Двигатель детонирует: Детонация двигателя: причины, способы устранения | SUPROTEC

Детонирует двигатель, что делать — MegaSOS

 

Причина детонации двигателя после выключения зажигания случается по разным причинам, но чаще всего это может происходить из-за самовозгорания топлива. Попытаемся разобраться, что нужно делать в данной ситуации.

Что такое детонация двигателя?

Процесс детонации довольно неприятное и нежелательное действие во-время работы двигателя, потому что это процесс неконтролируемого и ускоренного сгорания топлива, что может привести к ненужным дополнительным нагрузкам кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы.

При детонации двигателя возникает характерный металлический звук, чаще всего такой звук появляется при работе мотора на низкокачественном топливе. Большинство автовладельцев не сразу различают звук детонации, думая, что это звук стука поршневых пальцев или стук клапанов.

Обычно детонация возникает после выключения зажигания при заглушенном двигателе. Длительность детонации обычно несколько секунд, но бывает, что время детонации может достигать 10-15 секунд.

В любом случае, сколько бы по времени не длилась детонация, сам процесс этого ненормального явление и необходимо разбираться, и решать эту проблему самостоятельно или при помощи специалистов.

Причины появления детонации

Первое что нужно сделать при появлении детонации двигателя, это определить, когда же она возникла в первый раз, например, после заправки низкокачественным топливо или с пониженным октановым числом или произошли сбои в системе зажигания или может после длительной работы силового агрегата без нагрузки, и прочее.

Так же рекомендуется проверить реакцию двигателя при изменениях режимов. Если двигатель бензиновый, то обычно детонация появляется при большой нагрузке на высоких оборотах. Если двигатель с дизельной системой питания, то детонация происходит при небольшой нагрузке на высоких оборотах.

Детонация двигателя бывает постоянная и кратковременная. Если кратковременная детонация никак негативно не сказывается на работе двигателя, а даже чуть улучшает его работу, то постоянная детонация очень плохо отражается на работе мотора, и может привести к серьёзным неисправностям.

• Если вы почувствовали признаки детонации, обратите внимание на состав выхлопов. Если в выхлопных газах наблюдаются чёрные или зелёные оттенки, то скорее всего детонация происходит в цилиндрах автомобиля. Это может привести к серьёзному ремонту, потому что такой дым из выхлопной трубы появляется при критическом уровне детонации и в результате разрушения элементов поршневой группы.
• Также детонация может возникать, как мы отметили выше, после того, как вы заправили автомобиль топливом низкого качества. Но не нужно сразу регулировать угол зажигания. Результатом возникновения металлического звука может быть нагар, который собрался на внутренних стенках цилиндровых втулок. Обычно, после заправки рекомендуют проехать километров 50, если детонация не пропадёт, то можно попробовать отрегулировать угол зажигания, если это не помогло, значит проблема может быть в сильном износе какого-то из узлов поршневой группы.
• Если вы заправились топливом, с октановым числом ниже, чем предусмотрено производителем конкретного двигателя, также может произойти детонация, так как топливо с низким октановым числом используется для моторов с более низкой степенью сжатия, поэтому, если тип бензина не соответствует типу вашего двигателя, в результате происходит его очень быстрое сгорание, что пагубно отражается на состоянии двигателя и на работе всей системы.  

• Ранее зажигание также может быть причиной детонации двигателя, которое устанавливают обычно для того, чтобы двигатель был более восприимчив к открытию дроссельной заслонки, но помимо этого ещё и происходить более ранее воспламенение воздушно-топливной смеси в момент движения поршня вверх, в результате чего происходит сильный перегрев.
• Нагар на стенках цилиндра приводит к детонации. Образовавшие на стенках цилиндра отложения уменьшают объём цилиндра, в результате чего увеличивается сжатие, которое вызывает детонацию. Чтобы избавиться от нагара, попробуйте сначала воспользоваться моющими присадками, а затем заменить топливо.
• Установка неподходящих свечей зажигания, также является одной из причин детонации двигателя. Желательно использовать те свечи зажигания, которые рекомендуют производители. Неправильно подобранные свечи создают условия для неправильного сжигания топлива, также они могут привести к повышению температур ходовых частей и наращиванию сгорания в камере.  

Другие причины детонации – грязный или забитый топливный фильтр; ограниченные топливные инжекторы; неисправные форсунки; нарушения в работе топливного насоса; проблемы охлаждения двигателем и т.д.

Как уменьшить вероятность появления детонации?

После того как мы разобрались, что же такое детонация двигателя и почему она возникает, попробуем выяснить, что же может помочь нам избавиться от неё.

Избежать детонации позволяет высокая скорость, так как она способствует сокращению время сжигания. Происходит максимальное давление, в результате чего снижается смесь воздух — топливо и не подвергается воздействию высоких температур. Для того, чтобы получить ускорение и избежать детонации, переключаемся на одну-две передачи ниже и снова ускоряемся.

Можно также отметить, что повышенная влажность понижает риск возникновения детонации, так как большое количество воды в воздухе помогает снижать температуру горения.

Самые часто используемые действия, которые используют автовладельцы, чтобы добиться максимальной производительности без детонации:

• пользоваться топливом с более высоким октановым числом;
• торможение на опережения зажигания;
• понижение температур в камере сгорания, это можно сделать при помощи нагнетания воды или с помощью интеркулера. В результате чего, охладитель будет принимать входящий нагнетённый воздух и передавать его через воздушных охладителей, тем самым понижая температуру.

Детонация дизельного двигателя, причины и последствия

Одна из проблем, с которыми иногда сталкиваются автовладельцы – это детонация двигателя, которая может произойти и на холостом ходу, и в других режимах работы силовой установки. Неполадка не только становится причиной серьезных поломок, но и нередко приводит к разрушению деталей мотора. Каковы причины детонации, какие двигатели больше всего подвержены столь опасному явлению, как уменьшить риск детонирования – все это и многое другое станет темой нашего сегодняшнего разговора.

Понятие детонации, как она происходит

Случается, что возгорание топливовоздушной смеси происходит до того, как свеча накаливания, находящаяся непосредственно в цилиндре, обеспечивает правильное воспламенение при низкой температуре воздуха. Это явление, которое сопровождается сильным горением солярки, и называют детонацией дизельного двигателя. 

Детонация дизеля, внешние проявления и причины

Читайте также: Турбонаддув грузовых дизельных автомобилей

Говоря о детонации дизельного двигателя и ее причинах, важно отметить следующее. Моментальное сгорание топлива вызвано тем, что весь объем топливной смеси воспламеняется одномоментно, а не постепенно. К тому же процесс запускается раньше, еще до расчетного угла оборота коленвала, когда поршень не достиг так называемой ВМТ. 

Загорание смеси топлива и воздуха фактически и является мини-взрывом, давление от которого воздействует на стенки цилиндра, а также на днище поршня, поднимающегося навстречу газам. Вследствие удара возникают звуковые волны, и становится слышен неприятный звон.

Помимо возникновения посторонних звуков во время работы силовой установки явным признаком детонации двигателя при разгоне является изменение цвета и состава выхлопных газов. К другим внешним признакам детонации необходимо отнести следующее:

• снижение температуры выхлопных газов;
• черный дым из выхлопной системы;
• неустойчивая работа движка и как результат – потеря управления им;
• кратковременное падение мощности;
• критическое повышение температуры деталей мотора.

Причины возникновения мини-взрыва зависят от многих факторов, в частности, от того, в какой именно момент этот взрыв произошел. Так, к детонации при запуске двигателя обычно приводит обеднение топливной смеси из-за засоренности форсунок. Чтобы обнаружить засор, выполняют проверку всех фильтров в топливной системе. Обычно после прогрева нормальная работа восстанавливается, детонация прекращается.

К детонации дизельного двигателя при разгоне приводит:

• вышедший из строя датчик заслонки;
• топливо низкого качества;
• уже упомянутая нами выше засоренность форсунок или их неисправность.  

Эксперты утверждают, что после возобновления работы датчика заслонки силовая установка работает нормально при любых условиях, в том числе и на повышенных оборотах. В таком случае определить наличие или отсутствие детонации можно только при выключенной передаче под большой нагрузкой. 

Мини-взрыв проявляется исключительно во время движения транспортного средства, детонация двигателя при выключении зажигания невозможна. Если водителя настораживают посторонние звуки или иные признаки неисправности, причины следует искать в другом, поэтому рекомендуется немедленно обратиться на СТО. 

Датчик детонации

Читайте также: Гидроудар двигателя — как происходит и как его избежать

Не так давно в продаже появилось устройство, именуемое датчиком детонации дизельного двигателя. Речь идет о специальной детали, которая мониторит уровень детонации во время работы ДВС. 

Устанавливают устройство обычно в блоке цилиндров.

Делают это для того, чтобы получить максимальную мощность силового агрегата и без ущерба для него добиться оптимальных показателей топливной экономичности. Датчик необходим для своевременной подачи на электронный блок управления сигнала о возникновении детонации, превысившей допустимый порог.

Как устранить детонацию в дизеле

Прежде чем устранять детонацию, важно определить причину ее возникновения. В подавляющем большинстве случаев это неправильный угол зажигания и обедненная топливно-воздушная смесь, вызванная некачественной соляркой. 

Для устранения детонации обычно делают следующее:

• Эксплуатация мотора на более высоких оборотах, когда время сгорания топлива в сочетании с максимальным давлением заметно сокращается. 
• Применение интеркулера, чтобы воздух перед попаданием в цилиндры охладился.
• Использование качественной солярки.
• Торможение силовой установки для опережения момента зажигания.

Последствия детонации

Закажите спецтехнику на нашем сайте: Аренда спецтехники в России

Во время детонации температура в камере сгорания поднимается до 3,5 тыс. градусов. Стремительно возрастает и давление, нагрузка на мотор становится критической. Особенно плачевно все это может закончиться для современных моторов, сделанных из сплава алюминия. Последствия детонации двигателей могут быть следующими:

• перегрев и поломка деталей мотора;
• потеря мощности;
• разрушение перегородок в кольцах поршней;
• выгорание прокладки, расположенной под блоком цилиндров.

В сложных случаях высок риск проворачивания КШМ, что ведет к вращению коленвала в противоположном направлении. В конечном итоге это ведет к разрушению узлов силовой установки и необходимости сложного ремонта. 

Заключение

Детонация двигателя – явление крайне неприятное, способное повлечь за собой плачевные последствия. Именно поэтому при появлении малейших признаков возникновения в дизельном моторе мини-взрывов необходимо обратиться в сервисный центр для обнаружения причины неисправности и своевременного ее устранения.

Детонация дизельного двигателя

Поиск запроса «детонация дизельного двигателя» по информационным материалам и форуму

Детонация двигателя, что это такое, причины, методы диагностики

С детонацией двигателя сталкивался каждый автовладелец. Чаще всего она возникает сразу же после выключения зажигания. Почему это происходит и как устранить детонацию?

Что такое детонация двигателя

По своей сути, это микро удары внутри двигателя, которые приводят к резкому увеличению нагрузки на цилиндры и поршни мотора.

Поэтому детонация является нежелательным явлением, приводящим к дополнительным нагрузкам на двигатель. В ходе данного явления топливо сгорает не контролировано и это негативно влияет на всю работу двигателя.

Температура в камере сгорания в этот момент может достигать до 3500 градусов.

Причины детонации

Причин может быть много, но к основным можно отнести следующие:

1. Некачественное топливо;
2. Ранее зажигание;
3. Перегрев мотора;
4. Образование большого нагара в цилиндрах;
5. Не правильный стиль вождения автомобиля;
6. Продолжительные холостые обороты двигателя под нагрузкой;
7. Обедненная топливная смесь (характерно для карбюраторных автомобилей).

К чему может привести детонация

1. Резкий перегрев двигателя;
2. Снижению мощности мотора;
3. Повышенный расход топлива;
4. Выход из строя цилиндропоршневой группы;
5. Коррозии цилиндров и поршней двигателя;
6. Прогорание прокладки головки блока цилиндров;
7. Трещины поршня;
8. Пробитие головки БЦ;
9. Повреждение вкладышей.

Некачественное топливо

Если показатель октанового числа залитого топлива меньше, чем необходимо для данного двигателя, то процесс детонации неизбежен.

При несоответствии октанового числа топлива (как правило, оно меньше чем нужно), происходит процесс его активного сгорания, этот процесс настолько быстрый, что сгорание напоминает небольшой взрыв внутри камер.

К примеру, по инструкции положено заливать в бак бензин АИ-98, а водитель заливает АИ-95.

Происходит выделение большого объема тепловой энергии, и под давлением выброс энергии приводит к детонации, т.е. внутреннему микровзрыву, который ощущается водителем в виде детонационных толчков.

Кроме несоответствия октанового числа топлива, детонацию может вызвать просто некачественное топливо, которое произведено с нарушением всех требований и норм.

Некоторые водителя, чтобы не использовать более дорогое высокооктановое топливо, но при этом не допустить детонации двигателя, устанавливают более позднее зажигание.

По отзывам экспериментаторов, данное действие спасает ситуацию, так как топливная смесь начинает воспламеняться вовремя, полностью сгорает без выделения лишнего тепла и создания большего давления в цилиндрах.

Но каждый водитель делает это на свой страх и риск.

Читайте также:

Ранее зажигание

Другая причина, по которой может происходить детонация может являться ранее зажигание.

Настройки зажигания таковы, что происходит слишком раннее возгорание воздушно-топливной смеси, что ведет к перегреву и провоцирует внутренний перегрев двигателя и деталей, приводя тем самым к процессу детонации.

Для устранения такой детонации, нужно отрегулировать зажигание, проверить его угол. Причина детонации может быть в свечах зажигания.

Если они не соответствуют по своим техническим характеристикам, рекомендованным производителем двигателя, либо просто являются некачественными.

Для этого необходима их проверка и при необходимости замена.

Перегрев мотора

Третья причина, которая может вызывать детонацию – перегрев мотора. При соответствии топлива и нормально выставленном зажигании, проверьте уровень охлаждающей жидкости в расширительном бачке, работу термостата, радиатор.

Образование большого нагара в цилиндрах

Причиной образования нагара на стенках цилиндра двигателя является использование не качественного масла и топлива.

Если это произошло, то проводится раскоксовка двигателя.

Не правильный стиль вождения автомобиля

Игнорирование переключением передач с повышенной на пониженную при выходе из поворота.

При преодолении подъема средней продолжительности, когда в начале подъема 5-й передачи вроде бы как хватает, а в конце подъема нет, но водитель все равно продолжает выжимать из двигателя последние силы, не удосужившись перейти на 4-ю или 3-ю передачи.

Вот и получите стук металла об метал (похож на стук металлических шариков) внутри двигателя, именно так в основном проявляется детонация последнего.

В некоторых моделях авто устанавливаются специальные датчики, которые информируют водителя через электронные устройства об самом этом явлении и его частоте.

Холостой режим работы двигателя

Многие водителя совершают ошибку, двигаясь на автомобиле, при этом держа обороты двигателя в пределах холостого хода.

Это же происходит зимой, с целью прогрева двигателя и трансмиссии.

Причина этого лежит либо по незнанию, что так делать нельзя, либо по стремлению таким образом сэкономить топливо.

Именно в этот момент увеличивается вероятность возникновения детонации двигателя.

Детонация или самовоспламенение смеси

По неопытности можно перепутать эти два явления.

Самовоспламенение смеси происходит в результате сильного перегрева двигателя. При этом в конце такта сжатия температура топливной смеси становиться выше нормы, и она не контролировано вспыхивает.

Так же если двигатель сильно закоксован, то горячий нагар на его стенках в результате соприкосновения с топливной смесью может воспламенить ее.

Чтобы разделить эти два явления нужно заглушить двигатель отключив зажигание. Если мотор глохнет не сразу, то скорее всего внутри него происходит такое явление, как детонация.

Читайте также:

Подводим итог

Нет никаких сомнений, детонация двигателя, это вредное явление, которое требует комплексного подхода для его устранения.

Но в первую очередь следует выяснить его причины, которых может быть несколько.

Но все же для начала идите от простого к сложному и попробуйте заменить тип использованного топлива.

В большинстве случаев это снижает вероятность возникновения детонации двигателя и продлеваем его работу.

Двигатель детонирует. Определение и устранение неисправностей своими силами в автомобиле

Читайте также

6.

Вечный двигатель Редхеффера

6. Вечный двигатель Редхеффера Филадельфия — город, являющийся с самого начала своего существования крупным административным и промышленным центром Соединенных Штатов Америки, — стал родиной нескольких весьма примечательных вечных двигателей. Сегодня в

10. «Вечный Двигатель» Кокса

10. «Вечный Двигатель» Кокса Сентиментальному читателю эта книга может показаться своеобразной хроникой заблуждений, историей несбывшихся надежд, повестью о мудрецах, доведенных до отчаяния, и о глупцах, превратившихся в шарлатанов.И все-таки был человек, который

Двигатель перегревается

Двигатель перегревается Неисправности системы охлаждения Слабое натяжение ремней вентилятора, износ, пробуксовка. Натяжение ремня вентилятора регулировать изменением положения генератора. При слабом натяжении ремень проскальзывает, при большом – излишне

Двигатель при трогании с места глохнет

Двигатель при трогании с места глохнет Неисправности карбюратора Уровень бензина в поплавковой камере превышает норму. Проверить герметичность игольчатого запорного клапана. Попавшую грязь и мелкие соринки убрать. В случае попадания топлива в латунный поплавок

Двигатель долго не прогревается

Двигатель долго не прогревается Неисправности системы охлаждения Заедание в открытом положении клапана термостата. Основной клапан постоянно открыт, и циркуляция осуществляется только по «большому кругу». Термостат неисправен. Пока двигатель холодный, охлаждающая

Строим солнечный двигатель

Строим солнечный двигатель Солнечный двигатель часто используется в качестве бортового источника тока, применяемого в BEAM-роботах, которых часто называют «живущими» роботами (см. обсуждение BEAM-роботов в главе 8). Свое распространение солнечные двигатели получили

Как был создан пороховой ракетный двигатель

Как был создан пороховой ракетный двигатель Пороховые ракетные двигатели исторически появились значительно раньше, чем какие бы то ни было другие реактивные двигатели.Нельзя достоверно сказать, кто и когда изобрел первый пороховой ракетный двигатель.Имеются указания

4. РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ (ЖРД)

4. РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ (ЖРД) Работы Константина Эдуардовича Циолковского Благодаря своим особенностям пороховые ракетные двигатели и жидкостно-реактивные двигатели (ЖРД) как бы взаимно дополняют друг друга в отношении своего применения. Пороховые

Мотор Сич» предложил двигатель для SSJ 100

Мотор Сич» предложил двигатель для SSJ 100 Генеральный директор украинской компании «Мотор Сич» Вячеслав Богуслаев предлагает устанавливать на новый региональный самолет Sukhoi Superjet 100 (SSJ 100) одну из модификаций двигателя Д-436, выпускаемого на «Мотор Сич». По его словам, в

Глава IV. Двигатель-рекордист

Глава IV. Двигатель-рекордист В этой главе рассказывается об изобретенном Циолковским жидкостном ракетном двигателе, об одержанных им замечательных победах, о его необычайной «прожорливости» и роли в авиации будущего.Чтобы двигатель не нуждался в окружающем нас

6.6.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ. СИСТЕМЫ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ (ТП — Д) И ИСТОЧНИК ТОКА — ДВИГАТЕЛЬ (ИТ — Д)

6.6.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ. СИСТЕМЫ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ (ТП — Д) И ИСТОЧНИК ТОКА — ДВИГАТЕЛЬ (ИТ — Д) В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие

Двигатель не запускается [2]

Двигатель не запускается [2] Рис.  3. Схема включения стартера с помощью дополнительного провода. Рис. 4. Схема проверки наличия напряжения на выводе 50 выключателя зажигания: 1 – штекерная колодка жгута проводов к выключателю зажигания; 2 – наконечник провода вывода 50; 3

Двигатель перегревается

Двигатель перегревается

Двигатель детонирует

Двигатель детонирует

Предпусковой двигатель

Предпусковой двигатель Устанавливают на некоторых двигателях. Служит предпусковой двигатель для прогрева двигателя зимой, при температуре ниже – 20 градусов. Основные части предпускового двигателя: Рис. Предпусковой подогреватель, 1 – переключатель, 2 – включатель

причины, как устранить, последствия, видео

Неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси способно привести к разрушению деталей цилиндропоршневой группы. В статье рассмотрим, что такое детонация двигателя, причины, которые ее провоцируют, и последствия.

Горение топливно-воздушной смеси

Невозможно понять, почему происходит детонация, без представления о нормальном воспламенении топливно-воздушной смеси (далее ТПВС):

• за несколько градусов до ВМТ свеча подает искру, воспламеняя ТПВС;
• фронт пламени начинает расходиться от электрода, где был первоначальный очаг, к стенкам камеры сгорания;
• если угол опережения зажигания (далее УОЗ) был подобран верно, то примерно к 10º после ВМТ в камере сгорания образуется максимальное давление горения. В этот момент поршень занимает позицию, при которой воздействие энергии на плечо сформирует максимальную вращательную силу кривошипа.

Несмотря на то что поджигание смеси происходит до ВМТ, следовательно, на поршень действует замедляющая его энергия, положительная сторона гораздо более значительна. Ведь самый важный момент – приложить усилие к поршню в момент, когда рычаг позволит получить максимальный крутящий момент. Именно плавное возгорание смеси позволяет достигнуть такого эффекта.

Определение

Детонация двигателя – самопроизвольное воспламенение ТПВС, характеризующееся высокой скоростью распространения фронта пламени. Как вы можете теперь увидеть, «детон» имеет противоположную нормальному горению природу.

Основная характеристика детонационного воспламенения – скорость распространения волны (в этом случае очень удачно сравнение со взрывной волной). После подачи искры средняя скорость розростания горения 20-30 м/с. Скорость взрывной волны в момент, когда топливо детонирует, достигает 2000 тыс. м/с.

Разумеется, ничем хорошим для двигателя это не кончиться. Ударная волна «сносит» очаг воспламенения, спровоцированный свечей зажигания, ударяясь о стенки камеры сгорания. Взрывная волна создает резонирующее воздействие, которое проявляет себя звонким звуком во время работы двигателя. Именно по этому звуку можно понять, что в одном либо сразу нескольких цилиндрах происходит детонирование.

Природа возникновения

С тем, что такое детонация двигателя, мы разобрались. Но что служит предпосылкой для ее возникновения?

Детонирует в камере сгорание не только топливо, но и масло, которые при неполном сгорании топливно-воздушной смеси остаются в камере сгорания. Вернемся к процессу горения. Во время начала воспламенения топливно-воздушной смеси от искры, пропорционально распространению фронта пламени, происходит повышение давления в камере сгорания. Также неминуемо повышается температура. В этот момент на периферии, то есть в полости камеры сгорания, куда еще не дошла волна горения смеси, начинаются предпламенные реакции. Иными словами, молекулы бензина начинают распадаться под действием температуры и давления. Распавшиеся частицы топлива очень легко поджечь. Поэтому, если в каком-то месте камеры сгорания температура слишком высока, это провоцирует самопроизвольное воспламенение частиц топлива.

Теперь нам ясны причины детонации двигателя. Но почему скорость ударной волны в процессе детонации намного больше той, что мы имеем после подачи искры? В гражданском двигателе давление в надпоршневом пространстве в момент достижения поршнем ВМТ – порядка 12 атм. Распространяющийся от искры фронт пламени, приводит к увеличению давления оставшейся полости. Поэтому давление, к примеру, около верхней стенки цилиндра может достигать 50-60 Атм. Именно поэтому скорость самовоспламеняющихся частиц гораздо больше тех, которые поджигаются искрой.

Причины

Факторы, провоцирующие появление детонации:

• несоответствие октанового числа топлива;
• несоответствие степени сжатия. Если вследствие проведения ремонтных работ, была увеличена степень сжатия, то заправка прежней маркой бензина может привести к детонации. Допустить такую оплошность очень легко, если шлифовать ГБЦ либо сам блок, а затем установить прежнюю по толщине прокладку ГБЦ. Если вы не хотите «умертвить» мотор, к вопросу степени сжатия стоит подходить очень серьезно. Учтите, что детонация двигателя может проявляться в жаркую погоду либо в определенном диапазоне оборотов;
• УОЗ. Слишком ранний угол может привести к «паразитному» давлению в некоторых местах камеры сгорания, что приведет к самопроизвольным взрывам;
• неправильное соотношение топлива и воздуха. Детонация мотора может возникнуть как в случае обедненной смеси, так и при переобогащении;
• нагар в камере сгорания. Образование отложений способствует закреплению частиц, которые после такта выпуска не покидают камеру сгорания. Сохраняя высокую температуру, они способствуют появлению в цилиндре детонации. Большое количество нагара приводит к заполнению полезного объема камеры сгорания, что может привести к появлению детонации.

Методы борьбы

Учитывая приведенные выше причины детонации, вам нужно следить за состоянием систем питания и зажигания. А также помнить о правилах выбора бензина.

Важнейшие составляющие топлива: изооктан и гептан. Изооктан, на противовес гептану, чрезвычайно устойчив к детонации. Именно соотношение изооктана к гептану и называют октановым числом бензина. Для большинства водителей выбор топлива стоит между АИ 92 либо АИ 95. Так вот 95 либо 92 и есть тем самым соотношением (к примеру, 92% изооктана и 8% гептана). Заправлять автомобиль нужно лишь той маркой бензина, которая рекомендована заводом-изготовителем. На рынке вы можете найти «Октан-корректор» либо «Октан-Бустер». Предназначение этих средств – повысить детонационную устойчивость топлива.

Среди прочих рекомендаций – периодически крутить двигатель до высоких оборотов. Постоянная езда «внатяг» либо работа двигателя  в диапазоне до 2 тыс. км приводит к ускоренному образованию нагара.

Последствия

К основным поломкам можно отнести:

• прогорание либо частичное оплавление поршня, вследствие аномально большой температуры. Также может произойти поломка перегородок между кольцами. Устранить неисправность поможет дорогостоящая капиталка;
• ускоренный износ ЦПГ. Детонация разрушает масляную пленку на стенках цилиндра, что приводит к сухому трению поршней;
• прогорание выпускных клапанов;
• перегрев двигателя;
• повышение температуры турбины, что может привести к ее поломке;
• высокая температура стенок цилиндра и поршня требует от колец проводить через себя большее количество тепла. Слишком высокая температура пагубно влияет на эластичность колец;
• оплавление электрода. Ситуация редкая и случается лишь в крайне запущенном состоянии.

Любителям экономить

Если вы заправляете современный автомобиль 92 бензином, в надежде сэкономить, то вас приятно удивит информация о системе зажигания инжекторного двигателя. Регистрируя возникновение детонации, ЭБУ «отодвигает» УОЗ. Такие меры помогают устранить детонацию, но приводят к потере динамических характеристик автомобиля. Соответственно, повышается расход, что сводит на нет все попытки экономии.

Тюнерам

Также будьте аккуратны с расчетами при форсировании мотора. В особенности детонации подвержены неправильно построенные турбированные моторы. Но не обходит стороной эта проблема и атмосферные ДВС. На отечественных просторах есть любители устанавливать 16-клапанные ГБЦ в моторы с поршневой от 8-клапанных двигателей. Многие даже не подозревают, что 16-клапанные Вазовские моторы имеют масляное охлаждение поршней. Поэтому установка одной лишь ГБЦ чревата увеличением температуры в цилиндре.

Езда внатяг

Движение внатяг – езда под нагрузкой на повышенной передаче. Случается такое, когда водитель резко добавляет газ, будучи на повышенной передаче, когда обороты двигателя не превышают 2500 тыс. Спровоцировать такую ситуацию может затяжной подъем, при котором водитель не сбрасывает скорость, а сильнее нажимает на педаль.

Езда внатяг, особенно на турбированном ДВС с малым объемом, создает благоприятные условия для возникновения детонации. Именно поэтому от такого способа вождения лучше отказаться.

Датчик детонации

Именно этот сенсор регистрирует посторонние резонансные частоты в цилиндре. Ориентируясь на показания датчика детонации, ЭБУ принимает решение о корректировании УОЗ. Если двигатель в исправном состоянии, а в баке правильный вид топлива, то поломка датчика не приведет к появлению детонации. Просто теперь ЭБУ не сможет адекватно реагировать на появление столь негативного явления.

Детонация двигателя: последствия и пути устранения

11 февраля 2020 Категория: Полезная информация.

Детонация смеси характеризуется ударной волной, повышением температуры в камере, а также повышенным коксованием. Часто в такие моменты можно услышать металлический стук в цилиндрах. В данной статье разбираются причины, последствия и пути устранения детонации двигателя.

 В статье:

Среди множества причин особое внимание уделяется таким, как:

• низкое цетановое число топлива;
• неполадки системы зажигания, приводящие к раннему или позднему воспламенению смеси;
• повышение уровня сжатия мотора из-за обильного нагара или внешнего воздействия на силовую конструкцию;
• перегрев мотора из-за нарушения работы охлаждающей системы;
• повышенное обогащение смеси из-за сбоя в процессе смесеобразования;
• особенности конструкции и эксплуатации двигателя.

Обычно горючее нагнетается за счет давления в цилиндре в момент такта сжатия. Однако при детонации смесь частично воспламеняется уже на непосредственном такте сжатия. После этого моментально создается ударная волна, охватывающая всю камеру сгорания, и образуется участок высокого давления.

Важно: детонация обычно делится на допустимую (кратковременную) и критическую (постоянную). Причем вторая может возникать при повышении нагрузки на двигатель при работе и даже на холостом ходу.

 Возможные последствия 

Детонация в цилиндрах часто происходит при воздействии 4 факторов: раннее зажигание, перегрев мотора, нагар в камере сгорания, а также обильная закоксовка ДВС.

К возможным последствиям детонации двигателя относят:

• повреждение кривошипно-шатунного механизма и ГБЦ;
• разрушение масляной защитной пленки;
• нарушение теплоотдачи раскаленных газов в цилиндрах;
• износ и уменьшение ресурса за счет постоянных ударных и термических нагрузок.

 Способы устранения 

Для устранения детонации инженерами были придуманы следующие решения, направленные на оптимально быстрое сгорание топлива и замедление окисления:

• увеличение оборотов двигателя — сократит время окислительного процесса и снизит вероятность непроизвольного воспламенения топливной смеси;
• турбулизация — смесь приобретает оптимальное вращение, за счет чего пламя в камере распространяется быстрее;
• уменьшение фронта пламени — обеспечивается за счет цилиндра меньшего диаметра и установки дополнительной свечи;
• форкамерно-факельное зажигание — детонация устраняется за счет воспламенения сначала обогащенной смеси в предкамере, а после обедненной в основной;
• использование ЭБУ — позволяет автоматически менять угол опережения и менять состав горючей смеси.

О том, как увеличить ресурс ДВС, можно узнать из этой статьи. 

Запчасти для дизеля найдёте в нашем каталоге

Посмотреть запчасти в наличии

Метки: Эксплуатация дизеля, Ресурс дизельного ДВС

Почему возникает детонация на холодном и горячем двигателе: основные причины

Дальше рассматривается только один тип двигателей – инжекторные. А у них, как известно, всем управляет блок ЭБУ: он регулирует подачу топлива, а также переключает ток в катушках зажигания. Главное, что под контролем ЭБУ находятся две важных цифры – угол опережения зажигания и насыщенность смеси. Интересно то, что других параметров, влияющих на появление детонации, назвать будет нельзя (их нет). А сама детонация – это горение, но проходящее в таком режиме, когда очаг воспламенения находится вдали от свечи. Проще говоря, если «нештатные» очаги есть, то есть и детонация. Ниже рассказывается о том, чем она, то есть детонация, может быть вызвана.

Признаки и последствия детонации двигателя

Все детали, составляющие конструкцию мотора, рассчитаны только на определённую температуру и давление. А не рассчитаны они на повышенные ударные нагрузки, которые сопровождают детонацию всегда. Снаружи двигателя слышится характерный звон (стук), а внутри происходит следующее: на деталях образуются очаги разрушения. Такие дефекты со временем не уменьшаются, а как раз наоборот. Срезанные, сорванные кромки поршней – это и есть результат детонации, которая появлялась регулярно.

Боковая поверхность и верхние кромки страдают в первую очередь

Её результатом может быть и пробой прокладки ГБЦ. Заметим, что само явление детонации сопровождается изменением выхлопа: состав меняется, цвет темнеет, температура понижается. Впрочем, всё это заметить сложно – детонация может появляться и исчезать. Остаётся надеяться на чуткость слуха, да на лампу Check Engine.

Даже появление устойчивой детонации не всегда приводит к срабатыванию индикатора. Например, при выходе из строя датчика дроссельной заслонки получается следующее: ЭБУ «думает», что всё нормально, а мотор «шпарит» на обеднённой смеси и при этом, конечно же, он будет «звенеть».

Почему «звенит» холодный двигатель

Детонация на холодном двигателе, если она действительно возникает, чаще будет обусловлена одним фактором – слишком обеднённой смесью в одном или нескольких цилиндрах. И тут надо смотреть, что стало причиной. Наиболее частой из этих причин становится засорение форсунок. Объём топлива, подаваемого на такте впуска, должен соответствовать числам, рассчитанным программой контроллера. В случае появления засора это правило не выполняется.

Форсунки иногда нужно чистить

Надо сказать, по мере прогрева эффект может исчезать полностью. Проверять нужно фильтр грубой очистки, затем фильтры на всех форсунках, ну а засорение самой форсунки – неприятность довольно серьёзная. И бороться с ней будет накладно с финансовой точки зрения.

Блок ЭБУ стремится компенсировать засор, варьируя разные параметры. Детонация при этом не возникает, однако снижается мощность. Но «регулирование», о котором шла речь, тоже имеет свои пределы – при значительной степени засорённости оно не помогает. Тогда зажигается лампа Check, а двигатель начинает «звенеть».

Пусть наблюдается детонация при запуске горячего двигателя – она появляется и сразу исчезает. Тот же эффект может обнаруживаться и при «холодном» запуске. В таком случае можно утверждать, что неисправен датчик детонации. Сам датчик выходит из строя редко, и скорее всего, проблема – в проводке. О наличии неисправности скажет включение лампы Check. Но пока обороты остаются низкими, на некоторых двигателях лампочка не срабатывает.

Появление детонации контролирует именно такой датчик

Блок ЭБУ, как мы говорили, регулирует два параметра: угол опережения зажигания, степень насыщенности смеси. Если сигнал, считываемый с датчика, полностью отсутствует, то ЭБУ выставляет значения на «разумный минимум». Смесь не будет слишком обеднённой, чтобы исключить детонацию. Но в первую секунду блок ЭБУ «не знает», что сигнал с датчика отсутствует, и параметры доводятся «до предела».

Проведите опыт: отключите, а через 5 минут снова подключите любую клемму АКБ, выполните старт. Затем обороты двигателя нужно повысить до 3000 об/мин. Детонация, продолжающаяся 1-2 секунды, должна наводить на одну мысль: неисправности в цепи датчика – есть, их надо искать.

Детонация может возникнуть и после прогрева

Если говорить об «инжекторе», а не о карбюраторном ДВС, нужно заметить, что детонация на горячем двигателе – явление трудноуловимое. Она может возникать только под нагрузкой, то есть стоять и «газовать», пытаясь услышать звон, будет бесполезно. Одной из причин появления детонации является поломка датчиков – это датчик температуры, а также датчик положения заслонки дросселя. Рассмотрим оба вопроса подробнее.

Чтобы заметить эффект от поломки температурного датчика (ДТОЖ), нужно прогреть двигатель до 90-100 Гр. C. Возможно, это удастся сделать, не выезжая с парковки, но в зимнее время такой прогрев займёт ровно час. Дальше, принимая значение температуры равным 80 градусам, блок ЭБУ продолжит корректировать угол опережения в соответствии с этим «усреднённым» значением. А оно является заниженным, и поэтому возникнет детонация. Сам угол опережения затем будет сразу уменьшен. Но такая регулировка, конечно же, имеет пределы.

Любой датчик ДТОЖ – обычный терморезистор

Неисправный датчик может проявлять себя по-разному: до прогрева он ведёт себя нормально, затем начинает «чудить». И вот тогда, то есть в таких случаях, неисправность не определяется и лампа не загорается. А детонация может исчезать и снова появляться. Тут нужен БК: надо смотреть, чему равны «цифровые» показания температуры.

При отсутствии датчика ДТОЖ блок ЭБУ считает, что температура равна 80-ти градусам. Превысив этот предел, легко добиться появления устойчивой детонации.

Пусть будет неисправен датчик положения дроссельной заслонки. И допустим, считываемое с него значение – меньше, чем «настоящее». Тогда смесь будет слишком обеднённой, и детонация на горячем двигателе возникнет обязательно. Кстати, пока мотор не прогрет, эффект не проявится. Ещё одним важным фактором считается наличие нагрузки.

Датчик считывает угол отклонения дроссельной заслонки

Выше сказано, что к детонации приводит сочетание трёх факторов:

1. Поломка датчика заслонки;
2. Значительная нагрузка на двигатель;
3. Достаточный уровень прогрева.

Устранять нужно, конечно же, именно первый фактор. Тогда мотор можно будет эксплуатировать в любых режимах.

Пытаясь газовать на стоянке, нет смысла ждать появления детонации по причине неисправности датчика. Речь идёт, разумеется, только о датчике положения заслонки. Смотрите, что указано в «пункте 2» – мотору нужна нагрузка. Это значит, что эффект не проявит себя, если передача не включена.

Пара слов о калильном зажигании

В 50-е годы явление детонации только начинали изучать. Тогда был обнаружен следующий эффект: воспламенение могло происходить раньше, чем появлялась искра. Выяснилось, что очагом воспламенения являлись частички нагара. Сам эффект, о котором идёт речь, был назван «калильным зажиганием». И этот эффект, оказывается, приводит к детонации всегда.

Не путать с детонацией при выключении зажигания!

Такой нагар становится причиной калильного зажигания

Логика здесь состоит в следующем: детонация появляется в случаях, когда зажигание является «ранним». Но калильное зажигание, как многие знают, всегда предшествует «штатному». Блок ЭБУ исправно контролирует момент появления искры, но в этом не всегда будет смысл – горение может идти уже тогда, когда ток в катушке ещё отсутствует.

Допустим, появляется детонация при запуске горячего двигателя, и она не исчезает через секунду или две. Как известно, так может проявляться калильное зажигание. А вот на «холодном» двигателе калильное зажигание не возникает никогда. Это утверждение в совокупности с первым позволяет выполнять диагностику.

Заметим ещё раз – здесь говорится о причинах появления детонации. Одной из них принято считать эффект «калильного зажигания». Его, в свою очередь, вызывает наличие любого из факторов:

• Появление характерного нагара на плоском электроде либо на корпусе свечи;
• Полное или частичное выгорание центрального электрода;
• В редких случаях очагами воспламенения могут быть отложения на клапанах, ещё реже – копоть на поршне. Но в каждом таком случае оказывается, что центральный электрод прогорел полностью.

Третий пункт соответствует фактору, очень редко встречающемуся на практике. Так что делайте выводы правильно.

Вопрос-ответ

Возможно, прочитав сотни форумов и перелопатив гору специальной литературы, читатель так и не найдёт ответ на свой вопрос. Но прежде чем везти авто на диагностику, можно ознакомиться с наиболее распространёнными вопросами, касающимися работы двигателей. Ответы здесь приводятся тоже:

• В: Может ли детонация быть связана с появлением нагара?
• О: В моторах с водяным охлаждением нагар образуется в любом случае. Толщина слоя всё время меняется, но контроллер нужен затем, чтобы подстраиваться под любые изменяющиеся условия. Что верно и для карбюраторных двигателей, если ими управляет блок ЭБУ.
• В: Как влияет калильное число свечей на появление калильного зажигания?
• О: Если установите «слишком холодную» свечу – получите нагар на электроде и на корпусе. Установка «горячих» свечей – случай более сложный. Если калильное число будет меньше рекомендованного, то не обязательно перегрев корпуса свечи приведёт к калильному зажиганию. Однако розжиг смеси раскалённой керамикой – процесс вероятный. На практике следует обращать внимание и на правильность выполнения монтажа (см. рис.).
• В: Раньше возникала детонация на горячем двигателе. После смены заправки всё прошло. Наверное, неисправен контроллер?
• О: Скорее неисправен датчик детонации, его проводка и т.д. Повысьте обороты до 3500 об/мин – лампа Check должна включиться сразу.

Иллюстрация ко второму вопросу приводится ниже:

Ошибки при монтаже свечей зажигания

Может быть, читатели дополнят список, оставляя грамотные комментарии и отзывы.

Звук детонации двигателя на видео

Что такое детонация и 8 способов ее остановить!

Детонация — это ругательство вокруг хот-родов. Никто не любит говорить об этом, потому что, когда это происходит, это обычно означает некоторую упущение внимания во время сборки двигателя или автомобиля. К тому времени, когда вы услышите характерный предсмертный хрип двигателя в агонии взрыва, ущерб, скорее всего, уже нанесен. Ответ состоит в том, чтобы предотвратить детонацию до того, как это произойдет, но если будет слишком поздно, есть вещи, которые вы можете сделать, чтобы предотвратить повторное выполнение, но сначала немного предыстории.

Каковы симптомы детонации?

Детонация — иногда называемая детонацией или преждевременным зажиганием — это свистящий звук, который иногда можно услышать во время разгона и открытия дроссельной заслонки. В отличие от обычного шума выхлопных газов, детонация — это высокий скрипучий звук, который исходит из моторного отсека. Когда происходит детонация, может произойти серьезное внутреннее повреждение, включая оплавленные электроды свечи зажигания, трещины на поршневых кольцах, оплавленные или треснувшие поршни, забитые подшипники штока и взорванные прокладки головки.Если вы услышите детонацию, немедленно уберите ногу с дроссельной заслонки или заплатите за последствия.

Посмотреть все 12 фото

Повреждение от детонации происходит из-за того, что головка поршня, кольца и подшипники подвергаются сильному избыточному давлению в камере сгорания. Это избыточное давление возникает слишком рано, задолго до того, как поршень начнет движение вниз для рабочего хода. Это повышение давления во время такта сжатия также выделяет огромное количество тепла — на самом деле, слишком много для того, чтобы система охлаждения двигателя могла вовремя рассеяться.Затем каждое последующее срабатывание этого цилиндра должно бороться с остаточным теплом от события детонации в предыдущем цикле, таким образом блокируя рабочее состояние этого цилиндра от безудержной детонации.

Если у вас когда-либо был случай детонации двигателя, вы уже знакомы с этим явлением. Если снять ногу с педали газа, а затем снова вставить ее, детонация, исходящая от двигателя, не улучшится; он остается до тех пор, пока не исчезнет нежелательный источник возгорания (тепло) в пораженном цилиндре.Если посмотреть с другой стороны, если в определенном рабочем состоянии начало детонации происходит, например, при 15 градусах перед верхней мертвой точкой (BTC), она может не прекратиться, пока событие воспламенения не будет отложено до 5 градусов BTC. Такое поведение называется гистерезисом детонации, и ваш единственный реальный вывод состоит в том, что мгновенный сброс газа (в надежде, что детонация исчезнет) — бесплодное дело.

Что вызывает детонацию?

Тип повреждения двигателя, вызванный детонацией, происходит, когда источник тепла в среде сгорания воспламеняет заряд топлива / воздуха до инициирования системой зажигания двигателя.Важно понимать, что детонация является результатом нежелательного источника тепла (электрод свечи зажигания, края камеры сгорания, неровности литья), а не ошибки в программировании зажигания, хотя ваша программа зажигания может сыграть свою роль.

Просмотреть все 12 фотографий

В двигателе с оптимизированными характеристиками пиковая мощность достигается, когда давление в цилиндре достигает максимума при правильном угле поворота коленчатого вала. Когда шатун и ось кривошипа расположены под углом 90 градусов друг к другу, поршень имеет наибольшее механическое преимущество по отношению к коленчатому валу. Смысл всего этого в том, что вам нужно мысленно вернуться к этому событию и найти подходящее время для воспламенения топливного заряда, чтобы пиковое давление произошло после прохождения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) и до того, как ход штока и кривошипа достигнет под прямым углом. Несоблюдение этого правила может привести к повреждению поршневого кольца, как показано выше.

Когда давление в цилиндре достигает пика перед ВМТ, случаются неприятности. Почему? Это может быть одна или несколько из следующих причин: слишком низкое октановое число топлива, недостаточная система охлаждения, плохо спроектированная камера сгорания, слишком горячая свеча зажигания, слишком большое статическое сжатие, слишком маленькое перекрытие между впускным и выпускным лепестками кулачка, слишком бедное соотношение воздух / топливо, слишком большой предварительный нагрев всасываемого заряда или, в лучшем случае, неправильная кривая зажигания.

8 способов уменьшить детонацию

Если ваш двигатель испытывает детонацию, вы можете предпринять ряд действий, чтобы предотвратить ее. Здесь мы расположили их в порядке сложности, от самого простого до самого серьезного, но имейте в виду, что часто детонация и наносимый ею ущерб являются результатом плохо выбранной комбинации двигателей. Производители оригинальных комплектующих тратят тысячи часов на испытания двигателей в различных режимах работы, в то время как при самостоятельной работе можно упускать из виду важные аспекты, такие как качество движения смеси или тщательный учет времени срабатывания клапана.Эти вещи должны быть вплетены в конструкцию двигателя перед сборкой, а не закреплены бандажом постфактум.

Посмотреть все 12 фото

Уменьшите время опережения зажигания

Если вам повезет, ваша детонация будет вызвана не самовоспламенением от горячей точки в камере сгорания, а кривой зажигания, которая обеспечивает слишком большое базовое воспламенение продвигать. В этом случае простое уменьшение базовой синхронизации приведет к прекращению стука. Однако в большинстве случаев причиной этого состояния в первую очередь будет отключение подачи вакуума. В этом сценарии задействован энтузиаст-новичок, который отключает подачу вакуума, а затем увеличивает базовое время для компенсации. Вся причина увеличения вакуума на серийном двигателе состоит в том, чтобы обеспечить достаточное время выполнения заказа в условиях небольшого дросселя, когда атмосфера за дроссельной заслонкой тонкая; двигателю требуется дополнительное время для повышения давления в цилиндре перед рабочим ходом.

Посмотреть все 12 фотографий

Увеличьте октановое число топлива

Октановое число топлива является точным выражением его склонности к самовоспламенению.Чем выше число, тем выше его способность противостоять выключению света. По мере увеличения степени сжатия или наддува должно возрасти октановое число топлива. Устранить детонацию в двигателе можно так же просто, как использовать топливо с более высоким октановым числом. В 1970-х и 1980-х годах, когда цены на топливо резко выросли, многие люди искали способы сэкономить деньги. Это часто выражалось в снижении октанового числа топлива. К счастью для нас, с тех пор под мостом прошло много воды, и производители разработали двигатели с улучшенными противодетонационными характеристиками.Такие вещи, как электронный впрыск топлива, замедление детонации и электроника, определяющая октановое число, сделали детонацию из-за низкого октанового числа топлива редким явлением. Получил старую машину с детонацией, попробуйте запустить тестовое топливо с более высоким октановым числом.

Посмотреть все 12 фото

Используйте более холодную свечу зажигания

Наконечник электрода свечи зажигания является основным источником самовоспламенения. Тепло может быстро накапливаться, и если ему некуда деваться, он сделает свое дело с зарядом воздуха / топлива. Звучит немного иронично, поскольку это то, что должна делать свеча зажигания, только вы хотите иметь контроль над , когда это делает .По этой причине свечи зажигания рассчитаны на различные диапазоны нагрева, а их изоляторы тщательно разработаны для управления потоком тепла от электрода в головку блока цилиндров. Слишком горячая свеча будет удерживать слишком много тепла, вызывая детонацию. Замена свечи на более холодный нагревательный элемент — это часто все, что нужно для отключения нежелательной детонации. Однако имейте в виду, что слишком холодная свеча может вызвать обратную проблему — засорение, когда свеча не может полностью воспламенить воздушный / топливный заряд.

Посмотреть все 12 фотографий

Оптимизация соотношения воздух / топливо

С современными двигателями с впрыском топлива достижение оптимального соотношения воздух / топливо редко является проблемой, поскольку кислородные датчики двигателя будут постоянно работать, удерживая воздух / соотношение топлива в идеальном диапазоне в большинстве сценариев вождения. Однако более старым карбюраторным автомобилям может потребоваться помощь, особенно если детонация является регулярной проблемой. Здесь проблема заключается в обедненной смеси, когда впрыскивание или какая-либо другая калибровка приводит к тому, что в цилиндр не поступает достаточно топлива. В результате получается горячий двигатель, который быстро нагревается и может вызвать детонацию. Лучший способ диагностировать детонацию в этой ситуации — установить широкополосный датчик кислорода и контролировать его в периоды высокой нагрузки двигателя. Бедная смесь при полном открытии дроссельной заслонки может вызвать детонацию при соотношении 13: 1, и это должно указывать на то, что в цилиндр поступает недостаточно топлива. Вы должны убедиться, что ваш двигатель работает на полную мощность — хорошее число, которое нужно достичь на полном газу для безнаддувного двигателя, равно 12.5: 1.

Просмотреть все 12 фотографий

Увеличить охлаждающую способность

Тепло является основной причиной детонации, и часто одной из основных причин является неэффективная система охлаждения. Если мощность вашего двигателя недавно была увеличена, но радиатор все еще в наличии, возможно, пришло время для модернизации в этой области. За исключением замены радиатора, более эффективный вентилятор, более эффективный кожух вентилятора или смачивающий агент охлаждающей жидкости могут иметь достаточный эффект для уменьшения или устранения детонации. Объяснение диагностики системы охлаждения выходит за рамки этой истории, но мы оставим вам один большой совет: сначала подумайте о мелочах. В гонке за производительностью часто к детонации приводят такие мелочи, как уплотнение кожуха, работа термостата, включение муфты вентилятора или кавитация водяного насоса.

Посмотреть все 12 фотографий

Уменьшите степень сжатия

Если вы зашли так далеко, но по-прежнему имеете детонацию, у вас не будет другого выхода, кроме как начать внутренний ремонт или изменить комбинацию двигателей.Уменьшение степени сжатия — это самый простой способ положить конец детонации, потому что давление и тепло в цилиндре — это, по сути, разные выражения одного и того же. На протяжении многих лет мы приводили доводы в пользу увеличения степени сжатия для увеличения мощности, но чрезмерное применение этого совета может иметь непредвиденные последствия, если не будут предприняты надлежащие меры (более высокое октановое число топлива, более качественное движение смеси, сплав головки цилиндров и электроника, предназначенная для защиты двигателя). За исключением замены головок цилиндров и поршней, лучше всего начать с более толстых прокладок головки и работать с шлифовальной машиной на камерах сгорания, уделяя особое внимание острым краям.

Посмотреть все 12 фотографий

Увеличить перекрытие кулачков

Эффективный распределительный вал с большей продолжительностью и подъемом — один из наших любимых способов повысить производительность двигателя, но иногда выбор кулачка может вызвать непредвиденные проблемы. Более распространенной проблемой является кулачок, который слишком велик для сжатия, из-за чего фазы газораспределения слишком агрессивны для статической степени сжатия, и происходит потеря нижнего предела. Иногда, однако, распредвал имеет большой угол разделения лепестков, что может удерживать слишком много заряда в цилиндре.Как узнать, слишком ли короткое перекрытие? Быстрый тест давления запуска скажет вам: все, что превышает 180 фунтов на квадратный дюйм, является признаком того, что вы находитесь в сфере гоночного двигателя с высокой степенью сжатия, которому может потребоваться гоночное топливо. Хорошее и безопасное значение для традиционного уличного бензинового двигателя составляет от 150 до 170 фунтов на квадратный дюйм. Если давление запуска слишком высокое, вам понадобится кулачок, который задерживает меньше воздуха / топлива в камере сгорания.

Посмотреть все 12 фотографий

Улучшить движение смеси

Все исправления, которые мы упомянули до сих пор, я называю «последующими» исправлениями, то есть они больше похожи на повязку, чем на настоящее лекарство.Я обнаружил, что большинство случаев детонации можно отнести к режиму горения, который искушает судьбу через поток через порт, вызывающий отделение топлива от воздуха. Движение воздуха и топлива через порт, клапанный карман и камеру сгорания является сложным, и если топливо не может равномерно смешиваться с воздухом в результате процесса, называемого завихрением (вихревое движение в случае четырехклапанного двигателя), низкая производительность и детонация будет результатом. Гашение — еще одно связанное действие, которое происходит как раз в тот момент, когда поршень достигает ВМТ. Заряд, застрявший между поршнем и головкой блока цилиндров, сдавливается в открытую часть камеры сгорания в последний момент перед воспламенением, давая заряду последний хороший шанс смешаться. Когда не происходит хорошей хореографии завихрения и гашения, возникает детонация. Единственное правильное лекарство — это набор головок цилиндров, включающий в себя последние улучшения движения смеси.

Посмотреть все 12 фото

Прямое впрыскивание: (не) будущее детонации

Возможно, это скорее эпилог, чем лекарство от детонации, но оригинальные запчасти непрерывно работали над проблемой и добились невероятных успехов это доступно нам прямо сейчас.Новейшие двигатели, выходящие из Детройта (линейка силовых установок Ecoboost Ford с прямым впрыском топлива и Gen V LT1 от GM, чтобы назвать два), почти полностью исключили детонацию, поскольку топливо не добавлялось в уравнение до самого последнего момента. Это просто по концепции, если не по механической конструкции, но когда в цилиндре нет топлива, трудно получить нежелательное преждевременное зажигание. В двигателях с прямым впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под давлением в тысячи фунтов на квадратный дюйм.В результате топливо может быть доставлено почти мгновенно и направлено в область поршня, которая не может обеспечить достаточно тепла для события предварительного воспламенения.

Мы сильно упрощаем преимущества двигателя DI, которые выходят далеко за рамки сопротивления детонации, но легко понять, почему эти двигатели могут иметь повышенную степень сжатия, которая разрушила бы предыдущие, если бы они работали на обычном газовом насосе. Это факт, что мы быстро приближаемся к эре двигателей внутреннего сгорания, которые оставят детонацию в прошлом, но мы все еще должны понимать это для наших любимых старинных восьмицилиндровых двигателей!

Просмотреть все 12 фотографий

Убийца двигателя: опасность детонации

Недавно в двигателе в уличной штанге близкого друга произошел серьезный прорыв — достаточно серьезный, чтобы левое крыло было покрыто маслом после короткой поездки.

Выдувание масла из сапуна всегда является поводом для беспокойства, это признак того, что сжатие выходит за пределы пакета поршень / кольцо, создавая давление в картере и заставляя масло вытекать из любого доступного отверстия. В этом случае состояние было особенно удручающим, так как двигатель был заново отремонтирован, и с момента его установки прошло менее 200 миль.

Испытание на сжатие показало, что цилиндр номер один имеет низкий уровень, поэтому было очевидно, что необходимы дальнейшие исследования.С отключенной головкой быстро стало очевидно, что существует проблема, а с поршнем номер один, вышедшим из блока, проблема стала очевидной — поршневые площадки были разрушены детонацией.

Детонация — проблема сложная, но грубо говоря, это так. Если бы вы зажгли угол газетной страницы, можно было бы ожидать, что пламя распространится по бумаге, пока она не сгорит. Теперь представьте сценарий, при котором бумага начинает гореть нормально, а затем внезапно взрывается дальний конец страницы. Это в основном то, что происходит в цилиндре во время детонации — смесь начинает гореть, переднее пламя движется по камере сгорания, пока тепло и давление не поднимутся до точки, в которой остающаяся смесь самовоспламеняется, создавая второй фронт пламени. Столкновение этих двух фронтов пламени вызывает внезапное и резко повышенное давление в цилиндре, которое может вызвать видимые здесь повреждения. Детонация обычно сопровождается тем, что описывается как стук зажигания, звон или металлический стук.

Для пояснения мы также должны объяснить предварительное зажигание, то есть когда смесь не воспламеняется свечой зажигания, а что-то горячее в цилиндре, например край прокладки, кончик свечи зажигания, нагар или нагар. подобное, аналогичное, похожее.Следует отметить, что в карбюраторных двигателях это происходит гораздо чаще. Даже при выключенном зажигании, когда двигатель останавливается выбегом, топливо будет продолжать вытягиваться из карбюратора, если топливо воспламенится, двигатель будет продолжать работать, хотя и плохо. С электронным впрыском топлива при выключенном зажигании тоже подача топлива.

В показанном здесь примере было несколько виновников, которые вызвали детонацию. Прежде всего, степень сжатия была слишком высокой для имеющегося в наличии газового насоса, она была намного выше 10: 1, что должно быть практическим пределом для более старого двигателя с чугунными головками (алюминиевые головки могут составлять от 3/4 до полной точки. выше).Способствующим фактором была слишком агрессивная кривая зажигания, приводившая к слишком большому общему продвижению и слишком раннему запуску.

Для предотвращения повторного расплавления двигателя внесены некоторые изменения. Головки с большими камерами сгорания снизят степень сжатия до более дружественной к насосу газа 9,7: 1, и будет добавлен новый электронный распределитель с более подходящей кривой опережения.

Некоторые советы по предотвращению детонации

• Если вы слышите «предсмертный хрип» взрыва, нажмите на дроссель. Если вы не слышите детонацию, но подозреваете, что она происходит, приобретите детектор / монитор детонации.
• При превышении предела сжатия 9: 1, особенно с двигателем без компьютерного управления, используйте лучшее доступное топливо премиум-класса.
• Рассмотрите алюминиевые головки (если есть) или поршни с покрытием.
• Убедитесь, что соотношение воздух / топливо правильное во всем рабочем диапазоне двигателя.

Посмотреть все 4 фотографии

Проверка компрессии показала, что неисправен цилиндр номер один нашего двигателя Pontiac.Когда был снят поршень, мы и обнаружили это.

Посмотреть все 4 фото

После снятия колец отвалилась еще большая часть фаски верхнего кольца.

Посмотреть все 4 фото

Это расколотые земли; больший кусок находился между двумя верхними компрессионными кольцами.

Сработал первый в мире «невозможный» вращающийся детонационный двигатель

Команда из Флориды, работающая с ВВС США, утверждает, что они построили и испытали экспериментальную модель вращающегося детонационного ракетного двигателя, который использует вращающиеся взрывы внутри кольцевого канала для создания сверхэффективная тяга.

Разумеется, в подавляющем большинстве двигателей для достижения своей выходной мощности используется сгорание, а не детонация. Сжигание — это относительно медленный и контролируемый процесс, возникающий в результате реакции между топливом и кислородом при высоких температурах, и это очень хорошо изученная и зрелая технология.

Детонация, напротив, быстра, хаотична и гораздо менее предсказуема. Взрыв вместо ожога — это массивный разряд энергии, который вы получаете, когда разрываете химические связи, удерживающие взрывчатую молекулу вместе, давая ей заряд энергии — электрический или кинетический — в виде достаточно мощной ударной волны, чтобы дестабилизировать эти связи.Детонация отлично подходит, когда вы хотите разбить что-то навалом, и ее гораздо труднее поддерживать точным контролем.

Но когда вам нужно разорвать цепи земного притяжения и отправиться в космос, каждый грамм веса делает вещи намного сложнее и дороже. Детонация высвобождает значительно больше энергии при значительно меньшей массе топлива, чем при сгорании, поэтому более 60 лет ученые-ракетчики работали над идеей вращающейся детонационной ракеты как потенциального способа снизить вес и добавить тягу.

Механически простой, вращающийся детонационный двигатель очень сложен динамически и требует точного времени и скорости подачи топлива

Профессор Карим Ахмед, Университет Центральной Флориды

По сути, такое устройство начинается с одного цилиндра внутри другого большего, с зазором между ними и небольшими отверстиями или прорезями, через которые может проталкиваться смесь детонационного топлива. Возгорание в той или иной форме вызывает детонацию в кольцевом зазоре, в результате чего образуются газы, которые выталкиваются из одного конца кольцевого канала, создавая тягу в противоположном направлении.Но он также создает ударную волну, которая распространяется по каналу примерно в пять раз быстрее скорости звука, и эту ударную волну можно использовать для зажигания большего количества взрывов в самоподдерживающемся вращающемся образце, если топливо добавлено в нужных местах в нужное время. .

Созданный инженерами из Мичиганского университета в 1950-х годах, вращающийся детонационный двигатель соблазнительно прост в механическом смысле, но эту самораспространяющуюся детонационную волну оказалось чрезвычайно трудно создать и выдержать.

До сих пор кажется. Команда из Университета Центральной Флориды, работающая вместе с программой вращающегося детонационного ракетного двигателя в Исследовательской лаборатории ВВС, утверждает, что построила и испытала действующую лабораторную модель. Это 3-дюймовый медный испытательный стенд, использующий смесь водорода и кислорода в качестве топлива, которое является самым эффективным ракетным топливом для ракетных двигателей верхней ступени.

«В исследовании впервые представлены экспериментальные доказательства безопасной и работающей детонации водорода и кислорода во вращающемся детонационном ракетном двигателе», — говорит Карим Ахмед, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники UCF, руководивший исследовать.«Детонация продолжается до тех пор, пока вы не отключите топливо. Мы протестировали до 200 фунтов силы, но тяга увеличивается линейно с массовым расходом топлива».

Трехдюймовый медный испытательный стенд развил до 200 фунтов силы, но тяга будет линейно увеличиваться по мере добавления большего количества топлива

Профессор Карим Ахмед, Университет Центральной Флориды

Секрет, по мнению исследователей, был прост как настройка.

«Мы должны настроить размеры струй, выпускающих пропелленты, чтобы улучшить перемешивание локальной водородно-кислородной смеси», — говорит Ахмед. «Так что, когда вращающийся взрыв происходит для этой свежей смеси, он все еще продолжается. Потому что, если ваша смесь немного отличается от состава, она будет иметь тенденцию сгорать или медленно гореть, вместо того, чтобы взорваться».

«Всего за несколько месяцев до этого ряд американских экспертов по ракетным двигателям публично заявили, что водородно-кислородные детонационные двигатели невозможны», — сказал Ахмед New Atlas.«Тем не менее, в документе представлены экспериментальные доказательства и без сомнения продемонстрировано, что детонация кислорода и водорода происходит во вращающемся детонационном ракетном двигателе».

«Эти результаты исследования уже находят отклик в международном исследовательском сообществе», — говорит Уильям Харгус, руководитель программы по вращающимся детонационным ракетным двигателям исследовательской лаборатории ВВС США, который является соавтором исследования. «В настоящее время несколько проектов пересматривают детонационное сгорание водорода во вращающихся детонационных ракетных двигателях из-за этих результатов.Я очень горжусь тем, что участвую в этом высококачественном исследовании ».

Ахмед говорит нам, что эта конструкция двигателя оценивается как возможная замена ракеты Aerojet Rocketdyne RL-10, которая была впервые разработана в 1962 году. Современные версии все еще находятся в разработке. производство верхних ступеней ракет Atlas V и Delta IV, а также разрабатываются другие версии для ракет Exploration, OmegA и Vulcan, но проверенный двигатель с вращающимся детонационным ракетным двигателем может изменить правила игры.

«The U.»S. Air Force нацелены на летные испытания ракеты к 2025 году, — говорит Ахмед, — и мы вносим свой вклад в достижение этой цели». случаи, когда большая мощность и низкий расход топлива могут иметь большое значение. В 2012 году Морская исследовательская лаборатория подсчитала, что вращающиеся детонационные двигатели могут сэкономить ВМФ на 15-20 процентов от ежегодных расходов на топливо в размере 2 миллиардов долларов США, если они будут модернизированы на месте газотурбинных двигателей, которыми эксплуатируется более 100 крупных судов. Они также потенциально могут быть использованы в гиперзвуковых и сверхзвуковых полетах или даже для выработки электроэнергии, и Ахмед говорит нам, что эта конструкция также имеет потенциал в качестве двигателя ступени ускорителя, но для этого потребуется другой тип топлива.

Посмотрите короткое замедленное видео запуска ракеты ниже.

Вращающийся детонационный двигатель

Команда опубликовала свои результаты в журнале Combustion and Flame .

Источник: Университет Центральной Флориды

Двигатель с косой волной детонации может разблокировать самолет со скоростью 17 Маха

Исследователи UCF говорят, что они впервые зафиксировали длительную взрывную детонацию, зафиксировав ее на месте, и направили ее огромную мощность в тягу. новый детонационный двигатель с наклонной волной, который может приводить самолет в движение со скоростью, в 17 раз превышающей скорость звука, потенциально превосходя ГПВРД в качестве метода гиперзвуковой тяги.

Дефлаграция — высокотемпературное сжигание топлива с кислородом — это относительно медленный, безопасный и контролируемый способ высвобождения химической энергии и превращения ее в движение, поэтому эта приятная, мирная форма сгорания лежит в основе многих наших транспортных технологий.Но если вы хотите высвободить максимально возможную энергию из единицы топлива, вы получите гораздо лучшую отдачу от … ну, взрыв.

Детонация быстрая, хаотичная и часто разрушительная. Для этого не обязательно нужен кислород, достаточно одного взрывчатого вещества и какого-то энергетического толчка, достаточно большого, чтобы разорвать химические связи, удерживающие вместе и без того нестабильную молекулу. Он создает экзотермические ударные волны, которые ускоряются наружу со сверхзвуковой скоростью, высвобождая огромное количество энергии.

Люди пытались использовать грубую силу детонации — самую мощную форму горения — более 60 лет, но надеть узду на бомбу оказалось чрезвычайно сложно. Импульсные детонационные двигатели создают серию повторяющихся взрывов аналогично импульсной струе, и они уже были испытаны на самолетах — в частности, в проекте Scaled Composites Long-EZ «Borealis», созданном Исследовательской лабораторией ВВС США и Innovative Scientific. Solutions Incorporated еще в 2008 году.

Вращающиеся детонационные двигатели, в которых ударные волны от одной детонации настраиваются на запуск следующих взрывов в кольцевом канале, считалось невозможным до тех пор, пока исследователи из Университета Центральной Флориды (UCF) не продвинулись вперед и не продемонстрировали опытный образец в прошлом году в длительной эксплуатации. В связи с проведением испытаний при запуске ракеты примерно к 2025 году вращающиеся детонационные двигатели должны быть более эффективными, чем импульсные детонационные двигатели, просто потому, что не нужно очищать камеру сгорания между взрывами.

Теперь другая команда из UCF, включая некоторых из тех же исследователей, которые построили вращающийся детонационный двигатель в прошлом году, говорит, что ей удалось впервые в мире продемонстрировать неуловимый третий тип детонационного двигателя, который мог бы победить их всех, теоретически открыв на пути к самолету, летящему со скоростью до 13 000 миль в час (21 000 км / ч), что в 17 раз превышает скорость звука.

Стоячая волна или двигатель с косой волной детонации (OWDE) нацелен на создание непрерывной детонации, которая стабильна и фиксируется в пространстве, создавая безжалостно эффективную и управляемую силовую установку, генерирующую значительно большую мощность и использующую меньше топлива, чем позволяют современные технологии.

Команда UCF утверждает, что успешно стабилизировала детонационную волну в условиях гиперзвукового потока, удерживая ее на месте, а не заставляя двигаться вверх по потоку (где это может вызвать взрыв источника топлива) или вниз по потоку (где он потеряет свое взрывное преимущество и выдыхаются в горение).

Принципиальная схема экспериментального прототипа HyperReact

University of Central Florida

Для этого команда построила экспериментальный прототип, который она назвала High-Enthalpy Hypersonic Reacting Facility, или сокращенно HyperReact.HyperReact длиной менее метра (3,3 фута) можно условно охарактеризовать как полую трубку, разделенную на три секции, каждая из которых имеет четко очерченную внутреннюю часть.

Первая секция представляет собой смесительную камеру диаметром 350 мм (13,8 дюйма) — канал квадратного сечения со сторонами 45 мм (1,8 дюйма). Здесь предварительная горелка зажигает струю водородного топлива, предварительно смешанного с воздухом. Еще четыре воздушных канала вокруг жиклера предварительной горелки ускоряют поток до соответствующих скоростей.

Вторая секция представляет собой сужающееся-расходящееся (CD) сопло с осесимметричным квадратным поперечным сечением на всем протяжении вниз. Главный топливный инжектор добавляет 99,99% сверхчистого водородного топлива к горячему, быстрому воздуху под высоким давлением, спускающемуся по трубе непосредственно перед тем, как он входит в сопло CD, которое быстро сужается до 9 мм в высоту (0,35 мм). in) горла, прежде чем снова вернуться к квадрату 45 мм. Эта форма предназначена для ускорения смеси до 5,0 Маха перед переходом к последней «испытательной секции», где происходит детонация.

Испытательная секция принимает эту гиперзвуковую воздушно-топливную смесь и запускает ее по пандусу с углом 30 градусов на нижней стороне квадратной трубы.Настраивая скорость потока и смесь воздух / топливо, команда смогла найти параметры, которые управляли взаимодействиями волн давления в камере, чтобы произвести немыслимое: стабильный, непрерывный взрыв, который оставался почти неподвижным, слегка колеблясь по циклической схеме, в течение передняя губа аппарели.

Наложенные теневые изображения хемилюминесценции показывают условия в испытательной камере при нереагирующем воздушном потоке со скоростью 5 Маха, а затем с добавлением топлива для создания наклонной детонационной волны

University of Central Florida

По сравнению с условиями, измеренными при выключенной основной топливной форсунке, пиковое давление составляло 2. За аппарелью в 7 раз выше, а давление на выходе из сопла в 10,5 раза. Скорость потока была рассчитана как 99,7% от теоретической скорости волны детонации для свободно распространяющегося нормального взрыва в данной смеси.

«Это первый случай экспериментальной стабилизации детонации, — говорит Карим Ахмед, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники UCF и один из авторов новой исследовательской работы. «Мы наконец-то можем удерживать детонацию в космосе в наклонной форме детонации.Это почти как замораживание интенсивного взрыва в физическом пространстве ».

Там, где детонация обычно длится всего несколько микро- или миллисекунд, команде UCF удалось выдержать этот эксперимент экспериментально, пока топливо не было отключено примерно через три секунды. Этого достаточно, чтобы доказать, что устройство работает, сказал Ахмед LiveScience, и если бы команда продолжала продолжать подачу топлива, это бы разрушило кварцевые окна по бокам испытательной секции, которые были там, чтобы позволить оптическое изображение испытаний. Замена испытательной секции чем-то полностью с металлическими стенками позволит продлить детонацию.

По словам Ахмеда, дизайн прототипа достаточно близок к тому, как будет выглядеть серийный OWDE. Теперь задача состоит в том, чтобы научиться динамически изменять топливную смесь, скорость потока и угол наклона, чтобы обеспечить стабильность, надежность и управляемость детонации в широком диапазоне рабочих условий и управляющих входов.

Вверху: структура детонации для трех фаз во время пробного запуска.Внизу: статическое давление в испытательной камере резко возрастает и поддерживается в течение всего потока топлива

Университет Центральной Флориды

В течение некоторого времени о OWDE теоретически говорили как о потенциально более совершенной форме гиперзвуковой тяги по сравнению с ГПВРД. ГПРД имеют тенденцию терять эффективность по мере увеличения скорости, потенциально превышая около 14 Махов. Экспериментальные результаты, опубликованные UCF, указывают на самолет «Sodramjet» (вертикальный прямоточный воздушно-реактивный двигатель с косой детонацией), способный летать от 6 до 17 Махов.

Что все это значит? Что ж, гиперзвуковые воздушные путешествия со скоростью до 17 Махов не только откроют дверь для потенциальных полетов продолжительностью менее 30 минут между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом. Это также позволит космическим самолетам эффективно взлетать прямо на орбиту, не привязываясь к ракетным ускорителям. И, конечно, это может иметь серьезные последствия для национальной безопасности и глобального ядерного баланса сил.

Как указал наш собственный Дэвид Сонди в этом потрясающем объяснении гиперзвуковых полетов от 2017 года, на данный момент в мире нет радара или системы противоракетной защиты, которые могли бы справиться с гиперзвуковой ракетой.Более того, вам даже не понадобится боеголовка, чтобы вызвать разрушения, сравнимые с ядерной бомбой. «Вся эта скорость и вся эта инерция превращает любую исследовательскую платформу, разведывательную единицу или пассажирский самолет в потенциальное кинетическое оружие», — пишет Сонди. «Им не нужна фугасная взрывчатка, чтобы уничтожить цель. Все, что им нужно сделать, это поразить ее. Другими словами, любой гиперзвуковой автомобиль является внутренним оружием с учетом соответствующих модификаций».

Действительно, исследование финансировалось не только Национальным научным фондом и Консорциумом космических грантов НАСА Флориды, но и Управлением научных исследований ВВС США.Таким образом, эти двигатели для взрыва в баллонах явно представляют военный интерес.

Бумага находится в открытом доступе по номеру PNAS .

Источник: Университет Центральной Флориды

Стабилизированная детонация для гиперзвуковой тяги

Значение

В настоящее время усиливаются международные усилия по разработке надежных силовых установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов. Такая система позволит летать через нашу атмосферу на очень высоких скоростях и позволит эффективно входить и выходить из планетных атмосфер.Возможность основывать такую ​​систему на детонациях, наиболее мощной форме горения, может обеспечить более высокую термодинамическую эффективность, повышенную надежность и снижение выбросов. В этой работе сообщается о важном шаге в достижении этой цели: обнаружении экспериментальной конфигурации и условий потока, которые генерируют стабилизированную наклонную детонацию, явление, которое может произвести революцию в высокоскоростных двигателях будущего.

Abstract

Будущие наземные и межпланетные путешествия потребуют высокоскоростного полета и входа в атмосферу в планетных атмосферах с помощью надежных и контролируемых средств.Это в значительной степени зависит от наличия надежных двигательных установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов. Учитывая доступность топлива в качестве пропеллента, мы, вероятно, будем полагаться на какую-либо форму химической или ядерной тяги, что означает использование различных форм экзотермических реакций и, следовательно, волн горения. Такие волны могут быть дефлаграциями, которые представляют собой дозвуковые волны реакции, или детонациями, которые представляют собой сверхвысокие сверхзвуковые волны реакции. Детонации — чрезвычайно эффективный, высокоэнергетический способ реакции, обычно связанный с интенсивными взрывными взрывами и сверхновыми. Двигательные установки, основанные на детонации, в настоящее время представляют значительный интерес из-за их потенциального использования для получения большей двигательной мощности по сравнению с системами на основе дефлаграции. Понимание зажигания, распространения и стабильности детонационных волн имеет решающее значение для использования их пропульсивного потенциала и зависит от нашей способности изучать их в лабораторных условиях. Здесь мы представляем уникальную экспериментальную конфигурацию, гиперзвуковую высокоэнтальпийную реакционную установку, которая производит детонацию, которая фиксируется в пространстве, что имеет решающее значение для управления и использования мощности реакции.Стоячая косая детонационная волна, стабилизированная на аппарели, создается в гиперзвуковом потоке водорода и воздуха. Диагностика потока, такая как высокоскоростное теневое изображение и хемилюминесцентное изображение, показывает инициирование и стабилизацию детонации и подтверждается путем сравнения с моделированием. Этот прорыв в экспериментальном анализе открывает возможный путь для разработки и интеграции технологии сверхвысокой скорости взрыва, позволяющей создавать гиперзвуковые двигательные установки и передовые энергетические системы.

Достижение высокоскоростного полета на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях теперь является национальным приоритетом и международным приоритетом.Для достижения этой конечной цели требуются высокоэнергетические двигательные режимы для движения транспортных средств (1). Один набор новых концепций, двигатели на основе детонации, мог бы сыграть важную роль в том, чтобы сделать исследование космоса и межконтинентальные путешествия такими же обычными, как сегодня междугородние путешествия (2).

Двигательные установки на основе детонации представляют собой трансформационную технологию для поддержания технологического превосходства высокоскоростных двигательных и энергетических систем (3). Эти системы включают газотурбинные двигатели, реактивные двигатели с дожиганием, прямоточные воздушно-воздушные двигатели, прямоточные воздушные двигатели и поршневые ускорители. Детонация — это инновационная схема гиперзвуковой тяги, которая значительно увеличивает эффективность термодинамического цикла (от ~ 10 до 20%) по сравнению с традиционными циклами, основанными на дефлаграции (4, 5). Даже для применений, в которых нет дополнительных термодинамических преимуществ, циклы на основе детонации, как было показано, обеспечивают повышенную эффективность сгорания, например, вращающиеся детонационные двигатели с поршневым ротором (6). Развитие исследований в области сверхвысокоскоростных систем детонации поможет реализовать и развить это технологическое преимущество перед существующими двигательными и энергетическими системами.

Детонация — это сверхзвуковая волна горения, которая состоит из ударной волны, вызванной выделением энергии в результате тесно связанных химических реакций. Эти волны распространяются со скоростью, во много раз превышающей скорость звука, часто достигая скорости 5 Махов, как в случае топливовоздушной смеси водорода. Двигатель, работающий с траекторией потока 5 Маха, соответствует числу Маха полета транспортного средства от 6 до 17 (7⇓ – 9). Это сопоставимо с получасовым перелетом из Нью-Йорка в Лондон и в 5 раз быстрее, чем среднее время, за которое легендарный «Конкорд» совершил такое же путешествие.Идея использования детонационных волн для движения и выработки энергии не нова (3), хотя реализация этой концепции была трудной. Большое внимание исследователей привлекли три основные категории концепций детонационных двигателей: импульсные детонационные двигатели (5, 10⇓ – 12), вращающиеся детонационные двигатели (13⇓ – 15) и двигатели с стоячей и наклонной детонационной волной (ODWE) (3, 7, 16⇓ – 18). ODWE представляет здесь особый интерес из-за своей теоретической способности разгонять гиперзвуковые летательные аппараты до скоростей, необходимых для космических самолетов и других многоразовых космических ракет-носителей.На рис. 1 показан концептуальный гиперзвуковой автомобиль с приводом от ODWE и проиллюстрирована связь с экспериментальными и расчетными результатами этого исследования. Задача при разработке этих концепций двигателей заключается в поиске надежных механизмов инициирования детонации и устойчивой стабилизации этих волн в условиях высокой скорости и высокой энтальпии, которые можно было бы ожидать от этих концепций двигателей.

Рис. 1.

Схема концептуального двигателя косой детонации. Экспериментальная и расчетная области ODW выделены вместе с их местоположением на пути потока двигателя.

Лабораторные эксперименты и численное моделирование показали ряд режимов инициирования детонации, а численное моделирование прояснило важные концепции, лежащие в основе их стабилизации (19–25). Несмотря на эти достижения, проблема усугубляется исторической трудностью достижения стабилизированной детонации в экспериментальной установке, которая обеспечивает реалистичные условия полета, которые можно адаптировать для использования в реальном двигателе. Предыдущие экспериментальные исследования не смогли показать стабилизированную наклонную детонационную волну (ODW) в течение длительного периода из-за использования ударных / расширительных трубок или снарядов (7, 22, 26-28).Эти типы средств имеют ограниченное время работы, порядка микросекунд или миллисекунд. Другой серьезной трудностью в стабилизации детонационной волны является распространение волны вверх по потоку через пограничный слой, приводящее к срыву с недавних экспериментов, показывающих переход от горения к детонации в гиперзвуковом потоке и нестабильную детонацию, распространяющуюся вверх по потоку (24). Несколько численных исследований показали потенциально устойчивую ODW, но не получили экспериментального подтверждения (21, 23, 29, 30). Это оставляет неопределенность в отношении стабильности ODW, которую необходимо решать с помощью экспериментов, способных создать соответствующие условия и поддерживать их в течение длительного периода.

В данной статье представлены результаты исследования, демонстрирующего экспериментально контролируемое инициирование и стабилизацию детонации в гиперзвуковом потоке для ситуации, аналогичной предлагаемым условиям полета для этих концепций транспортных средств с активным временем пробега в несколько секунд. Экспериментальные результаты фиксируют стабилизированную детонацию, как показано на теневой диаграмме и изображениях хемилюминесценции, и дополнительно подтверждаются и объясняются теорией и численным моделированием системы. В высокоэнтальпийной гиперзвуковой реакционной установке для зажигания и стабилизации ODW используется наклонная площадка под углом 30 °, схематически показанная на рис. 2 А . Ударно нагруженный поток с высоким числом Маха вызывает повышение температуры для воспламенения и стабилизации детонации в поступающей водородно-воздушной смеси. Комбинация согласования числа Маха потока с условиями MCJ и заправки топливом через низкий пограничный слой приводит к стабилизированной детонации. Измерения статического давления подтверждают повышение давления, вызванное детонационной волной. Для получения дополнительных подробных сведений о процессе инициирования и стабилизации детонации использовались высокоточные модели вычислительной гидродинамики.

Рис. 2.

( A ) HyperReact. ( B ) Нереагирующее поле течения и ( C ) стабилизированный ODW.

Стабилизирующие детонации в гиперзвуковом потоке

Детонация стабилизируется на рампе в гиперзвуковом потоке, как показано на рис. 2. На изображениях показаны градиенты плотности потока (теневой график) с наложенной хемилюминесценцией химических реакций. На рис. 2 B показан базовый нереагирующий гиперзвуковой поток, при котором форсажная камера работала, а основной впрыск топлива не был активирован, что не привело к возникновению дополнительных химических реакций в испытательной секции. На рис. 2 C показан такой же гиперзвуковой поток с включенным топливом, который привел к генерации стабилизированной ODW. Гиперзвуковой поток создается осесимметричным сужающимся-расширяющимся соплом Маха 5, как показано на рис. 2 A . Топливо и воздух предварительно смешиваются немного выше по потоку от горловины сопла, как описано в «Материалы и методы» . Угол поворота аппарели θ = 30 °. Давление торможения потока (P0) составляет 5,63 МПа, а температура торможения (T0) составляет 1060 K, в результате чего эффективное число Маха на выходе равно 4.4, величина, ожидаемая в пределах пути потока двигателя транспортного средства, летящего с числами Маха от 6 до 17, в значительной степени зависит от конструкции впускного отверстия двигателя (7⇓ – 9). Показанный здесь вариант с топливом имеет молярный состав смеси основных частиц h3 / O2 / N2 / h3O = 13,2 / 9,3 / 62,0 / 14,7% (что дает глобальное соотношение эквивалентности h3 / O2 ϕTS = 0,71).

Перед заправкой установки было проанализировано нереагирующее поле потока, чтобы подтвердить, что наклонная ударная волна, создаваемая пандусом, соответствует теоретическому решению для наклонного адиабатического скачка уплотнения для пандуса 30 °. Для данного отношения площадей сопла (A / A * = 25) нереагирующий гиперзвуковой поток показывает прогнозируемый угол наклона скачка (β) 42 ° для числа Маха втекающего потока 4,4 с отношением удельных теплоемкостей (γ) 1,3. После подачи топлива на рампе запускается ODW, который поддерживается в течение экспериментального испытания, примерно 3 с. Во время реакции самая высокая интенсивность сигнала хемилюминесценции наблюдается непосредственно над рампой из-за присутствия волны детонации в этом месте.Продолжительная детонация показана структурой реагирующего удара (RS2) на рис. 2 C . Когда набегающий поток проходит через S2, он попадает в зону индукции. В области индукции смесь нагревается за счет повышения температуры поперек скачка уплотнения. Этот нагрев позволяет протекать процессу реакции за счет самовоспламенения и образования детонационной волны с более крутым углом RS2 (73 °) (31). Скорость потока рассчитана как 99,7% от теоретической скорости волны детонации для свободно распространяющейся нормальной детонации в этой смеси, UCJ. Профиль статического давления, показанный на рис. 3 D , измеренный ниже по потоку от рампы, показывает явный рост давления, вызванный реакцией, по сравнению с исходным следом давления без реакции на протяжении всего испытания без активации топлива. Пиковое давление в 2,7 раза превышает базовое давление без реакции и в 10,5 раз превышает давление на выходе из сопла. Баланс скоростей и измерения роста давления являются сильным подтверждением образования детонации.

Рис. 3.

( A — C ) Структура детонации для трех стадий во время работы и ( D ) степень статического давления испытательной секции (давление реагирующего корпуса [PR] / давление нереагирующего корпуса [PNR ]) против.время.

Механизм косой детонации

ODW поддерживается во время активной заправки. На рис. 3 показана последовательность изображений вместе со следом давления для реагирующего случая. Фронт детонации оставался над поверхностью аппарели на время реакции. В то время как детонация поддерживается, положение фронта детонации слегка колеблется на протяжении всего цикла циклическим образом. Структура ударной волны впереди динамически реагирует на колебания фронта детонации, как это видно на временном ряду теневых изображений на рис.3. Передний фронт реакции остается в точке перегиба между скачками уплотнения S2 и RS2, в то время как реакции вдоль поверхности рампы циклически проходят вверх и вниз по потоку. Полагают, что реакция проходит через изменение от цикла к циклу детонации с недостаточной и повышенной активностью из-за турбулентного характера реагирующего потока. Дополнительное горение происходит за фронтом денотативной реакции, над ведущим фронтом реакции и у верхней стенки. Сигнал хемилюминесценции фильтруется, чтобы выделить самые сильные люминесцентные эмиссии, которые находятся в видимом диапазоне длин волн, в то время как широкие разновидности встречаются в УФ-диапазоне длин волн.Следовательно, на этих изображениях не видно свечения от широких видов в тестовой части.

Важным аспектом стабильности детонационной волны является достижение идеального баланса в составе смеси и тепловыделении для реакции в потоке с высоким числом Маха. Большое тепловыделение приведет к чрезмерной детонации, которая распространяется вверх по потоку, противодействуя потоку. И наоборот, низкое тепловыделение приведет к отступлению реакции вниз по потоку и сгоранию. Модель сжимаемого потока используется для прогнозирования пределов, при которых может быть достигнута стабильность ODW (20).Модель генерирует теоретическую оценку диапазона углов поворота и чисел Маха потока, в которых возможна стабильность ODW для данного состава смеси, статической температуры и количества тепловыделения, производимого детонацией. Полоса стабильности определяется как условия, существующие на ударной полярной полосе, показанной на рис. 4, между θCJ и θMax. При заданном числе Маха потока θCJ — это минимальный угол поворота, для которого рассчитанная детонация может быть стабилизирована, а θMax — максимальный угол поворота, при котором ODW будет оставаться прикрепленным к аппарели.Ударная полярность возникает из числа Маха Чепмена-Жуге (CJ), MCJ, которое представляет собой число Маха, при котором детонация могла бы свободно распространяться в неподвижной смеси того же состава и статической температуры. Числа Маха потока ниже этого значения не имеют стабильного решения. Поскольку значение MCJ сильно зависит от состава смеси, необходимо учитывать уровень предварительного смешивания. Это было достигнуто с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света h3 профиля топлива в испытательной секции, что более подробно обсуждается в «Материалы и методы» .Чтобы определить соответствующее значение MCJ для этого контрольного примера, были рассчитаны средние локальные коэффициенты эквивалентности (ϕTSL_AVG) от стены испытательного участка до 0,16-кратной высоты испытательного участка и от стены до 0,30-кратной высоты испытательного участка. Эти высоты соответствуют полной высоте аппарели и приблизительной высоте, на которой формируются реакция и тройная точка, и были выбраны таким образом, чтобы охватить топливо, которое с наибольшей вероятностью пройдет через зону индукции и детонационную волну. Для нижнего сегмента ϕTSL_AVG было рассчитано как 0.24, а для верхнего сегмента ϕTSL_AVG = 0,44, что дает локальные значения MCJ 2,95 и 3,68 соответственно. На рис. 4 показаны пределы стабильности ODW с диапазоном обоих значений, выделенных красной заштрихованной областью. Число Маха потока и угол наклона θ для эксперимента не меняются. Это помещает условия испытаний (M = 4,4, θ = 30 °) в теоретические пределы устойчивости, создаваемые ударными полярами для этих условий.

Рис. 4. Пределы устойчивости

ODW. MCJ увеличивается с увеличением ϕTSL_AVG, смещая полярность в направлениях, показанных стрелками.Сплошные линии представляют условия для ϕTSL_AVG = 0,24 с градиентами, расширяющимися до условий для ϕTSL_AVG = 0,44. Синий ромбовидный маркер представляет условия испытаний.

Численное моделирование

Численное моделирование проводилось в условиях, приближенных к условиям, достигнутым на экспериментальной установке, для подтверждения экспериментальных результатов и сравнения, в частности, структуры ODW. Моделирование решает реагирующие уравнения Навье – Стокса для сжимаемой жидкости путем численного интегрирования с точностью пятого порядка по пространству и второго порядка по времени на декартовой, динамически адаптирующейся расчетной сетке. Этот метод подробно обсуждается в ссылке. 32. Максимальный размер расчетной ячейки составляет 1,4 мм, а минимальный — 11 мкм. Реакции моделируются с помощью упрощенной калиброванной химико-диффузионной модели (CDM), которая использует одну скорость реакции Аррениуса для преобразования реагентов в продукты. CDM широко использовался в исследованиях детонации, и было показано, что он воспроизводит желаемые свойства горения, такие как скорость волны детонации и температура пламени (33⇓ – 35), и недавно использовался для изучения характеристик воспламенения ODW и устойчивости, когда пограничный слой присутствует на поверхность клина (32).Для этого исследования CDM был оптимизирован для водородно-воздушной смеси.

Сверхзвуковой реактивный поток через аппарель был смоделирован идеализированным образом в прямоугольной области с диагональным притоком от левой и правой границ, с использованием граничного условия на нижней стенке для моделирования взаимодействия потока с аппарелью. Таким образом, область и условия были построены так, как если бы они были повернуты на 30 °, чтобы смоделировать угол наклона на ортогональной сетке, показанной на рис. 5 A . Визуализация результатов на рис.5 B был повернут к экспериментальной системе отсчета и обрезан для более точного представления экспериментов.

Рис. 5.

( A ) Расчетная область, наложенная на геометрию аппарели рабочего участка. ( B ) Результаты моделирования, показывающие поле температуры ODW. ( C ) Экспериментальное изображение теневой диаграммы структуры ODW, наложенное на результаты моделирования из B .

Снимок численного результата показан на рис. 5 B , и такое же изображение наложено на экспериментальный теневой график на рис.5 C с соответствующими структурами, выровненными. Отсутствие турбулентности, присутствующей в моделировании, по сравнению с ее обилием в экспериментах, потребовало попытки компенсировать эффекты локальной сжимаемости и температурные флуктуации в экспериментах путем моделирования более высокого статического притока температуры. Это видно по минимальной температуре на цветной карте на рис. 5 B , которая выше, чем статическая температура топливно-воздушной смеси в экспериментах, и требовалась для инициирования ODW в моделировании.Таким образом, энтальпия поступающей топливно-воздушной смеси в моделировании увеличивается по сравнению с энтальпией экспериментальной установки, чтобы компенсировать неспособность моделирования воспроизвести турбулентность эксперимента, которая, как было показано, способствует воспламенению смеси через образование вихревых скачков и эффектов локальной сжимаемости (36). Число Маха входящего потока равно 5 (число Маха, полученное в экспериментальной установке после полного расширения набегающего воздушного потока), а статическое давление соответствует таковому в экспериментах.Горящий пограничный слой присутствует из-за сильного вязкого нагрева, который происходит вдоль границы прилипания, накладываемой на поверхность аппарели. Выше пограничного слоя набегающий поток проходит через зону индукции, в которой поток самовоспламеняется, образуя фронт реакции, который становится круче и пересекает ведущую наклонную ударную волну. Это пересечение образует тройную точку чрезвычайно высокого давления и температуры, из которой распространяется ODW. На рис. 5 C видно, что ведущая наклонная ударная волна, тройная точка и ODW очевидны как в эксперименте, так и в моделировании, все из которых являются важными характеристиками традиционной структуры ODW.При моделировании видна четкая структура ячеек детонации, типичная для распространяющейся детонационной волны.

Гиперзвуковые реактивные режимы течения

Большой диапазон условий был исследован в процессе поиска устойчивых детонационных волн, описанных в этой статье. Во время этого процесса наблюдались три основные формы поведения реакции, показывающие эволюцию и управляемость различных режимов горения в широком диапазоне условий. На рис. 6 показаны условия, испытанные на установке.Угол поворота потока поддерживался постоянным и составлял θ = 30 °, при этом варьировались давление торможения, температура торможения и состав смеси. При относительно низких общих температурах, общих давлениях и соотношениях эквивалентности, представленных режимом I на рис. 6, дефлаграционные реакции происходят по поверхности аппарели.

Рис. 6.

( слева, ) Условия эксплуатации, испытанные с наклоном для θ = 30 °, с картой стабильности для реагирующих условий испытаний. ( Справа ) Наложенный теневой график-хемилюминесценция основных режимов работы: режим I, горение под косым ударом; режим II — ударное горение диска Маха; и режим III, ODW.

При повышении температуры и давления происходит ударное горение. Для случаев режима II реакция носит колебательный характер. Начиная с точки инициирования на дальней стене, реакция начинает нарастать давление и распространяется вперед. Распространяющаяся вперед волна реакции пересекается с косым скачком уплотнения, создаваемым рампой, и образует диск Маха. Диск Маха — это нормальный удар с высокой температурой восстановления, что обеспечивает более высокую скорость реакции и более быстрое выделение тепла, что приводит к распространению избыточной детонации вверх по потоку.Скорость распространения этих реакций превышает 80% скорости детонации КС. Ударно-сопряженная реакция входит в сопло, а затем отступает вниз по потоку, чтобы либо погаснуть, либо повторить цикл.

Режим III происходит при самых высоких испытанных давлениях (от 5,6 до 5,9 МПа) и общих температурах от 1050 до 1100 К. Стабильная наклонная детонация наблюдается в испытательной секции при значениях ϕTS в диапазоне приблизительно от 0,7 до 1,2. Случай, использованный для иллюстрации устойчивого ODW, попадает в режим III.Дополнительное давление торможения в этом режиме по сравнению со всеми другими случаями оказывается решающим фактором в установлении стабильной ODW при температурах и числах Маха потока этой установки.

Реакции в этом режиме вызывают повышение давления в испытательной секции по сравнению с исходным случаем отсутствия реакции при аналогичном общем давлении и температуре. Рис. 7 A показывает отношение пикового статического давления испытательной секции во время реакции режима III по отношению к базовому статическому давлению. В режиме III рост давления остается примерно в 2,7 раза выше, чем в базовом случае. На рис. 7 B показан средний перепад давлений для всех измеренных случаев режима III за время работы. Профиль показывает постоянный и повторяемый рост давления после впрыска водородного топлива.

Рис. 7.

( A ) Нормализованное повышение давления для случаев ODW (режим III). ( B ) Среднее отношение давлений в режиме III в зависимости от времени.

Материалы и методы

Высокоэнтальпийная гиперзвуковая реакционная установка (HyperReact) в Университете Центральной Флориды (UCF) используется для этого исследования, как показано на рис.8. Установка состоит из пяти основных компонентов, которые в порядке их расположения в осевом направлении установки: подогреватель в потоке, смесительная камера, ступень впрыска основного топлива, сужающееся-расходящееся (CD) сопло и оптически. доступный тестовый раздел. Подогреватель в потоке состоит из пламени соосной водородно-воздушной струи, окруженного равномерно расположенными сопутствующими воздушными струями, потребляющими 44% кислорода. Подогреватель регулируется для достижения диапазона температур торможения от 800 до 1200 К, что соответствует статической температуре от 180 до 320 К в испытательной секции.Смесительная камера состоит из квадратного канала с внутренней высотой 45 мм и длиной 350 мм. Этот сегмент установки позволяет подавать однородную смесь в потоке в сопло КД. Основной впрыск топлива, используемый для последующих реакций, вводит дополнительное топливо перед подачей в сопло CD, чтобы обеспечить предварительное смешивание. Сопло CD имеет осесимметричное квадратное сечение по всей длине сопла. Характерным масштабом длины сопла является высота 45 мм как для входа, так и для выхода, а высота горловины составляет 9 мм.Соотношение площадей на входе и выходе и выходе из горла составляет 25: 1. Сужающаяся часть сопла CD спроектирована для создания однородного профиля скорости в горловине и минимизации роста пограничного слоя, как подробно описано Беллом и Мехтой (37). Расширяющаяся часть сопла состоит из трехмерного контура, полученного с помощью аналитического метода Фельша (38), и функция кубического согласования используется (39) для плавного перехода между двумя сегментами сопла. Дополнительные сведения о конструкции сопла можно найти в исх.40. Сопло CD обеспечивает выходное число Маха M = 5,0 для сухого воздуха при 300 K (24, 40). Эффективное число Маха зависит от температуры и зависящего от состава отношения теплоемкости смеси, поступающей в сопло для испытания, что дает диапазон от 4,3 до 4,6. Сопло КД выдает гиперзвуковую струю смеси в оптически доступную рабочую секцию, состоящую из квадратного канала высотой 45 мм и длиной 159 мм. Топливо, используемое для ступени подогревателя и основного впрыска топлива, составляет 99.99% водород сверхвысокой чистоты. Воздух подается из баллона источника давления 34,45 МПа.

Рис. 8.

Схема экспериментальной установки HyperReact.

Расход топлива и воздуха, подаваемого на объект, измеряется через прецизионные дроссели. Диаметр воздушного отверстия составляет 4,57 мм. Отверстия для топливопровода подогревателя и магистрали основного впрыска топлива различаются по размеру, чтобы соответствовать широкому диапазону расходов топлива, необходимому для охвата протяженности испытанных условий. Используемые размеры топливных отверстий находятся в диапазоне от 0.Диаметр от 56 до 1,57 мм в зависимости от фракции смеси. Давление перед каждым дроссельным отверстием измеряется с помощью датчиков абсолютного давления Dwyer 626 с диапазонами от 0 до 20,68 МПа и точностью 1% от полного диапазона. Коэффициенты эквивалентности как предварительной горелки (ϕburner), так и условий ниже по потоку в испытательной секции (ϕTS) рассчитываются исключительно на основе количества O2 и h3 в потоке в этих местах, и предоставляется мольная доля обнаруженных дополнительных частиц. в формате (% h3 /% O2 /% N2 /% h3O).Уровень предварительного смешивания топлива приводит к профилю топлива испытательной секции, который показан на фиг. 9, который был экспериментально определен посредством измерений спектроскопии комбинационного рассеяния света во время нереагирующей операции с локальной концентрацией h3. Локальный коэффициент эквивалентности предварительно смешанной смеси (ϕTSL) вблизи поверхности аппарели затем используется при вычислении ϕTSL_AVG, определяемого как средняя концентрация топлива между стенкой испытательной секции при y / h = 0 и выбранной верхней границей. Характеристики ODW, включая пределы устойчивости MCJ и ODW, были рассчитаны с использованием значений ϕTSL_AVG, определенных этим методом.

Рис. 9.

Схема места измерения топлива и построенная по кривой локальная концентрация топлива. Также показаны пределы, используемые для определения ϕTSL_AVG.

Для стабилизации детонационной волны используется аппарель с углом поворота 30 °. Пандус охватывал всю ширину испытательного участка и размещался на расстоянии 44 мм от выходной плоскости CD. Высота аппарели составляет 7,5 мм, чтобы избежать блокирования более 17% в испытательной секции. Задняя поверхность аппарели имеет разгрузку под углом 3 ° по отношению к стенке испытательной секции.Это позволяет потоку частично расшириться по своей длине. Измерения статического давления испытательной секции производятся на средней плоскости верхней стенки испытательной секции, отмеченной красной точкой на рис. 8.

ODW регистрируется с использованием одновременной визуализации хемилюминесценции с помощью высокоскоростного шлирена и видимого диапазона с длиной волны от 450 до 875 нм. Испытательная секция имеет окна из плавленого кварца на боковых стенках для полного оптического доступа к области опроса длиной 105 мм и высотой 45 мм. Шлирен-система состоит из установки Z-типа с двумя 152.Сферические зеркала диаметром 4 мм с фокусным расстоянием 1,52 м и мощный светодиодный источник света Luminus PT-121-G. Как шлирен, так и хемилюминесцентные изображения снимаются с помощью высокоскоростных камер Photron SA1.1, записывающих со скоростью 30 килофреймов в секунду. Шлирен-камера оснащена объективом Nikon от 70 до 300 мм от f / 4 до f / 5,8 и позволяет получать изображения с разрешением 640 × 288 пикселей, что дает пространственное разрешение примерно 164 мкм / пиксель. Хемилюминесцентная камера, оснащенная объективом Nikon Nikor 50 мм f / 1.2, работала с разрешением 350 × 163 пикселей, что дало приблизительное пространственное разрешение 300 мкм / пиксель.

Доступность данных

Все данные исследования включены в статью и приложение SI .

Благодарности

Эксперименты спонсировались Управлением научных исследований ВВС (FA9550-16-1-0441 и FA9550-19-1-0322, руководитель программы д-р Чипинг Ли). Анализ поддержан премией NSF 1914453. Поддержка аспирантов была предоставлена ​​Консорциумом космических грантов НАСА Флориды через стипендию повышения квалификации и стипендию президента UCF.Поддержку доктору Джонатану Сосе оказала стипендия Карлеса Лаборатории морских исследований (NRL). Поддержка г-на Кристиана Бахмана, выполнившего вычислительное моделирование, была оказана базовой программой NRL.

Сноски

• Вклад авторов: D.A.R., J.S., C.B., G.B.G. и K.A.A. спланированное исследование; D.A.R., M.T. и J.S. проведенное исследование; C.B. и G.B.G. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; D.A.R., J.S., C.B., G.B.G. и K.A.A. проанализированные данные; и Д.A.R., J.S., и K.A.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2102244118/-/DCSupplemental.

• Авторские права © 2021 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Тук-тук, время детонации | OnPoint Dyno

Самый частый вопрос, который мне задают мои клиенты с двигателями с принудительной индукцией: Почему мы не можем увеличить мощность? Почему ты не можешь просто еще немного прибавить? Почему ты не можешь просто добавить больше таймингов?

Ответ на этот вопрос заключается в том, что мы ограничены по количеству ударов.Эти парни не отпускают меня легко. Это недостаточно хороший ответ. Они хотят знать, почему возникает этот стук и как от него избавиться. Это стоит им силы! Ну, это немного сложнее, чем просто покупать какие-то детали.

Сначала мы должны описать и объяснить стук (или детонацию). Затем мы можем посмотреть, что вызывает стук и что можно сделать, чтобы уменьшить его. Поняв, что такое стук, вы сможете понять ограничения, связанные с настройкой вашего двигателя. Мы надеемся, что это даст новым клиентам возможность оценить безопасный предел мелодии и понять, почему нельзя просто «добавить еще больше, братан».”

Что такое детонация (детонация, искра-детонация)?

Детонация означает, что карманы из смеси топлива и воздуха внутри камеры сгорания воспламеняются отдельно от исходного фронта пламени, который воспламеняется свечой зажигания. Эти карманы не горят контролируемым образом — они скорее взрывоопасны. Эти взрывные взрывы могут повредить двигатель, и их можно услышать как звуковой сигнал, когда волна давления от взрыва резонирует через блок двигателя. В зависимости от серьезности детонации повышение давления в камере может быть немного выше нормального пикового давления или значительно превышать нормальные пределы, которые обычно видит двигатель, что может привести к повреждению двигателя.

График давления в цилиндре от детонации (синий) по сравнению с нормальным чистым горением (красный). Обратите внимание на то, что синяя кривая имела более продвинутое зажигание, о чем свидетельствует более раннее повышение давления. Фото: High Power Media

Эти скачки давления пробивают защитный пограничный слой относительно холодного газа и вызывают эрозию и чрезмерную передачу тепла внутренним компонентам двигателя. Длительная сильная детонация может привести к повреждению поршней, прокладок головки блока цилиндров, свечей зажигания и головок цилиндров.Сильные удары от детонации также могут привести к разрушению компонентов — представьте, что вы ударили молотком по углу поршня — вы можете представить себе, как растрескивается кольцо. Или представьте, как роняете свечу зажигания на землю, вы, скорее всего, можете сломать часть свечи.

Это пример детонационной точечной коррозии и оплавления поршня. Фото: Неизвестный

Важно понимать, что не всякая детонация разрушительна. Детонация при небольшой нагрузке обычно не имеет достаточно значительного давления, чтобы повредить двигатель.Даже безнаддувные двигатели при полной нагрузке часто могут выдержать длительный период сильной детонации без каких-либо видимых повреждений.

Что такое предварительное зажигание?

Pre-ignition — большой плохой пьяный дядя Детонации. Предварительное зажигание происходит, когда двигатель настолько расстроен текущим состоянием, когда часть топливной смеси воспламеняется на до того, как на свеча зажигания зажгла начальное пламя. Как правило, этого никогда не должно происходить на исправном двигателе, но стоит учитывать преждевременное зажигание, потому что сильная детонация может создать идеальную среду для развития преждевременного зажигания.Теплоотдача от детонации может привести к тому, что внутренние детали двигателя станут гореть или сильно нагреются. Это в сочетании с чрезмерной нагрузкой на двигатель может вызвать преждевременное зажигание. Как только начинается предварительное зажигание, вы можете себе представить, что это может быть очень разрушительным делом, поскольку никакая регулировка угла опережения зажигания не будет иметь существенного значения, чтобы остановить его.

Что вызывает детонацию?

Детонация возникает, когда карманы с воздухом и топливом находятся под достаточным нагревом и давлением для самовоспламенения.Мы можем разделить причины на две основные категории: октановое число топлива (октан — это сопротивление топлива детонации) ИЛИ механические характеристики двигателя.

Топливо:

Топливо — это наиболее распространенный способ устранения детонации. Больше октанового числа = меньше детонации, при прочих равных. Когда вы идете на заправочную станцию, число, которое вы видите на заправке, — это октановое число бензина — это показатель устойчивости топлива к детонации.

Такие добавки, как октановые бустеры, впрыск воды или впрыск метанола, могут повысить эффективное октановое число топлива, в то время как избыток масла во впускном тракте может снизить эффективное октановое число топлива.По этой причине очень важно иметь эффективный воздушно-масляный сепаратор картера, если картерные газы должны рециркулировать обратно во впускной тракт.

Такие топлива, как E85 или метанол, которые имеют гораздо более низкое стехиометрическое соотношение, чем бензин, достигают более высокого октанового числа отчасти из-за их охлаждающего эффекта из-за большего количества впрыскиваемого топлива, а также из-за гораздо большей скрытой теплоты парообразования, которая является количеством тепла, которое удаляется, когда эти жидкости переходят в газообразное состояние.Горючее для гонок имеет гораздо более высокое октановое число, основанное на химическом составе топлива, с использованием состава, который может гореть контролируемым образом при более высоких температурах и давлениях, чем бензин для насосов.

Было проведено много исследований и существует множество динографических диаграмм, сравнивающих идентичные установки с одним типом топлива с другим. Сравнивать виды топлива очень просто, нужно просто откачать бак. Количественно оценить механические изменения не так-то просто.

Этот FR-S с наддувом показал значительный прирост мощности на более высоких оборотах с впрыском метанола, поскольку он был ограничен по детонации на топливном насосе.

Механические характеристики:

В то время как топливо влияет на детонацию довольно просто, механические характеристики, которые влияют на вероятную детонацию (механическое октановое число), намного сложнее, и многие из них изучаются производителями оборудования с использованием современного программного обеспечения для моделирования двигателя. Давайте посмотрим на некоторые механические атрибуты, которые способствуют детонации:

Момент зажигания — Самым распространенным источником детонации является определение угла опережения зажигания.Чем раньше воспламеняется топливно-воздушная смесь, тем большее давление создается в камере сгорания. Пока мы можем достичь MBT (минимальное время для достижения наилучшего крутящего момента) до детонации, мы не слишком озабочены тем, сколько времени могло бы привести к детонации. Двигатель считается «ограниченным по детонации», когда детонация возникает до того, как можно будет достичь идеального момента зажигания для достижения максимального крутящего момента. Это обычно имеет место в большинстве двигателей с принудительным впуском, работающих на насосе, в двигателях без наддува с высокой степенью сжатия или даже в типичных двигателях с низкооктановым топливом.Потеря мощности тем больше, чем дальше мы удаляемся от MBT, в конечном итоге до точки, когда двигатель начнет не работать и начнет плохо работать из-за чрезмерно замедленного момента зажигания. Эту ситуацию можно наблюдать, если использовать более сильный наддув, чем определенное топливо может поддерживать в конкретном приложении.

На левом графике вы можете увидеть, что происходит с давлением в цилиндре по мере увеличения угла опережения зажигания — этого намного больше! На двигателе с ограничением детонации увеличение угла опережения зажигания усугубит проблему! Также стоит отметить, что давление в цилиндре будет продолжать расти с опережением зажигания даже после пиковой мощности.Другими словами, увеличение угла опережения зажигания всегда создает более высокое пиковое давление в цилиндре, но не обязательно увеличивает мощность. Фото: неизвестный учебник.

Heat — Чем горячее камера сгорания, тем выше вероятность детонации. Температура воды и температура заряда играют большую роль. Температура масла, температура топлива и противодавление в выпускном коллекторе также влияют на температуру в камере сгорания, что влияет на детонацию.

Давление — Большая нагрузка на двигатель приближает вас к порогу детонации.Очевидно, что в камере сгорания больше тепла и больше давления от дополнительного воздуха и топлива, которые вызывают детонацию. Эффективный воздушный поток за счет правильной синхронизации клапанов, хорошего напора и низкого противодавления выхлопных газов снижает детонацию.

Степень сжатия — Чем выше степень сжатия двигателя, тем больше тепла и давления создается в камере сгорания, что приводит к более высокой вероятности детонации.

Даже OEM-производители борются со стуком.Здесь Mazda определяет идеальную степень сжатия как ту, которая обеспечивает максимальный крутящий момент для определенного топлива. Фото: Mazda Hong Kong (Skyactiv)

Завихрение и турбулентность — Способность двигателя создавать завихрение, и турбулентность в камере сгорания будет играть большую роль в механическом октановом числе. Чем быстрее происходит горение, тем меньше времени остается для нагрева и давления за пределами первичного ядра пламени, что снижает время зажигания, необходимое для двигателя, и увеличивает механическое октановое число.Турбулентность и завихрение являются одними из параметров, которые OEM-производители тратят много времени на моделирование и симуляцию, чтобы добиться максимально быстрого и однородного горения.

Головка блока цилиндров и конструкция поршня — Как и в предыдущем случае, производители оригинального оборудования тратят много времени на конструкцию головок цилиндров и поршней для работы с потоком охлаждающей жидкости и гашением цилиндров, чтобы повысить тепловую эффективность и уменьшить детонацию (чтобы обеспечить более высокое сжатие соотношения). Гашение помогает снизить детонацию за счет охлаждения концевых газов и нагнетания воздушно-топливной смеси в центр камеры сгорания по мере приближения поршня к ВМТ.

Зоны гашения или зоны «сплющивания» обеспечивают остаточным газам значительное охлаждение (гашение) и заставляют эти выхлопные газы приближаться к свече зажигания, когда поршень приближается к ВМТ. Эти атрибуты помогают снизить вероятность удара. Фото: Неизвестный

Топливная смесь — Чем беднее смесь, тем выше вероятность детонации.

Blow-By — Двигатель с плохой вентиляцией картера приведет к чрезмерной продувке, что приведет к детонации.Как мы упоминали ранее, масло снижает эффективное октановое число топлива, поэтому, если картерные газы не могут выйти из картера, они снова попадут в камеру сгорания и снизят эффективное октановое число.

Острые края / скопление нагара / неправильные свечи зажигания / горячие точки — Любые части камеры сгорания, которые удерживают чрезмерное тепло, могут стать источником локального риска детонации. Это включает скопление нагара, свечи зажигания, которые слишком горячие для применения, или острые края поршня или головок, которые могут задерживать тепло.

К сожалению, большинство этих механических атрибутов встроено в архитектуру двигателя. Даже во время сборки двигателя вы мало что можете сделать, чтобы изменить охлаждающие свойства или конструкцию головки блока цилиндров и поршня вашего двигателя. Без надежных данных о различных типах покрытий и влиянии острого состояния поршней «фрезерованием» на поршни, обработанные вручную, очень трудно определить ценность этих дорогостоящих опций для вашего доллара.

Подведение итогов:

Самый простой способ извлечь больше из вашего двигателя — использовать топливо с более высоким октановым числом и обеспечить охлаждение двигателя, соответствующее поставленной задаче.Это включает охлаждение наддувочного воздуха и водяное / масляное охлаждение. И, наконец, убедитесь, что у вас есть хороший воздушно-масляный сепаратор и что масло не попадает в камеру сгорания. Помимо этих советов, вы попадаете в зону развития и в некоторой степени сами по себе. Я хотел бы услышать результаты тестов, в которых экспериментируют с покрытиями, портированием, сжатием / закалкой и другими средствами для улучшения механического октанового числа, поэтому, если вы что-то узнали, пожалуйста, поделитесь!

Итак, теперь, когда у вас есть хорошее представление о детонации, надеюсь, вы сможете оценить, когда вам скажут, что двигатель работает на безопасном пределе.Имейте в виду, конечно, что настройка на динамометрическом стенде происходит в очень последовательной и контролируемой среде. Задача тюнера — дать вам настройку, которая, по его мнению, будет безопасна для двигателя во всех ожидаемых условиях эксплуатации. Если у вас нет бюджета, чтобы провести сотни часов испытаний в пустыне Аризоны и вы не сможете достать плохой бак с горючим, чтобы добавить его в смесь, вероятно, неплохо было бы просто позволить тюнеру удалить пара градусов синхронизации, чтобы дать вашему двигателю безопасную буферную зону для суровых реалий реального мира.

При этом двигатели, у которых есть правильно откалиброванные системы контроля детонации, могут позволить себе использовать более агрессивную установку угла опережения зажигания, поскольку у них есть система, которая допускает только одно или два события детонации перед удалением момента зажигания и добавлением топлива, чтобы уберечь двигатель от повреждений. Двигатели, у которых нет контроля детонации, необходимо настраивать с большим количеством буфера, так как детонация имеет тенденцию приводить к большему количеству ударов — опасный эффект снежного кома, который может быстро повредить ваш двигатель.

Бесконечные взрывы могут взорвать гиперзвуковой корабль в космос

Бесконечная детонация может быть ключом к гиперзвуковому полету и космическим самолетам, которые могут беспрепятственно лететь с Земли на орбиту.И теперь исследователи воссоздали взрывное явление в лаборатории, которое могло сделать это возможным.

Детонации — это особенно мощный вид взрыва, который движется наружу быстрее, чем , скорость звука . Мощный взрыв , сотрясший порт Бейрута в Ливане в августе прошлого года , был детонацией, и вызванные им широкомасштабные разрушения демонстрируют огромное количество энергии, которое они могут произвести.

Ученые давно мечтают создать авиационные двигатели, которые могли бы использовать эту энергию; теоретически такое судно могло бы долететь из Нью-Йорка в Лондон менее чем за час.Но взрывы невероятно трудно контролировать и обычно длятся менее микросекунды, поэтому никому еще не удалось воплотить их в жизнь.

Связано: 10 самых больших взрывов в истории

Теперь команда из Университета Центральной Флориды создала экспериментальную установку, которая позволяет им выдерживать детонацию в фиксированном положении в течение нескольких секунд, что исследователи скажем, это важный шаг к будущим гиперзвуковым двигательным установкам.

«Мы пытаемся контролировать этот взрыв», — сказал Карим Ахмед, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники Университета Центральной Флориды и ведущий автор новой статьи об исследовании, опубликованной в понедельник ( 10 мая) в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы хотим заморозить его в космосе и использовать эту энергию. Вместо того, чтобы он разрушал здания, как вы видели в Ливане, теперь я хочу использовать его и создавать с его помощью тягу», — сказал Ахмед Live Science.«Если мы сможем это сделать, мы сможем путешествовать очень быстро».

Прорыв был основан на десятилетиях исследований теоретической силовой установки, называемой двигателем с наклонной детонационной волной (ODWE). Концепция работает путем направления смеси воздуха и топлива на гиперзвуковой скорости (более чем в пять раз превышающей скорость звука) к аппарели, которая создает ударную волну. Эта ударная волна быстро нагревает топливно-воздушную смесь и заставляет ее взорваться, выбрасывая выхлопные газы из задней части двигателя на высокой скорости.Результат? Большая тяга.

Когда смесь воздуха и топлива взрывается таким образом, результирующее сгорание становится более эффективным, поскольку сгорает почти 100% топлива. Детонация также создает большое давление, а это означает, что двигатель может создавать гораздо большую тягу, чем другие подходы. По словам исследователей, теоретически этот взрыв должен приводить в движение самолет со скоростью, в 17 раз превышающей скорость звука, что могло бы быть достаточно быстрым, чтобы космический корабль мог просто вылететь из атмосферы , вместо того, чтобы использовать подъемник. на ракетах.

Задача состоит в том, чтобы выдержать детонацию достаточно долго, чтобы обеспечить такой полет, а предыдущие экспериментальные демонстрации достигли максимума всего за несколько миллисекунд. Основная трудность, по словам Ахмеда, заключается в том, чтобы не допустить распространения детонации вверх по потоку к источнику топлива, где она может нанести серьезный ущерб, или дальше вниз по потоку, где она выдохнется.

«Всегда был вопрос:« Ну, если вы держите его в течение миллисекунды или около того, вы просто держали его временно? »- сказал Ахмед.«Вы не знаете, стабилизировались вы или нет».

Чтобы увидеть, могут ли они улучшить предыдущий рекорд, Ахмед и его коллеги построили серию камер длиной примерно 2,5 фута (0,76 метра), которые смешивают и нагревают воздух и газообразный водород перед тем, как разогнать его до гиперзвуковых скоростей и выстрелить. это у пандуса.

Тщательно уравновешивая пропорции топливовоздушной смеси, скорость газового потока и угол наклона аппарели, они смогли создать детонацию, которая оставалась фиксированной в течение примерно 3 секунд.Этого достаточно, чтобы подтвердить, что детонация стабилизировалась в фиксированном положении и не двигалась вверх или вниз по течению, сказал Ахмед, что является первым важным шагом на пути к реализации реального ODWE.

Фрэнк Лу, профессор механической и аэрокосмической техники Техасского университета в Арлингтоне, специализирующийся на детонационных двигателях, сказал, что демонстрация стабильной детонации является значительным достижением. Чтобы разработать практический двигатель, исследователи теперь должны будут выяснить, как работать в диапазоне скоростей и высот и бороться с нестабильностью горения, вызванной такими вещами, как неравномерное смешивание топлива и воздуха.

«Я думаю, что исследователи проделали отличную работу, и с нетерпением жду дальнейших результатов», — сказал Лу Live Science.

Исследователи провели свой эксперимент всего несколько секунд, главным образом потому, что интенсивность детонации быстро разрушает стеклянные стенки испытательной камеры, объяснил Ахмед. Они должны были использовать стекло в своих первоначальных испытаниях, чтобы они могли проводить оптические измерения детонации, но, если бы они заменили их металлическими сторонами, они могли бы проводить детонацию намного дольше, сказал он.

И многообещающе, сказал Ахмед, структура тестового устройства не сильно отличается от конструкции полномасштабного ODWE. Основная задача исследователей сейчас состоит в том, чтобы понять, как они могут изменить три ключевых компонента: топливную смесь, скорость воздушного потока и угол наклона траектории, сохраняя при этом стабильность детонации.

«Теперь мы продемонстрировали, что это выполнимо, это скорее инженерная проблема, чтобы изучить, как поддерживать это в более крупной операционной области», — сказал Ахмед.

Первоначально опубликовано на Live Science.