Порушення процесу згоряння в карбюраторних двигунах

Детонація

В міру поширення фронту полум'я від іскри незгоріла суміш буде нагріватися і стискуватися внаслідок росту тиску при згорянні. У цій частині свіжої суміші можуть створитися умови для ініціювання хімічних реакцій, тобто виникнення вогнища самозапалювання. Самозапалювання цієї частини заряду називається детонацією. Хімічно підготовлена остання частина заряду самозаймається з величезною швидкістю, у результаті чого утвориться ударна хвиля.

Детонація - результат різкої зміни швидкості згоряння в зв'язку з надмірним утворенням перекисів в останній частині робочої суміші.

У виниклій ударній хвилі тиск і щільність суміші змінюються стрибкоподібно. Хвиля, що має високу температуру, рухається по КЗ і підпалює іншу суміш. Швидкість ударної хвилі вище швидкості звуку: U_ПЛ = 1500-2500 м/с (при нормальному згорянні U_ПЛ = 15-20 м/с.)

У результаті взаємодії ударної хвилі зі стінками внутріциліндрового простору і відображення її від цих стінок з частотою 5000-7000Гц виникає дзвінкий металевий стукіт такої ж частоти. Віддача тепла при зіткненні ударної хвилі зі стінками виходить надмірної, що приводить до вигоряння металу.

Зовнішні ознаки детонації.

1. Крива тиску на індикаторній діаграмі наприкінці процесу згоряння має пилкоподібний вигляд.

2. Характерний металевий звук.

3. Перегрів двигуна, у результаті різко знижує його економічність.

4. Падіння потужності двигуна.

5. Чорний дим на вихлопі. В ударній хвилі при високої температури йдуть реакції дисоціації з утворенням вільного вуглецю С (сажі). Відпрацьовані гази мають колір чорного диму.

СО₂®С+О₂.

Фактори, що впливають на виникнення детонації.

1. Хімічний склад палива:

а) груповий склад палива - парафіни, олефіни, ароматичні вуглеводи; парафіни детонують більше, ніж олефіни, олефіни більше, ніж нафтени і т.д.

б) молекулярна маса. Палива з більшою молекулярною масою детонують сильніше.

в) структура молекул. Вуглеводи, що мають нормальну будівлю, детонують сильно, а вуглеводи з розгалуженою структурою детонують слабко.

У цілому фізико-хімічні властивості палива оцінюються октановим числом, що вказує на стійкість палива проти детонації. Чим більше октанове число, тим більше стійкість палива проти детонації.

Октанове число (ОЧ) показує процентний вміст ізооктану С₈Н₁₈ в еталонній суміші з Н-гептаном С₇Н₁₆, що детонує так само, як і випробуване паливо при стандартних умовах іспиту на спеціальному двигуні.

Для визначення ОЧ автомобільних бензинів прийняті два методи: моторний і дослідницький. У США прийнятий лише дослідницький метод визначення ОЧ палива. Дослідницький метод визначення ОЧ палива враховує роботу двигуна в умовах міського циклу.

Октанове число за моторним методом визначають у такий спосіб. Запускають спеціальний двигун на випробуваному паливі. При працюючому двигуні поступово підвищують ступінь стиску до моменту виникнення детонації. Потім, не змінюючи ступеня стиску, двигун переводять на роботу із сумішшю, що складається з ізооктану і Н-гептана. З них підбирають суміш, при якій двигун починає детонувати. Процентний вміст ізооктану в цій суміші - октанове число випробуваного палива.

Ізооктан детонує при ε = 7,7 і вище. Його октанове число прийняте за 100. Н-гептан детонує при ε = 2,8 і вище. Його октанове число = 0.

У таблиці приведені для різних палив октанові числа, що визначені по двох методах. Видно, що діізобутелен і бензол, а також автомобільні бензини АІ-93 і АІ-98, у залежності від методу іспиту мають різні октанові числа, тобто є чуттєвими до режиму роботи двигуна. Ізооктан є нечуттєвим до детонації, тому його прийняли як еталонне паливо.

2. Ступінь стиску. Її збільшення підвищує тиск, температуру і сприяє детонації.

3. Тип системи охолодження. Двигуни з повітряним охолодженням мають більш високу температуру в камері згоряння і більш схильні до детонації.

4. Частота обертання вала двигуна. З її зростанням зростає швидкість поширення полум'я, у результаті чого в незгорілій суміші не встигають виникнути вогнища самозапалювання (остання частина суміші підпалюється фронтом полум'я, що рухається від свічі) тому схильність двигуна до детонації помітно знижується.

5. Діаметр циліндра. При його збільшенні подовжується шлях, що проходить полум'я, і за час процесу згоряння, ініційованого іскрою, в останніх порціях суміші встигають пройти реакції окислювання, що приводять до ланцюгового вибуху – детонації. Отже, збільшення діаметра циліндра сприяє виникненню детонації.

Виникненню детонації сприяють і інші фактори, що підвищують тепловий стан двигуна, наприклад, збільшення кута випередження запалювання й ін.

Методи усунення детонації

1. Підвищення антидетонаційної стійкості бензину шляхом:

а) добавки в бензин високооктанового компонента, наприклад, бензолу;

б) добавки в малих кількостях антидетонаторів, що знижують займистість палив - присадки ТЕС і ЦТМ.

Присадка ТЕС - тетраетілсвинець Pb(C₂H₅)₄, що у кількості 54% входить до складу етилової рідини, яка складається з ТЕС, виносія і фарби. Додавання ТЕС в автомобільні бензини різко підвищує їх октанове число. Тетраетілсвинець дуже отрутний. Крім того, фарба для бензину викликає злоякісні захворювання в людини. У Києві і Кримській зоні відпочинку бензини з антидетонаторами не застосовують.

ЦТМ – циклопентадіенілтрикарбонілмарганець MnC₅H₅(CO)₃. Токсичність ЦТМ у 300 разів менше ТЕС. Недоліком ЦТМ є те, що при роботі двигуна з цією присадкою нагар на свічі стає електропровідним, з'являються пропуски запалювання, і незгоріла суміш, що зібралася на вихлопі, вибухає.