Стук двигателя - Engine knocking

"Pinging" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Пинг (значения).

Стук (также стучать, детонация, искровой удар, звон или же пинк) при искровом зажигании двигатель внутреннего сгорания происходит при сгорании некоторых воздушно-топливная смесь в цилиндре не возникает в результате распространения фронта пламени, воспламененного свеча зажигания, но один или несколько карманов топливовоздушной смеси взрываются за пределами нормального фронта горения. Заряд топливовоздушной смеси предназначен для воспламенения только от свечи зажигания в точной точке хода поршня. Детонация возникает, когда пик процесса сгорания больше не происходит в оптимальный момент для четырехтактный цикл. Ударная волна издает характерный металлический «звенящий» звук, и давление в цилиндре резко возрастает. Эффекты детонации двигателя варьируются от несущественных до полностью разрушительных.

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

Явление детонации было описано в ноябре 1914 года в письме от Lodge Brothers (производители свечей зажигания и сыновья сэра Оливер Лодж ) урегулирование дискуссии о причинах появления «конкинга» или «розового шума» на мотоциклах. В письме они заявили, что раннее возгорание может вызвать детонацию газа вместо обычного расширения, а звук, производимый при взрыве, 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 неудач в авиационные двигатели.[2]

Нормальное горение

В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Горение запускается свечой зажигания примерно на 10-40 градусов поворота коленчатого вала до верхняя мертвая точка (ВМТ), в зависимости от многих факторов, включая скорость двигателя и нагрузку. Это опережение зажигания дает время для того, чтобы процесс сгорания развил максимальное 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 увеличения размера его тепловыделение увеличивается, что позволяет ему расти с ускоренной скоростью, быстро расширяясь через камеру сгорания. Это увеличение происходит из-за прохождения фронта пламени через саму горючую топливно-воздушную смесь и из-за турбулентности, которая быстро растягивает зону горения в комплекс пальцев горящего газа, которые имеют гораздо большую площадь поверхности, чем простой сферический шар 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 обеспечивает наилучшее восстановление силы от расширяющихся газов, таким образом увеличивая крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал.[3][4]

Ненормальное горение

Основная статья: Холодное пламя

Когда несгоревшая топливно-воздушная смесь выходит за границу фронт пламени подвергается воздействию тепла и давления в течение определенного времени (сверх периода задержки используемого топлива), детонация может возникнуть. 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 стук может привести к катастрофическому отказу в виде расплавленных физических отверстий, проталкиваемых через поршень или же крышка цилиндра (то есть разрыв камера сгорания ), любой из которых сбрасывает давление в поврежденном цилиндре и вводит в масляную систему крупные металлические фрагменты, топливо и продукты сгорания. Заэвтектические поршни как известно, легко ломаются от таких ударных волн.[4]

Детонацию можно предотвратить одним или всеми из следующих методов:

  • замедление момента зажигания
  • использование топлива с высоким октановое число, что увеличивает температуру сгорания топлива и снижает склонность к детонации.
  • обогащение соотношение воздух-топливо который изменяет химические реакции во время горения, снижает температуру горения и увеличивает запас по детонации
  • снижение пикового давления в цилиндре
  • уменьшение давление 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 с помощью коэффициент сжатия снижение, рециркуляция выхлопных газов, соответствующая калибровка двигателя момент зажигания график и тщательное проектирование камер сгорания и системы охлаждения двигателя, а также контроль начальной температуры всасываемого воздуха.

Добавление определенных материалов, таких как свинец и таллий будет очень хорошо подавлять детонацию при использовании определенных видов топлива.[нужна цитата ] Добавление тетраэтилсвинец (TEL), растворимое органическое соединение свинца, добавляемое в бензин, было обычным явлением до тех пор, пока его производство не было прекращено по причине токсического загрязнения. Свинцовая пыль, добавляемая во всасываемую загрузку, также снижает детонацию при использовании различных углеводородных топлив. Марганец составы также используются для уменьшения детонации бензинового топлива.

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

Для возникновения детонации сначала должны произойти определенные химические изменения, поэтому топливо с определенными структурами имеет тенденцию к детонации легче, чем другие. Разветвленная цепь парафины имеют тенденцию сопротивляться ударам, в то время как парафины с прямой цепью легко удаляются. Это было теоретически[нужна цитата ] что свинец, пар и т.п. мешают различным окислительным изменениям, происходящим 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 вдыхании двигателя, но и при сжатии и сгорании смеси. Многие поршни предназначены для использования "хлюпать" турбулентность для интенсивного перемешивания воздуха и топлива вместе при их воспламенении и сгорании, что значительно снижает детонацию за счет ускорения горения и охлаждения несгоревшей смеси. Один из примеров - все современные боковые клапаны или двигатели с плоской головкой. Значительная часть свободного пространства над поршнем находится в непосредственной близости от днища поршня, что создает сильную турбулентность вблизи ВМТ. На заре создания головок боковых клапанов этого не было, и для любого топлива приходилось использовать гораздо более низкую степень сжатия. Также такие двигатели были чувствительны к опережению зажигания и имели меньшую мощность.[4]

Стук более или менее неизбежен в дизельные двигатели, 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 есть некоторое количество топлива, которое воспламенится первым в областях с большей плотностью кислорода до сгорания всего заряда. Это внезапное повышение давления и температуры вызывает характерный для дизельного двигателя "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 позволяет значительно снизить детонацию, а в современных двигателях используется электроника. Аккумуляторная топливная система инъекции имеют очень низкий уровень детонации. Двигатели, использующие непрямая инъекция обычно имеют более низкий уровень детонации, чем непосредственный впрыск 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, так как 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

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 датчик которые способны преобразовывать колебания в электрический сигнал). Если обнаруживается характерный пик давления детонационного сгорания, момент зажигания замедляется с шагом в несколько градусов. Если сигнал нормализуется, указывая на управляемое 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, например, детонации. при работе на низкооктановом топливе.[5]

Ранний пример этого - в с турбонаддувом Двигатели Saab H, где система под названием Автоматический контроль производительности использовался для снижения давления наддува, если это приводило к детонации двигателя.[6]

Прогнозирование детонации

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 горения 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, оказались наиболее эффективными при определении рабочих пределов детонации и позволили инженерам определить наиболее подходящую стратегию эксплуатации.

Контроль детонации

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] Спроектировать контроллеры детонации на детерминированной платформе невозможно. 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 разработки и оценки характеристик различных стратегий управления детонацией со строгими статистическими свойствами.

Рекомендации

  1. ^ Письмо Lodge Brothers & Co Ltd, Motor Cycle, 12 ноября 1914 г., стр. 528
  2. ^ "Авиационное топливо | Абадан | Мировая война | 1951 | 2155 | Летный архив". В архиве из оригинала 18 марта 2016 г.. Получено 16 марта 2016.
  3. ^ а б Джек Эрджавек (2005). Автомобильные технологии: системный подход. Cengage Learning. п. 630. ISBN  978-1-4018-4831-6.
  4. ^ а б c d Х.Н. Гупта (2006). Основы двигателей внутреннего сгорания. PHI Learning. С. 169–173. ISBN  978-81-203-2854-9.
  5. ^ https://www.europa-lehrmittel.de/t-15/modern_automotive_technology_fundamentals_service_diagnostics-84/?language=en
  6. ^ «Турбокомпрессор с мозгом». Популярная наука. Бонье. 221 (1): 85. Июль 1982.
  7. ^ «Передовые технологии моделирования». cmcl инновации, Великобритания. Архивировано из оригинал 9 апреля 2011 г.. Получено 12 июн 2010.
  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. Дои:10.1109 / TCST.2016.2603065. ISSN  1063-6536. S2CID  8039910.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка