8.3. Детонационное сгорание в бензиновом двигателе

Увеличение степени сжатия бензиновых двигателей ограничено в связи с возможностью возникновения детонации. При этом явлении возникает неконтролируемое сгорание смеси уже после ее воспламенения искрой. Детонационное сгорание протекает с очень высокой скоростью и создает в цилиндре повышенные давление и температуру. Если этот процесс продолжается некоторое время, то двигатель повреждается.

Максимальная степень сжатия, применяемая в бензиновых двигателях, определяется видом и свойствами используемого топлива. Способность топлива противостоять детонации выражается его октановым числом, которое показывает, сколько частей изооктана в смеси с нормальным гептаном нужно иметь в эталонном топливе, чтобы в специальном двигателе CFR оно имело такую же способность противостоять детонации, как и испытываемое топливо. Степень сжатия двигателя CFR может быть изменена без его останова. Условия в этом специальном двигателе не соответствуют условиям в реальном автомобильном двигателе, поэтому два вида топлива в двигателе CFR с одинаковым октановым числом в каждом конкретном автомобильном двигателе ведут себя по-разному. Это зависит от химического состава топлива, формы камеры сгорания и от типа охлаждения двигателя.

Следует отметить, что производство топлива с высоким октановым числом дорого и из одной тонны нефти получить его можно меньше, чем топлива с низким октановым числом. Октановое число можно повысить с помощью антидетонационных присадок, которые, однако, содержат вредные вещества (свинец и т. п.). В данном параграфе будут рассмотрены возможности специальных изменений конструкции или регулировок двигателя в целях обеспечения возможности использовать в нем топлива с низким октановым числом.

Прежде всего необходимо объяснить, как возникает в двигателе детонация. После зажигания искрой свечи рабочей смеси в камере сгорания процесс сгорания развивается со скоростью, зависящей от температуры и давления рабочей смеси, типа топлива, состава смеси (соотношения между топливом и воздухом). Большое влияние на процесс сгорания оказывают также движение смеси перед ее зажиганием и температура стенок камеры сгорания и цилиндра.

Часть смеси, сгорающая первой в камере сгорания вблизи свечи, расширяется при повышенной температуре и сжимает остаток еще не сгоревшей смеси. По этой причине температура и давление несгоревшей смеси постоянно увеличиваются, и сама эта смесь оттесняется в места камеры сгорания, отдаленные от свечи. Если давление и температура в оставшейся несгоревшей смеси достигнут критических значений, то произойдет мгновенное воспламенение всей массы этой смеси, что вызовет резкий скачок температуры и давления. Такой тип сгорания называется детонационным и оно проявляется в виде характерного постукивания. Если это явление продолжается некоторое время, то происходит перегрев камеры сгорания и от ее горячих стенок свежая смесь самопроизвольно воспламеняется раньше, чем в свече зажигания возникает искра.

Это самопроизвольное воспламенение (называемое также калильным зажиганием) характерно тем, что может происходить как при включенном, так и при выключенном зажигании. Мощность двигателя в этих условиях быстро падает, а максимальная температура и давление при сгорании резко возрастают. У одноцилиндровых двигателей калильное зажигание проявляется через резкую остановку работы двигателя - как при его заклинивании. У многоцилиндровых двигателей такое преждевременное воспламенение, как правило, не происходит одновременно во всех цилиндрах, поэтому двигатель не останавливается, однако быстро теряет мощность. Причиной калильного зажигания могут являться также перегретые контакты свечи зажигания.

Условием, устраняющим детонацию, является обеспечение минимальной удаленности всех точек поверхности камеры сгорания смеси от свечи зажигания. Кроме того, необходимо учесть температуру стенок камеры сгорания. Объем смеси, сгорающий последним, должен располагаться в холодной части камеры сгорания; в первую очередь должна сгореть смесь, находящаяся в зоне с самой высокой температурой стенок, вблизи выпускного клапана.

Поскольку сгорание вблизи ВМТ протекает весьма быстро, рабочая смесь в зоне свечи сгорит первой и будет долго находиться в соприкосновении со стенками камеры сгорания. Тепловые потери в стенку малы в том случае, когда местная температура стенок достаточно высока (например, тарелка выпускного клапана). Зона вокруг впускного клапана имеет самую низкую температуру, и сюда должен оттесняться остаток несгоревшей смеси. Положение свечи зажигания обычно обусловлено общей концепцией двигателя. Тем не менее свеча должна располагаться как можно ближе к выпускному клапану, быть легко доступной и хорошо охлаждаться.

Опасность возникновения детонации можно устранить несколькими способами. Запаздывание зажигания сокращает время сгорания перед ВМТ поршня, и последние порции рабочей смеси догорают уже за ВМТ на такте расширения. Разогревание этих порций будет проходить медленно и детонация не возникнет. Однако при таком запаздывании зажигания уже будет невозможно достичь максимальной мощности двигателя и высокой топливной экономичности.

Влияние опережения зажигания и октанового числа топлива на мощность двигателя показано на рис. 53 и в табл. 6.

Таблица 6. Влияние октанового числа и опережения зажигания на мощность двигателя на границе детонации

Рис. 53. Влияние угла опережения зажигания Θ_з и октанового числа топлива на мощность двигателя N_e

Экспериментальный двигатель со степенью сжатия ε = 7,25 достигает полной мощности при опережении зажигания в 23° и на границе детонации требует топлива с октановым числом 98. Из рис. 53 и табл. 6 видно, что при использовании топлива с октановым числом 93 необходимо уменьшить опережение зажигания до 11°. При этом мощность двигателя упадет до 95 %. Требования к октановому числу при этом опережении уменьшаются.

Эти особенности можно использовать для снижения удельного расхода топлива при частичной нагрузке двигателя. Степень сжатия у двигателя необходимо увеличить так, чтобы при частичной нагрузке удельный расход топлива уменьшился и увеличилась мощность. Однако при полностью открытой дроссельной заслонке двигатель будет работать с детонацией. Устранить это можно уменьшением опережения зажигания, например, с помощью вакуумного регулятора. Хотя при этом не будет достигнута максимальная мощность двигателя, но при его частичной нагрузке расход топлива уменьшится. При современном уровне развития электроники обеспечение автоматического регулирования опережения зажигания на основе постоянного слежения за параметрами процесса сгорания в двигателе уже не представляет больших трудностей и способствует снижению расхода топлива при работе двигателя с частичной загрузкой.