Детонация из за бедной смеси: Признаки работы двигателя на бедной топливной смеси

Преждевременное зажигание – это самовоспламенение топливно-воздушной смеси до срабатывания свечи зажигания. Самовоспламенение происходит в месте в цилиндре за пределами контролируемого фронта пламени от искрового зажигания.

Точно так же детонация — это самовоспламенение топлива, обычно после зажигания свечи зажигания. Как и преждевременное зажигание, детонация происходит за пределами контролируемого фронта пламени от свечи зажигания. Термин детонация часто используется гонщиками как для преждевременного зажигания (до искры), так и для неконтролируемого горения после искры. В этой статье используется то же соглашение.

На этой иллюстрации из 5000 лошадиных сил на метаноле (Боб Сабо, Szabo Publishing, 2006) показаны температуры самовоспламенения для различных видов гоночного топлива.

И преждевременное зажигание, и детонация возникают в результате самовоспламенения топлива. У них общие характеристики, такие как очень высокая скорость горения, которые сравнимы со скоростью взрыва пламени. К ним относятся дульные скорости огнестрельного оружия или скорости сгорания взрывчатых веществ — обычно более 1000 футов в секунду. Высокая скорость вызывает шум из-за фронтов давления, которые сталкиваются внутри цилиндра.

Детонация может быть замаскирована при более высоких оборотах высокочастотным шумом, например, при открытии выпускного клапана. Это может быть такое короткое происшествие, что оно не вызывает повреждений до того, как откроется выпускной клапан, сбросив давление в цилиндре и прекратив детонацию.

При более низких оборотах двигателя время между детонацией и открытием выпускного клапана больше, поэтому детонация более заметна. По мере увеличения оборотов может показаться, что детонация исчезает из-за более коротких интервалов между детонацией и открытием выпускного клапана.

Гоночные двигатели 30-х и 40-х годов работали на бензине с более низким октановым числом, поскольку бензин с более высоким октановым числом еще не был разработан. Топливо с более низким октановым числом было подвержено детонации, поскольку гонщики повышали степень сжатия двигателя для большей мощности. Детонация была особенно заметна при низких оборотах двигателя. Чтобы бороться с низкоскоростной детонацией, эти ранние гоночные двигатели постоянно раскручивались на более высоких оборотах, чтобы подавить эффекты детонации.

Если двигатель был затянут по ошибке, детонация может привести к снижению производительности и возможному повреждению двигателя. В результате водители, приезжающие в боксы для обслуживания, постоянно запускали свои двигатели на холостом ходу. Выжимание сцепления для запуска из боксов стало искусством для многих успешных гонщиков. При трогании с места на пит-лейн был большой риск остановки двигателя из-за сочетания неадекватной пробуксовки сцепления, низкого крутящего момента двигателя на малых оборотах и ​​детонации на малых оборотах.

Наилучшие характеристики современных бензиновых двигателей достигаются при использовании смеси гоночного бензина с октановым числом, достаточно высоким, чтобы избежать детонации. Бензиновая смесь с более высоким октановым числом сама по себе обычно не увеличивает производительность. Вместо этого более низкая скорость сгорания высокооктанового бензина часто фактически снижает производительность двигателя без каких-либо других изменений, вносимых для использования преимуществ более высокого октанового числа.

Требуемое октановое число бензина является характеристикой определенного рабочего диапазона оборотов. Если этот диапазон изменен, может потребоваться гоночный бензин с другим октановым числом. Например, если двигатель проводит больше времени под нагрузкой при более низких оборотах двигателя, двигатель может столкнуться с детонацией, тогда как при той же нагрузке в более высоком диапазоне оборотов он не детонирует. Гоночный бензин с более высоким октановым числом может потребоваться для борьбы с возможностью детонации, работающей в более низком диапазоне оборотов.

Иллюстрации из 5000 лошадиных сил на метаноле , показывающие зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала для хорошего сгорания слева и детонации справа.

Топливо диссоциирует или распадается на различные промежуточные химические вещества во время сжатия, нагревания и сгорания. Эти промежуточные химические вещества могут изменить температуру самовоспламенения смеси по сравнению с температурой только исходного топлива. Во многих случаях из-за детонации делается неверный запрос на настройку, предполагая, что данные основаны только на свойствах основного топлива, тогда как изменения температуры самовоспламенения от диссоциации должны были быть приняты во внимание.

В дрэг-рейсинге с выдувным спиртом участники с более высокой статической компрессией обычно должны использовать более богатую смесь, чем участники с более низкой статической компрессией, чтобы подавить детонацию. Однако есть момент, когда потребность в дополнительном обогащении отпадает. Один участник сообщил, что после определенного момента повышения степени сжатия дальнейшее обогащение не требуется, в то время как двигатель увеличивает мощность при большей степени сжатия. Он продолжал повышать компрессию и добился национального рекорда. В какой-то момент сверхвысокое сжатие фактически препятствовало образованию чувствительных к детонации диссоциатов.

При использовании различного гоночного топлива некоторые из ранее описанных диссоциированных образований могут быть более склонны к детонации, чем другие. Настройка может повлиять на сжатие и нагрев, что повлияет на то, какие диссоциаты образуются, даже с одним и тем же топливом. Затем эти диссоциаты влияют на чувствительность к детонации. Кроме того, изменения плотности воздуха влияют на настройку, что, опять же, влияет на диссоциацию в порочном круге.

Например, изменение точки закрытия впускного клапана в гоночном двигателе с искровым зажиганием изменит эффективное динамическое сжатие. Изменение сжатия изменяет адиабатический нагрев и давление сжатия. Чувствительность к детонации или от нее может быть вызвана чем-то простым, например, заменой распределительного вала или даже просто замедлением или опережением фазы газораспределения.

На этом рисунке из модели 5000 л.с. на метаноле показана взаимосвязь между степенью сжатия и соотношением воздух/топливо для бездетонационной работы гоночного топлива на метаноле. Точки данных с (а) по (е) были определены для различных гоночных двигателей. Эта кривая также зависит от надлежащего уровня обогащения для замедления самовоспламенения, что более подробно описано в ссылке.

Давление изменяет температуру самовоспламенения как топлива, так и диссоциации топлива, что может инициировать детонацию. Температура самовоспламенения диссоциата топлива может быть ниже, чем температура самовоспламенения топлива перед его разрушением, что может сбить с толку при рассмотрении данных только по топливу.

При сжатии, скажем, смеси воздуха и диссоциированного топлива температура ниже температуры самовоспламенения. Волна давления, создаваемая в цилиндре, может препятствовать воспламенению этой смеси. Однако при прохождении волны давления по цилиндру она может спровоцировать изменение температуры самовоспламенения смеси. Самовоспламенение может следовать по мере прохождения волны давления из-за сопутствующего падения температуры самовоспламенения строго из-за изменения химической чувствительности. Кроме того, изменения в головке блока цилиндров из-за сплющивания поршня или открытия впускного клапана могут изменить формирование волны давления и повлиять на общую чувствительность комбинации к детонации.

Выемка под уплотнительное кольцо на этой бывшей в употреблении медной прокладке головки цилиндра вокруг отверстия цилиндра показывает начало прогорания плотной сопрягаемой поверхности уплотнительного кольца непосредственно перед детонацией топливной смеси нитрометан-метанол. Обогащение этого цилиндра и новая прокладка головки блока цилиндров позволили избежать повторения. Фото: Blown Nitro Racing с бюджетом (Боб Сабо, Szabo Publishing, 2013).

Бензин

Согласно трудам покойного Гарри Рикардо (The High-Speed ​​Internal-Combustion Engine, 3rd Edition, Blackie & Son Limited, 1950), который был специалистом по технике горения, в качестве промежуточных диссоциатов при сгорании бензина образуются неустойчивые пероксиды, которые очень склонны к детонации. Тетраэтилсвинец представляет собой реактивную металлическую добавку, подавляющую детонацию этих нестабильных перекисей. Кроме того, различные компоненты бензинового топлива, используемые в обычных смесях, обладают различными свойствами диссоциации, что помогает бороться с образованием нестабильных пероксидов. Примерами таких используемых компонентов являются пентан, гексан и толуол.

Подмешивание топлива в современные бензины делается для достижения устойчивости к детонации, среди прочих характеристик. Во многих марках гоночного бензина некоторые из них также смешиваются с тетраэтилсвинцом для той же цели. Другие характеристики, такие как химическая стабильность, легкость испарения, позволяющая запустить двигатель, и стоимость производства, часто ограничивают добавки и соотношения в смеси. Эти ограничения могут поставить под угрозу устойчивость некоторых марок бензина к детонации по сравнению с другими при определенных обстоятельствах. Идеальный результат — смесь или смесь, наиболее подходящая для выполнения конкретных гоночных требований, и поэтому существует так много различных вариантов гоночного бензина.

Бензиновые смеси, продаваемые на заправочных станциях, чаще всего имеют сезонные изменения в соотношении смесей и содержании топлива. Зимний бензин смешивают для облегчения запуска, а летние бензиновые смеси предназначены для предотвращения образования паровых пробок. Различные сезонные смеси изменяют характеристики диссоциации и детонации, и это необходимо учитывать в приложении к производительности. Бензин для насосов, приобретенный в один сезон, может столкнуться с проблемами детонации, если он используется в другом сезоне, из-за различий в составе смеси.

Бензиновые смеси этанола (E85)

E85 представляет собой преимущественно (85 процентов) этанол с добавлением небольшого количества (15 процентов) бензина. Высокое эффективное октановое число, содержащееся в этаноле, подавляет детонацию в гоночных двигателях с высокой степенью сжатия при богатом соотношении воздух/топливо. Это будет лямбда меньше единицы в компьютерном мире EFI. Богатая спиртовая топливная смесь также охлаждает цилиндр до температуры самовоспламенения. Эти богатые соотношения воздух/топливо могут работать с преобладающим спиртовым топливом, поскольку спирт не загрязняет свечу зажигания, как другие виды топлива. Однако чрезмерное обогащение снижает выходную мощность, поэтому жизненно важно настроить соотношение воздух/топливо. С другой стороны, чрезмерно богатые смеси могут слишком сильно охлаждать воздухозаборник, подавляя испарение и вызывая детонацию из-за бедности паров. Это результат избыточной конденсации топлива при охлаждении.

Метанол

Метанол, как и этанол, будет диссоциировать на водород и окись углерода во время компрессионного нагрева. Метанол и этанол также будут частично диссоциировать на водород и монооксид углерода во время наддува в двигателе с достаточно большими давлениями от принудительной индукции до и в дополнение к сжатию поршня. Однако давление сжатия замедляет степень диссоциации. Следовательно, тепло вызывает диссоциацию в одном направлении, а давление от сжатия (или наддува) вызывает диссоциацию в другом. Тогда горение представляет собой комбинацию водорода, монооксида углерода и любых оставшихся паров метанола, которые не диссоциировали.

Драгстер Funnycar стартует для дрэг-рейсинга со скоростью 300 миль в час в парке Norwalk Raceway Park, штат Огайо, во время национального мероприятия IHRA с настройками борьбы с детонацией при использовании топливных смесей с высоким содержанием нитрометана и метанола

Различия в компрессии, температуре двигателя, фазах распредвала и наддув в двигателях с принудительной индукцией влияет на степень происходящей диссоциации. Затем степень диссоциации влияет на характеристики горения заряда. Например: водород имеет очень низкую температуру воспламенения и более склонен к обратному воспламенению во впуске, поскольку ему не обязательно нужен традиционный источник воспламенения. Это часто ошибочно принимают за детонацию, хотя на самом деле вступает в реакцию диссоциация избыточного водорода.

Регулировка или изменение плотности воздуха может изменить диссоциацию водорода и привести к обратному срабатыванию двигателя или избежать его. Когда возникает обратный эффект от диссоциации водорода, последующая разборка двигателя часто не выявляет каких-либо повреждений двигателя. Различия в температурах самовоспламенения метанола обусловлены разной степенью диссоциации при настройке и изменениях плотности воздуха.

Метанол содержит кислород в топливе, в отличие от традиционного бензина. Таким образом, метанол может взорваться при меньшем количестве воздуха в смеси, чем бензин. Весовое соотношение воздух/топливо 8:1 было бы слишком богатым для бензина и не детонировало бы, но могло бы детонировать с метанольным топливом. Этот порог меняется с изменением содержания кислорода в воздухе из-за изменения плотности воздуха.

Данные, представленные в 5000 HP на метаноле от Germane and Lovell, указывают на зависимость между количеством углерода в молекуле топлива и температурой самовоспламенения. (Герман, Джефф Дж., Университет Бригама Янга, Технический обзор топлива для автомобильных гонок, SAE 1985, публикация № 852129) (Ловелл, В. Г., Детонационные характеристики углеводородов, Промышленная и инженерная химия, Том 40, стр. 2388-2438) , декабрь 1948 г.)

Нитрометан

Нитрометан диссоциирует на различные фазы. На короткое время некоторые из этих фаз идут последовательно, а некоторые даже одновременны в процессе воспламенения и горения. Однако многие фазы диссоциации нитрометана происходят просто в результате компрессионного нагрева и сгорания.

Первая фаза эндотермическая. Он поглощает тепло и ведет себя так, будто его трудно воспламенить. Вот почему зажигание от магнето с большим временем выдержки искры более эффективно для нитрометановых топливных смесей, чтобы пройти первую фазу диссоциации сгорания. Вторая и остальные фазы диссоциации при сгорании нитрометана могут быть экзотермическими, то есть сгоранием и выделением тепла (паспорт безопасности материала Chem-Supply, нитрометан, 1CHOP, декабрь 2000 г.).

При сгорании различных промежуточных соединений и с различными характеристиками самовоспламенения (детонации) возникает несколько фаз диссоциации. Различные смеси нитрометана и метанола усложняют изменения чувствительности к детонации, поскольку метанол имеет свой собственный набор диссоциатов и поведения. В результате направления настройки могут быть неприятными и непоследовательными от запуска к запуску.

Некоторые модификации нитро могут быть более склонны к детонации при обеднении смеси (более высокое соотношение воздух/топливо). Некоторые нитро-настройки могут быть более склонны к детонации при обогащении смеси (более низкое соотношение воздух/топливо). Лучшая процедура настройки – сделать как можно меньше изменений в компрессии двигателя, наддуве, топливной смеси, температуре топлива и других параметрах, чтобы настроить мощность двигателя в соответствии с диапазоном рабочих характеристик. Многочисленные изменения от прогона к прогону делают почти невозможным контроль над настройкой из-за блуждающей температурной характеристики самовоспламенения. В результате могут произойти серьезные отказы двигателя.

Недавнее фото гоночных автомобилей Nitro Funnycar со скоростью 300 миль в час, подготовленных для запуска на дрэг-рейсинге национального мероприятия IHRA с чувствительными к детонации настройками из 90-процентных смесей нитрометана.

Изменения соотношения воздух/топливо также изменяют характеристики чувствительности самовоспламенения. Это изменение является комплексным в зависимости от количества обогащения. Обогащение до определенного уровня имеет тенденцию к снижению чувствительности к самовоспламенению. Обогащение метанолом или этанолом может снизить температуру цилиндра до такой степени, при которой двигатель не детонирует. Однако избыточное обогащение этим топливом сверх определенного соотношения воздух/топливо может повысить чувствительность к самовоспламенению. Вызывая чрезмерное охлаждение и конденсацию топлива из заряда впускного воздуха, создается обедненное парами состояние, и может произойти самовоспламенение. Это также может замедлить скорость пламени, продлив процесс горения до такта выпуска. Это может привести к обратному срабатыванию на впуске при открытии впускного клапана.

С другой стороны, меньшее обогащение выше определенного оптимального соотношения воздух/топливо ведет к повышению чувствительности к самовоспламенению. С метанолом или этанолом меньшее обогащение не будет достаточно охлаждать температуру цилиндра, поднимая температуру до такой степени, что двигатель может взорваться, особенно если используются высокие степени сжатия.

Уникальный прием гоночной настройки заключается в том, чтобы запустить двигатель до предела детонации, затем разобрать двигатель и измерить толщину верхних шатунных вкладышей. Подшипник слева показал отсутствие утончения после пробега. Подшипник справа из того же цилиндра после еще одного пробега с некоторым истончением, вызванным детонацией. Некоторые производители/настройщики двигателей используют истончение подшипников в качестве индикатора степени детонации. Некоторые ранние производители / настройщики двигателей для нитро-драг-рейсинга освоили этот метод определенного утончения шатунного подшипника как индикатора хорошей настройки.

Чрезмерное снижение обогащения может снизить мощность, поскольку сжигается меньше топлива. Продолжающееся снижение обогащения сверх определенного значения может не привести к детонации, поскольку экстремально обедненная смесь приводит к нехватке топлива для горения, и скорость пламени замедляется. Где-то в этом наклонном направлении скорость пламени может быть замедлена, продолжаясь после такта выпуска. Это может тогда, как чрезмерно богатые условия, вызвать обратный эффект на впуске.

Нитрометанольная топливная смесь с содержанием нитрометана примерно до 87% и повышенной обогащенностью менее склонна к детонации. Это то же самое, что и большинство других видов топлива, особенно спиртового топлива. Однако смесь нитрометанола с содержанием нитрометана выше 87% и повышенной обогащенностью становится более склонной к детонации. Это связано с избытком кислорода в топливе. Этот избыток кислорода в более высоком процентном соотношении повышает чувствительность смеси к более низкой температуре самовоспламенения. Более богатая смесь из смесей с высоким содержанием нитрометана имеет больший избыток кислорода и большую чувствительность к детонации.

Если что-то и нужно вынести из всего этого, так это то, что в условиях гонок причина детонации может быть сложной проблемой, а не такой простой, как «Если произойдет X, выполните Y, чтобы устранить ее». Когда вы находитесь на этом уровне производительности, ряд факторов, которые могут повлиять на вашу проблему детонации, отнимающую мощность и потенциально повреждающую двигатель, требует тщательного понимания того, что происходит с вашим топливом между моментом его первого попадания в атмосферу и открытие выпускного клапана.

9 способов предотвратить детонацию двигателя.

Внутри вашего двигателя? Не так много.

На самом деле, будет лучше, если вы любой ценой избежите детонации, если речь идет о вашем двигателе. Детонация возникает, когда чрезмерная температура и давление в камере сгорания вызывают самовоспламенение воздушно-топливной смеси. Вместо типичного одиночного ядра пламени внутри камеры создается несколько языков пламени, которые сталкиваются с взрывной силой. Это вызывает резкий, внезапный рост давления в цилиндре, который подвергает внутренние компоненты двигателя — поршни, кольца, подшипники, прокладки и т. д. — серьезной перегрузке и создает стук или стук. В худшем случае: вы ожидаете дорогостоящего, если не катастрофического, повреждения двигателя.

Излишне говорить, что это не идеальная ситуация. Вот почему в сочетании с Summit Racing и Fel-Pro, мы составили список из девяти вещей, которые вы можете сделать, чтобы избежать проблемы с детонацией.

Чем выше октановое число, тем выше способность топлива противостоять детонации.

Большинство двигателей прекрасно работают на стандартном октановом числе 87; однако для двигателей с высокой степенью сжатия (9,0:1 и выше) или наддувом (нагнетателями или турбокомпрессорами) может потребоваться 89или более высокое октановое число. Кроме того, в тех случаях, когда двигатель подвергается повышенной нагрузке или нагрузкам, например, при буксировке или перевозке тяжелых грузов, могут потребоваться дополнительные уровни октанового числа. По сути, все, что вызывает более высокую температуру сгорания и давление или заставляет двигатель работать горячее, чем обычно, может привести к детонации.

Возможно, пришло время повысить октановое число.

Статическая компрессия 9,0:1 обычно является рекомендуемым пределом для безнаддувных уличных двигателей (хотя двигатели с датчиками детонации могут выдерживать более высокую компрессию). Для принудительной индукции может потребоваться статическое соотношение 8,0:1 или меньше в зависимости от величины наддува. Степень сжатия более 10,5:1 может создать детонацию даже при 93 премиум бензин.

Хитрость заключается в том, чтобы поддерживать степень сжатия в разумных пределах для насосного газа, если только ваш двигатель не предназначен для работы на гоночном топливе. Для этого вам, возможно, придется использовать поршни с более низкой компрессией, выбрать головки цилиндров с большими камерами сгорания или попробовать использовать медную прокладку для прокладки головки блока цилиндров со стандартной прокладкой для уменьшения компрессии. Кроме того, если вы расточили цилиндры двигателя или отфрезеровали головки цилиндров, это увеличивает компрессию, и вам, возможно, придется внести поправки.

Чрезмерно опережающее опережение зажигания может привести к слишком быстрому росту давления в цилиндрах и, в конечном итоге, к детонации. Сбросьте время до заводских характеристик. Если это не сработает, сдвиньте синхронизацию на пару градусов или попробуйте заново откалибровать кривую опережения распределителя, чтобы контролировать детонацию.

Управление наддувом в двигателе с наддувом имеет решающее значение.

Слишком большой наддув может привести к детонации, поэтому вам нужно либо А) уменьшить наддув, либо Б) настроить двигатель так, чтобы он выдерживал больший наддув. Например, в приложении с турбонаддувом вам нужно убедиться, что ваш вестгейт работает правильно, чтобы сбросить избыточное давление наддува. Утечки в вакуумных соединениях, неисправный датчик давления во впускном коллекторе или плохое управление соленоидом перепускной заслонки могут привести к тому, что турбина будет создавать слишком большой наддув. Эти вещи следует исправить. И вы также можете добавить более производительный промежуточный охладитель  , пока вы этим занимаетесь.

Для приложений с наддувом ознакомьтесь с нашими статьями Blower Basics (Часть 2) и Blower Basics (Часть 3) , чтобы узнать о правильных уровнях наддува и о том, как они связаны со сжатием.

Бедные воздушно-топливные смеси склонны к детонации.

Проверьте топливно-воздушную смесь и отрегулируйте ее соответствующим образом. Бедная смесь может быть признаком более серьезной проблемы, такой как утечка воздуха в вакуумных линиях или плохо работающие прокладки. Это также может быть вызвано грязным топливные форсунки, забиты карбюраторные форсунки или топливный фильтр с засорением. Если ваш двигатель испытывает колебания или неровный холостой ход, возможно, вы имеете дело с бедным топливом и захотите внести соответствующие корректировки или исправления до того, как произойдет детонация.

Нагар является частой причиной детонации в двигателях с большим пробегом.

По сути, нагар может накапливаться в камере сгорания и на верхней части поршней до тех пор, пока не изменится общая компрессия двигателя. Кроме того, отложения могут создавать изолирующий эффект, замедляющий передачу тепла от камеры сгорания к головке блока цилиндров. Если отложения накапливаются достаточно (и сжатие увеличивается достаточно), может произойти детонация.

Как и указанное выше соотношение обедненного топлива, нагар может быть признаком другой проблемы: изношенных направляющих клапанов, износа цилиндров, сломанных поршневых колец , или нечастой замены масла. Выясните основную причину отложений, устраните все проблемы, а затем удалите отложения с помощью химического очистителя, проволочной щетки или скребка (требуется снятие головок).

Многие двигатели последних моделей оснащены датчиком детонации , который может выйти из строя.

Датчик детонации реагирует на вибрации в определенном диапазоне частот. Когда частоты, которые обычно возникают при детонации, обнаруживаются, датчик детонации сообщает компьютеру автомобиля о том, что нужно на мгновение приостановить зажигание, пока детонация не прекратится. В случае неисправности этот датчик станет неэффективным.

Если на вашем автомобиле горит индикатор «проверьте двигатель», возможно, у вас неисправен датчик детонации (среди прочего). Вы можете проверить систему бортового компьютера, считав код неисправности двигателя с помощью правильные инструменты. Или вы можете проверить датчик детонации, постукивая гаечным ключом по коллектору рядом с датчиком и наблюдая за изменением синхронизации. Если синхронизация не запаздывает, возможно, датчик неисправен. Чтобы определить причину, вам потребуется найти соответствующую диагностическую таблицу в руководстве по обслуживанию вашего автомобиля.

Обязательно прочитайте нашу предыдущую публикацию о том, как читать свечи зажигания.

Вы можете многое сказать о работе вашего двигателя, читая свечи зажигания. Например, если ваш 9Свечи зажигания 0009 кажутся желтоватыми, вздутыми или сломанными, они могут быть слишком горячими для применения. Попробуйте использовать свечи зажигания с более низким тепловым диапазоном, чтобы избежать потенциальной детонации. См. наш пост о диапазоне нагрева свечей зажигания для получения дополнительных советов.

Если ваш двигатель перегревается, то, скорее всего, возникнет детонация искры. Вот почему вы должны убедиться, что ваша система охлаждения находится в хорошем состоянии.