидуально. В зависимости от конкретного двигателя одновременно регулируется давление наддува. Таким образом, рабочие характеристики поддерживаются на оптимальном уровне, при этом в основном устраняется риск повреждения двигателя из-за детонации, например, при работе на низкооктановом топливе. [5]

Ранний пример этого - двигатели Saab H с турбонаддувом , где система под названием Automatic Performance Control использовалась для снижения давления наддува, если это приводило к детонации двигателя. [6]

Предсказание детонации [ править ]

Поскольку предотвращение детонационного сгорания так важно для инженеров-разработчиков, было разработано множество технологий моделирования, которые могут определить конструкцию двигателя или условия эксплуатации, в которых можно ожидать возникновения детонации. Это затем позволяет инженерам разрабатывать способы уменьшения детонационного возгорания при сохранении высокого теплового КПД.

Поскольку начало детонации чувствительно к давлению в цилиндре, температуре и химическому составу самовоспламенения, связанным с локальным составом смеси в камере сгорания, моделирование, которое учитывает все эти аспекты [7] , таким образом, оказалось наиболее эффективным для определения рабочих пределов детонации. и позволяет инженерам определять наиболее подходящую стратегию работы.

Контроль детонации [ править ]

Целью стратегий управления детонацией является попытка оптимизировать компромисс между защитой двигателя от разрушительных событий детонации и максимизацией выходного крутящего момента двигателя. Детонационные события - это независимый случайный процесс. [8] Невозможно разработать контроллеры детонации на детерминированной платформе. Однократное моделирование хронологии или эксперимент с методами контроля детонации не в состоянии обеспечить повторяемое измерение производительности контроллера из-за случайного характера возникающих событий детонации. Следовательно, желаемый компромисс должен быть сделан в стохастической структуре, которая могла бы обеспечить подходящую среду для проектирования и оценки эффективности различных стратегий управления детонацией со строгими статистическими свойствами.

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Письмо от Lodge Brothers & Co Ltd, Motor Cycle, 12 ноября 1914 г., стр. 528
  2. ^ "Авиационное топливо | Абадан | Мировая война | 1951 | 2155 | Летный архив" . Архивировано 18 марта 2016 года . Проверено 16 марта 2016 .
  3. ^ a b Джек Эрджавец (2005). Автомобильные технологии: системный подход . Cengage Learning. п. 630. ISBN 978-1-4018-4831-6.
  4. ^ а б в г Х.Н. Гупта (2006). Основы двигателей внутреннего сгорания . PHI Learning. С. 169–173. ISBN 978-81-203-2854-9.
  5. ^ www.wirth-horn.de, Wirth & Horn-Informationssysteme GmbH-. «Современные автомобильные технологии - основы, сервис, диагностика - Europa-Lehrmittel» . www.europa-lehrmittel.de .
  6. ^ "Турбокомпрессор с мозгом" . Популярная наука . Боннье. 221 (1): 85. Июль 1982 г.
  7. ^ «Передовые технологии моделирования» . cmcl инновации, Великобритания. Архивировано из оригинала 9 апреля 2011 года . Проверено 12 июня 2010 года .
  8. ^ Джонс, Дж. К. Пейтон; Frey, J .; Шайестехманеш, С. (июль 2017 г.). «Стохастическое моделирование и анализ производительности классических алгоритмов детонации». IEEE Transactions по технологии систем управления . 25 (4): 1307–1317. DOI : 10.1109 / TCST.2016.2603065 . ISSN 1063-6536 . S2CID 8039910 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Лагана, Армандо А.М.; Лима, Леонардо Л .; Justo, João F .; Арруда, Бенедито А .; Сантос, Макс Мэриленд (2018). «Идентификация горения и детонации в двигателях с искровым зажиганием по сигналу ионного тока». Топливо . 227 : 469–477. DOI : 10.1016 / j.fuel.2018.04.080 .
  • Ди Гаэта, Алессандро; Джильо, Вениеро; Полиция, Джузеппе; Рисполи, Натале (2013). «Моделирование колебаний давления в цилиндре в условиях детонации: общий подход, основанный на уравнении затухающей волны». Топливо . 104 : 230–243. DOI : 10.1016 / j.fuel.2012.07.066 .
  • Джильо, Вениеро; Полиция, Джузеппе; Рисполи, Натале; Иорио, Бьяджо; Ди Гаэта, Алессандро (2011). "Экспериментальная оценка приведенных кинетических моделей для моделирования детонации в двигателях SI". Серия технических статей SAE . 1 . DOI : 10.4271 / 2011-24-0033 .
  • Ди Гаэта, Алессандро; Джильо, Вениеро; Полиция, Джузеппе; Реале, Фабрицио; Рисполи, Натале (2010). «Моделирование колебаний давления в условиях детонации: подход на основе дифференциального волнового уравнения». Серия технических статей SAE . 1 . DOI : 10.4271 / 2010-01-2185 .
  • Прогнозное моделирование горения для «уменьшенных» двигателей с непосредственным впрыском и искровым зажиганием: решения для преждевременного зажигания («мегадетонация»), пропусков зажигания, гашения, распространения пламени и обычных «детонаций» , инновации cmcl, по состоянию на июнь 2010 г.
  • Engine Basics: Detonation and Pre-Ignition , Allen W. Cline, по состоянию на июнь 2007 г.
  • Giglio, V .; Полиция, G .; Rispoli, N .; Di Gaeta, A .; Cecere, M .; Раджионе, Л. Делла (2009). "Экспериментальные исследования по использованию ионного тока на двигателях SI для обнаружения детонации". Серия технических статей SAE . 1 . DOI : 10.4271 / 2009-01-2745 .
  • Тейлор, Чарльз Фейет (1985). Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике: горение, топливо, материалы, конструкция . ISBN 9780262700276.

Внешние ссылки [ править ]

  • NACA - Возгорание и детонация в двигателе с искровым зажиганием
  • NACA - Ионизация в зоне детонации двигателя внутреннего сгорания
  • NACA - Взаимозависимость различных типов самовоспламенения и детонации