Детонации: Детонация в двигателе — причины и следствия — журнал За рулем

ᐉ Детонация топлива

Детонация — это режим горения топлива, при котором по нему распространяется ударная волна, вызывающая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического нормального разрыва.

Явление детонации — ограничивающий фактор для выходной мощности и эффективности двигателя с искровым воспламенением.

Механизм детонации — нарастание внутри цилиндра двигателя волны давления, движущейся с такой скоростью, что ее удар о стенки цилиндра и поршень заставляет стенки цилиндра вибрировать и, таким образом, издавать характерный «звон». Когда искра воспламеняет горючую смесь из топлива и воздуха, ядро пламени растет сначала медленно, а затем быстро ускоряется. По мере того как фронт пламени продвигается, он сжимает перед собой еще не воспламененную смесь. Температура еще не воспламенившейся смеси поднимается за счет сжатия и теплового излучения от продвигающегося пламени, пока остающаяся часть смеси не воспламеняется спонтанным взрывом. Волна давления от этого взрыва проходит через горящую смесь с очень высокой скоростью, и стенки цилиндра испускают звенящий звук удара.

Детонация не представляет опасности при малых скоростях движения, так как водители обычно избегают этого, снижая нагрузку на двигатель при первом же предупреждении. Но на более высоких скоростях, когда уровень шума движения высок, характерный звук детонации часто почти невозможно обнаружить. Детонация — чрезвычайно опасная вещь, которая способна полностью разрушить двигатель.

Высокая температура сжатия и давление способствуют детонации. Кроме того, важна способность несгоревшей смеси поглощать или передавать тепло, излучаемое продвигающимся фронтом пламени. На эту способность влияют скрытая энтальпия (теплосодержание) смеси и конструкция камеры сгорания. Последняя должна быть устроена соответствующим образом для адекватного охлаждения несгоревшей части смеси, например, размещением ее вблизи хорошо охлаждаемой области вроде клапана входного отверстия.

Путь фронта пламени должен быть максимально сокращен тщательным выбором расположения точки воспламенения. Прочие факторы включают время (и, следовательно, момент зажигания), так как реакция в несгоревшей смеси требует времени для своего развития, степень турбулентности (вообще говоря, более высокая степень турбулентности имеет тенденцию снижать детонацию за счет срыва фронта пламени) и, что наиболее важно, склонность самого топлива к детонации.

Некоторые виды топлива в этом отношении ведут себя чуть лучше других. Чтобы улучшить качество топлива, его можно обработать добавками (например, тетраэтилсвинцом). Однако это усугубляет и без того трудную проблему выбросов. Топливо с хорошими антидетонационными свойствами — это изооктан, а наиболее склонен к детонации обычный гептан.

Чгобы получить октановое число или оценку антидетонационных свойств конкретной смеси топлива, тест выполняют на двигателе, который работает при тщательно контролируемых условиях, и начало детонации сравнивают с теми значениями, которые получены от различных смесей изооктана и обычного гептана. Если работа двигателя идентична, например работе на смеси 90% изооктана и 10% гептана, топливо имеет октановое число 90.

Подмешивание к топливу воды (или метанола и воды) может уменьшить детонацию. Спиртосодержащее топливо, которое позволяет воде удерживаться в растворе, является полезным еще и потому, что благодаря скрытой энтальпии воды дает возможность добиться лучшего использования топлива.

Детонация двигателя, причины детонации двигателя, как устранить детонацию. Основные причины детонации мотора. Причины детонации мотора и методы ее устранения

Детонация мотора — одна из наиболее тревожных проблем автомобиля. Однако, большинство автолюбителей даже не представляет, что это за процесс и почему возникает. По сути, возникает детонация при неправильном распределении смеси «воздух-горючее» внутри цилиндра, что делает неравномерным горение. В оптимальных условиях горючее сгорает в цилиндре при смешивании с необходимой энергией и воздухом. Когда внутри цилиндра возникает взрыв, оно горит неровно, что способно повредить сам поршень и стенки цилиндра. 

Детонация, что это такое

Детонацией мотора называют процесс самопроизвольного возгорания топливной смеси в цилиндрах, что носит характер взрывной волны.

Появилась она одновременно с мотором внутреннего сгорания и описывают ее в качестве автоматического зажигания газа в камере сгорания. Изначально проверить действие детонации было невозможно и считалось, что вся проблема в зажигании. Однако уже в 1940-х годах теория ее возникновения была проверена.

Датчик детонации, где находится и о чем сигналит

На современных аппаратах вмонтирован датчик детонации, что способен осуществлять контроль над уровнем опасности.

Данный прибор воспринимает, после чего преобразовывает в электрический импульс механическую энергию колебаний цилиндров. В действительности, датчик все время посылает сигналы в электронный блок управления мотором, когда сам блок контролирует изменения угла опережения зажигания и состава смеси. Кроме того, благодаря ему можно достигать максимально экономичной работы при большой мощности мотора.

Признаки детонации, на что должен обратить внимание водитель

Когда мотор переходит в детонацию, слышен сильный шум. Так как ее последствия довольно печальны, необходимо диагностировать причину данного взрывного горения топливной смеси. Для устранения проблемы, возможно, необходимо изменить работу мотора, иначе она способна его разрушить на протяжении короткого промежутка времени.

Специфический звук от мотора в процессе такого явления вызван давлением волны от вибрации стенок цилиндра в случае сгорания. Высоту звуковой волны определяют форма и газ, толщина и размеры камеры сгорания, а также стенки цилиндра.

Детонация мотора на холостом ходу способна произойти после прохождения автомобилем условий, что способствуют повышению нагрева элементов силового агрегата. Если даже зажигание выключить, коленчатый вал под влиянием энергии продолжает движение, которое приводит к попаданию горючего в цилиндр двигателя, где оно успевает нагреться до высоких температур и воспламеняется само по себе.

Причины детонации двигателя

Детонация мотора имеет один из наиболее разрушительных эффектов в каком-угодно агрегате.

Именно по этому необходимо срочно узнать способы устранения проблемы, после обнаружения следующих причин взрывного горения:

1. Проблемы управления мотором.
2. Проблемы охлаждения двигателя.
3. Свечи зажигания неправильно подобраны.
4. Датчик О2 плохой.
5. Топливный насос неправильно функционирует.
6. Топливные инжекторы ограничены.
7. Неисправные форсунки.
8. Забитый или грязный топливный фильтр.
9. Октановое число топлива низкое.
10. Качество горючего низкое.

Стоит знать, что данные причины являются относительными.

Не существует абсолютного времени, опережения зажигания или смещения силы, которые гарантируют появление детонации. Однако и нет совершенно никаких абсолютных параметров, какие гарантируют, что данное явление не произойдет.

Существует масса причин появления детонации двигателя, мы рассмотрим наиболее распространенные.

Низкое качество топлива, одна из причин детонации

Одной из самых популярных причин детонации мотора является низкое октановое число и низкое качество горючего, которое способно вызвать множество проблем, таких как чрезмерно высокое давление в цилиндрах и повышенная температура в камере сгорания.

Октановое число отображает, какую степень сжатия сможет перенести бензин — чем рейтинг выше, тем горючее устойчивее к возгоранию. Именно по этому более сложным моторам высокого давления необходимо более дорогое горючее. Иногда октановое число горючего называют антидетонационным индексом. Изготовители советуют определенный вид смеси, что бы достигнуть в своих автомобилях максимальной производительности.

Такие проблемы способны привести к предварительному зажиганию, что, в свою очередь, влечет за собой преждевременное сгорание топлива в моторе. В камере сгорания бензин способен воспламениться в результате неправильной степени сжатия или от свеч зажигания. Любой фактор и такое хрупкое равновесие способно испортить весь процесс. Слишком низкое сжатие мотора приводит к тому, что горючее не сгорает полностью и оставшиеся элементы прилипают к внутренним отделам камеры. Такое накопление оказывает на цилиндры отрицательное влияние, что является частой причиной взрывного горения.

Нагар в цилиндрах, вторая причина детонации

Все виды горючего имеют определенный уровень очистки, но этого бывает недостаточно для остановки отложения нагара. Когда отложения образуются, эффективно уменьшается объем цилиндра, сжатие увеличивается и способно вызвать детонацию. Для решения проблемы необходимо купить в автомагазине моющие присадки, после чего изменить горючее.

Свечи зажигания, как свечи зажигания влияют на возникновение детонации

Еще одна причина детонации мотора — применение неправильных свечей зажигания. Довольно часто автолюбители покупают неправильные устройства, как правило, с целью экономии, тем самым, не придерживаясь рекомендаций изготовителя. Так как свечи зажигания дают возможность осуществлять контроль над внутренней средой мотора и работают в достаточно точных условиях, неверно подобранные свечи способны создать условия для неправильного сгорания горючего. Они способны привести к повышению температуры ходовых частей и к наращиванию сгорания в камере, которые являются основными причинами возникновения детонации.

Выше описанные причины являются самыми распространенными и достаточно недорогими в плане исправления проблемы. Однако если в вашем транспортном средстве после устранения данных причин детонация в моторе все же присутствует, необходимо отправиться в автосервис, где ваша проблема будет решена быстро и эффективно.

Детонация двигателя, как предотвратить и устранить детонацию

Высокая скорость движения дает возможность снизить вероятность появления детонации, так как она уменьшает время сжигания. Следовательно, уменьшается максимальное давление и высокие температуры не будут оказывать свое воздействие на смесь воздух-топливо. Например, если вы ведете свое транспортное средство с холма по ровной прямой дороге. Когда вы опять будете ехать в гору, то начнете терять скорость и иногда можно услышать, как мотор автомобиля детонирует. Для получения ускорения, вы переключаете передачу ниже на одну или две позиции и ускоряетесь вновь, убирая данное явление.

На самом деле повышение влажности также сокращает риск детонации. Снижению температуры горения способствует высокое содержимое воды в воздухе.

Что бы получить максимальную производительность без детонации автомобилисты используют следующие трюки:

1. Используют более высокооктановое горючее.
2. Тормозят на опережение зажигания.
3. Снижают температуру в камере сгорания — это возможно при помощи интеркулера или посредством нагнетания воды. Входящий нагнетенный воздух принимает охладитель и передает его путем серии воздушных охладителей, уменьшая температуру.

Советы профессионалов

Детонация мотора является не новой проблемой, на протяжении многих лет производители пытались устранить ее возникновение. Хотя процесс детонации довольно сложный и потенциально опасный для мотора, поняв причины детонации, ею можно легко управлять. Посторонние стуки и шумы, исходящие от вашего двигателя могут указывать на детонацию, по этому необходимо своевременно обратить на них внимание и немедленно убрать их.

Взрыву вопреки — Авторевю

Что позволяет современным бензиновым двигателям работать без особых проблем на топливе с разным октановым числом? Откуда такая всеядность — и почему нынешние двигатели почти равнодушны к детонации?

Детонация стала самым страшным врагом инженеров сразу после изобретения двигателя внут­реннего сгорания в XIX веке. Для большей отдачи увеличивали степень сжатия, вслед за которой росли давление и температура смеси в цилиндре в конце такта сжатия, — и после подачи искры топливовоздушная смесь детонировала. То есть воспламенялась практически мгновенно по всему объему камеры сгорания: этакий мини-взрыв, разрушающий детали двигателя.

Проблему усугубило появление наддува: сперва на авиационных моторах (в годы Первой мировой войны), а затем и на автомобильных. Чем выше давление в цилиндре, тем больше мощность — но и склонность к детонации тоже возрастает. Конструкторам пришлось уменьшать степень сжатия и применять высокооктановый бензин, но этого было недостаточно.

Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года — первый серийный легковой автомобиль с турбомотором: степень сжатия у двигателя V8 объемом 3,5 л уменьшать не стали, но применили систему впрыска воды (схема справа). Мощность по сравнению с атмосферником увеличилась со 188 до 218 л.с., крутящий момент — с 312 до 408 Нм

Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года — первый серийный легковой автомобиль с турбомотором: степень сжатия у двигателя V8 объемом 3,5 л уменьшать не стали, но применили систему впрыска воды (схема справа). Мощность по сравнению с атмосферником увеличилась со 188 до 218 л.с., крутящий момент — с 312 до 408 Нм

Оставалось регулировать угол опережения зажигания. Ведь чем позже проскакивает искра, тем медленнее растет давление в цилиндре, да и его пик меньше — а значит, снижается вероятность детонации.

Но вот незадача: мощность двигателя при этом тоже уменьшается. Так что в предельных режимах — например, на взлете, когда необходима максимальная отдача, — с детонацией боролись… с помощью обычной воды! Ее впрыскивали во впускной коллектор, она испарялась в камере сгорания, снижая температуру топливовоздушной смеси, — и предотвращала детонацию.

Тем временем химики тоже не сидели без дела. В 1921 году сотрудники компании General Motors Чарльз Кеттеринг и Томас Мидгли обнаружили, что добавление химического соединения под названием тетраэтилсвинец в бензин существенно повышает его антидетонационную стойкость — иными словами, увеличивает октановое число. Через пару лет в GM вместе с компанией DuPont наладили промышленное производство этой добавки к бензину под маркой Этил — намеренно не упоминая слова «свинец». Ведь этот тяжелый металл вызывает опасные отравления.

Экологи начали бить тревогу с конца 60-х годов, а в 1973 году в американском Агентстве по защите окружающей среды (EPA) подготовили первый акт о запрете этилированного топлива. Но его дешевизна и усилия лоббистов химичес­кой и автомобильной промышленнос­ти были настолько велики, что заметно уменьшить использование тетраэтил­свинца в Штатах удалось только к началу 90-х. Помогло то, что тетраэтилсвинец «отравлял» каталитическое покрытие сот нейтрализаторов и препятствовал их внедрению в качестве систем очистки отработавших газов.

Toyota Crown Turbo 1980 года с системой контроля детонации при помощи резонансного пьезодатчика. Рядная двухлитровая «шестерка» M-TEU с турбонаддувом и впрыском топлива развивала 147 л.с. и 211 Нм

В конце концов тетраэтилсвинец запретили. В США — с 1996 года, в Евросоюзе — с 2000. У нас этилированный бензин нельзя производить и распространять с 2003 года. К сожалению, в слаборазвитых государствах, таких, как Алжир, Ирак, Северная Корея и Афганистан, это ядовитое топливо все еще в ходу.

Да и не был этилированный бензин панацеей — двигателисты не оставляли попыток придумать иное средство для борьбы с детонацией. Например, на купе Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года турбомотор (!) V8 3.5 мощностью 218 л.с. с высокой даже по нынешним меркам степенью сжатия 10,25:1 был оснащен сис­темой впрыска смеси воды и метанола! Спирт был нужен, для того чтобы защитить систему от замерзания в холодное время года. В 1978 году аналогичный впрыск воды применила и шведская компания Saab, выпустившая ограниченной серией трехдверку 99 Turbo S.

Но эти модели были настоящим эксклюзивом, а большинство автолюбителей в 60-е и 70-е годы боролись с детонацией самостоятельно.

Как? Прислушиваясь. Зазвучал знакомый «металлический» детонационный звон — значит, либо на улице стало очень жарко (высокая температура окружающего воздуха — верный союзник детонации), либо бензин в баке ненадлежащего качества. Нужно было открыть капот и подкрутить специальное регулировочное колесико на трамблере — так называемый октан-корректор — в сторону уменьшения угла опережения зажигания. Если водитель все делал правильно, то детонация исчезала. А заводская настройка угла опережения зажигания, разумеется, была очень мягкой: чтобы даже в тяжелых условиях, например, в жарком климате и при полной загрузке автомобиля, исключить риск детонации.

Полная версия доступна только подписчикамПодпишитесь прямо сейчас

я уже подписан

Детонация двигателя: что это такое?

Детонация двигателя представляет собой нарушение плавного процесса сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндрах силового агрегата, в результате чего такое сгорание приобретает взрывной ударный характер. Другими словами, топливо резко взрывается в рабочей камере, что приводит к моментальному выбросу энергии и образованию ударной волны.

В нормальных условиях фронт пламени в цилиндре распространяется со средней скоростью около 30 метров в секунду. Во время детонации данный показатель увеличивается до 2000 метров. Воспламенение смеси в норме должно происходить в тот момент, когда поршень практически находится в ВМТ. Что касается УОЗ (угол опережения зажигания), зачастую этот показатель составляет 2 или 3 градуса. Топливный заряд также догорает после того, как поршень пройдет ВМТ и начинается его рабочий ход.  

Если в двигателе происходит детонация, тогда топливно-воздушная смесь воспламеняется в момент, когда поршень еще находится на такте сжатия. Энергия от сгорания заряда в этом случае оказывает сильное давление на поднимающийся поршень, а не толкает его вниз. Последствиями такого взрыва топливной смеси является значительное увеличение ударных разрушительных нагрузок на ЦПГ и КШМ, рост температуры, снижение мощности двигателя и возрастание расхода топлива.

Содержание статьи

Основные причины детонации

Среди различных причин возникновения детонации специалисты отмечают неправильно выставленный угол опережения зажигания на бензиновых двигателях (угол опережения впрыска топлива на дизельных ДВС), сбои в процессе смесеобразования, снижение эффективности работы системы охлаждения, а также целый ряд других возможных причин.

Детонацию двигателя принято условно разделять на допустимую и критическую. Под допустимой детонацией следует понимать кратковременное (иногда малозаметное) явление. Критическая детонация может проявляться постоянно, только при увеличении нагрузок на мотор, на холостом ходу, а также во время работы ДВС в различных режимах.

В списке основных причин появления детонации отмечены:

• нарушения условий эксплуатации мотора;
• использование бензина с отличным от рекомендуемого октановым числом;
• особенности конструкции силового агрегата;

Эксплуатация двигателя

Детонацию можно услышать на полностью исправном моторе во время эксплуатации агрегата под нагрузкой. Смесь в цилиндрах  обычно детонирует на затяжном подъеме при движении с такой скоростью, которая не соответствует выбранной передаче.

Другими словами, детонация двигателя отчетливо заметна в том случае, когда водитель пытается заехать на подъем с низкой скоростью без переключения на пониженную передачу и давит на газ. Обороты коленвала в этот момент низкие, двигатель «не тянет», то есть не набирает мощность и не разгоняет автомобиль. К общему звуку работы мотора в этом случае добавляется звонкий металлический детонационный стук, похожий на стук поршневых пальцев. Такой звук становится результатом ударов взрывной волны, которая с высокой частотой бьет по стенкам камеры сгорания.

Также необходимо отметить, что склонность к детонации топливно-воздушной смеси напрямую зависит от исправной работы систем зажигания и охлаждения. Смесь может детонировать в цилиндрах при наличии следующих факторов:

• раннее зажигание;
• перегрев двигателя;
• обильный нагар в камере сгорания;
• сильная закоксовка двигателя, в результате чего увеличилась степень сжатия;

Зажигание часто делают ранним для улучшенного отклика двигателя на нажатие педали газа, особенно на низких оборотах. Раннее зажигание заставляет смесь воспламеняться до наступления момента, когда поршень подходит к ВМТ. Так как поршень еще только осуществляет движение в верхнюю мертвую точку, раннее воспламенение смеси означает противодействие его движению. Дополнительным негативным явлением при таком зажигании выступает перегрев.

Скопление нагара в камере сгорания приводит к уменьшению объема самой камеры и повышению степени сжатия. Вторым по значимости фактором, влияющим на детонацию, является значительное повышение температуры в камере сгорания при наличии отложений. В отдельных случаях нагар может буквально тлеть, заставляя смесь в цилиндрах воспламеняться неконтролируемо. Получается, детонация при определенных условиях провоцирует появление калильного зажигания, которое также является аномальным самопроизвольным воспламенением смеси.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое калильное зажигание. Из этой статьи вы узнаете о причинах появления данной неисправности, а также о последствиях воздействия КЗ на мотор и его эксплуатацонный ресурс.

Дополнительно необходимо учесть тот факт, что детонация двигателя может возникнуть в результате установки свечей зажигания с неподходящим для данного типа двигателя калильным числом. Отдельно на детонацию может повлиять внесение различных изменений в топливную аппаратуру, а также «чиповка» ЭБУ и другие манипуляции, влияющие на смесеобразование в целях экономии топлива. Условно называемая тюнерами «экономичная прошивка» означает, что в блок управления двигателем вносится ряд корректив, затрагивающих топливные карты. Результатом становится обедненная смесь на разных режимах работы ДВС, снижаются динамические характеристики автомобиля.

Во время работы ЭБУ двигателя на заводских настройках смесь рассчитана на «мягкое» воспламенение, благодаря чему температура внутри камеры сгорания остается в заданных рамках. При серьезных нагрузках в двигателе после прошивки зачастую возникает детонация на слишком «бедной» смеси. Обедненная смесь приводит к перегреву деталей. Указанный перегрев при последующем впрыске топлива может вызвать самопроизвольное воспламенение топливного заряда.

Октановое число бензина

Одной из наиболее распространенных причин детонации двигателя является использование бензина с низким октановым числом, которое не рекомендовано для данного типа ДВС. Добавим, что указанный параметр не так важен для дизельного двигателя, так как основной характеристикой дизтоплива выступает цетановое число.

Дело в том, что солярка изначально более устойчива к детонации. В дизеле воспламенение происходит в результате сжатия и нагрева от такого сжатия топливной смеси. По этой причине дизельные двигатели конструктивно имеют более высокую степень сжатия.

Бензин имеет заметно меньшую стойкость к детонации сравнительно с дизтопливом. Октановое число является той характеристикой, которая отражает детонационную стойкость бензина. В бензиновом моторе степень сжатия ниже, топливно-воздушная смесь загорается от искры. Чем выше оказывается октановое число, тем большее сжатие смеси допускается без риска детонации. 

Получается, заправка 92-м бензином автомобиля, двигатель которого имеет высокую степень сжатия и допускается использование горючего с октановым числом только 95 и выше, приведет к появлению детонации во время работы мотора под нагрузкой.

Необходимо отдельно учитывать, что детонация может проявляться даже в случае заправки топливом с необходимым октановым числом. В этой ситуации дело может быть в низком качестве горючего, так как на АЗС часто используют различные способы для искусственного повышения октанового числа. Среди таковых особо отмечают добавку в бензин жидкого газа (пропан, метан). Указанные газы являются летучими, то есть испаряются через небольшой промежуток времени. В итоге топливный бак быстро оказывается заполненным бензином с низким октановым числом, хотя изначально заправляемое топливо соответствовало рекомендуемому для данного типа ДВС.

Особенности конструкции ДВС

Детонация может возникать в двигателе благодаря целому ряду конструктивных особенностей силового агрегата. В списке основных решений отдельно выделяются:

Высокофорсированные бензиновые атмо и турбодвигатели имеют более высокую степень сжатия сравнительно со штатными атмосферными аналогами, вследствие чего демонстрируют повышенную предрасположенность к детонации. Такие ДВС предполагают эксплуатацию исключительно на качественном бензине с высоким октановым числом.

Конструктивные решения для предотвращения детонации

Для борьбы с детонацией инженеры в разное время использовали определенные конструктивные решения. Такие решения направлены на максимально эффективное и быстрое сгорание заряда топлива во фронте пламени, полноту сгорания от искры, замедление окислительных процессов, в результате которых происходит неконтролируемое воспламенение.

Необходимо добавить, что в целях противодействия детонации могут быть увеличены обороты двигателя, в результате чего сокращается время на протекание окислительных реакций и снижается вероятность самовоспламенения топливно-воздушной смеси.

Еще одним инженерным решением выступает турбулизация. Потоки смеси в камере сгорания благодаря конструктивным особенностям получают определенное вращение, фронт пламени от искры распространяется быстрее. Также противостоять детонации помогает уменьшение того расстояния, которое проходит фронт пламени. Для сокращения пути цилиндр может быть выполнен с меньшим диаметром, а также возможна установка еще одной свечи зажигания.

Отдельно стоит отметить форкамерно-факельное зажигание, которое в свое время было призвано эффективно бороться с детонацией. Моторы с форкамерой конструктивно предусматривают наличие двух камер: предкамеру и основную камеру. Принцип работы состоит в том, что в малой камере создается обогащенная смесь, а в основной находится обедненная. После воспламенения смеси в предкамере фронт пламени воспламеняет смесь в основной камере, исключая возможность детонации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое форкамерный двигатель. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции и принципах работы предкамерных моторов.

На современных моторах детонации активно противостоит электроника. Появление микропроцессорных блоков управления двигателем (ЭБУ) позволило в автоматическом режиме изменять угол опережения зажигания (УОЗ) на основании показаний от датчиков, а также динамично вносить коррективы в состав горючей смеси.

Детонация двигателя при выключении зажигания

Достаточно распространенным явлением во время эксплуатации бензиновых и дизельных ДВС является то, что детонация двигателя проявляется уже после выключения зажигания. Двигатель в этом случае дергается, так как коленвал успевает сделать еще несколько оборотов.

Такая детонация двигателя после выключения зажигания может быть вызвана двумя явлениями:

В первом случае, который характерен для бензиновых агрегатов, имеет место кратковременная или продолжительная работа мотора в результате повышения степени сжатия или использования несоответствующего по детонационной стойкости топлива, что приводит к самостоятельному воспламенению топливно-воздушной смеси. Во втором случае горючее в цилиндрах может самопроизвольно воспламеняться после выключения зажигания от контакта с раскаленными поверхностями или тлеющим слоем нагара в камере сгорания.

Детонация двигателя и возможные последствия

Как уже было сказано выше, от разрушительных нагрузок в результате постоянной детонации быстро выходит из строя кривошипно-шатунный механизм, ГБЦ, другие в большей или меньшей степени нагруженные элементы и узлы двигателя. Ударная волна от взрыва детонирующего топливного заряда с высокой скоростью ударяет по стенкам цилиндров, разрушает масляную защитную пленку на трущихся парах.

Также детонация вызывает нарушение процесса теплоотдачи от раскаленных газов, которые перегревают цилиндры. Возникающий локальный или общий перегрев двигателя уничтожает кромку поршня, которая попросту выкрашивается или плавится под воздействием запредельно высоких температур. Рост температуры вызывает прогар прокладки головки блока, разрушение стенок цилиндров, прогар клапанов ГРМ, быстро приходят в негодность свечи зажигания и т.д. Закономерным итогом становится то, что ударные и термические нагрузки, возникающие при детонации, значительно повышают общий износ двигателя и сокращают его моторесурс.

Читайте также

Сигнальный процессор обнаружения детонации в двигателе внутреннего сгорания HIP9010AB — Компоненты и технологии

Описание

HIP9010 предназначена для обнаружения момента, предшествующего моменту детонации в автомобильном двигателе, и выработки сигнала для системы управления.

Блок-схема этой ИМС представлена на рис. 1. Процессор поочередно опрашивает каждый из двух датчиков, установленных на блоке цилиндров. Сигнал с выбранного датчика подается на входы двух программируемых полосовых фильтров, разделяющих сигнал по двум каналам. В состав каждого из них входит также программируемый усилитель и активный детектор. Коэффициенты усиления каналов устанавливаются таким образом, что когда двигатель не детонирует, оба они вырабатывают на выходе одинаковые сигналы (режим калибровки), что позволяет адаптировать систему к уровню собственных шумов любого конкретного двигателя.

Предельно допустимые значения характеристик

Напряжение питания Vdd	от -0,5 В до +7,0 В
Выходное напряжение, Vout	от -0,5 В до +7,0 В
Входное напряжение, Vin	не более +7,0 В
Температурный диапазон	от -40°С до +125°С

Основные характеристики ИМС

Потребляемый ток при Vdd=5,25 В	7,5 мА
Ток утечки по входу, вывод 14, при Vdd=5,0 В	3 мкА
Максимальное входное напряжение, выводы 7, 8, 12 и 13	70% от Vdd
Выходной уровень, вывод 10	TTL
Стабильность усилителя	1%

Когда двигатель начинает детонировать, сигнал от датчиков, детектирующийся раздельно по каждому каналу, поступает на интегратор, в котором происходит вычитание меньшего сигнала из большего. Результат представляет собой некоторое напряжение, уровень которого пропорционален степени детонации.

Кристалл управляется центральным микропроцессором системы через SPI-интерфейс.

Подробно с электрическими характеристиками можно ознакомиться на
www.intersil.com.

Отличительные особенности

• Два входа для подключения датчика детонации
• Программирование процессором через SPI
• Точность и стабильность фильтрации
• Программируемый коэффициент усиления
• Программируемые постоянные времени
• Программируемые характеристики фильтра
• Встроенный тактовый генератор
• Диапазон рабочих температур от –40 до +125° C

Работы HIP9010

Микросхема представляет собой универсальный цифровой контроллер, стоящий между аналоговой частью системы (звуковыми датчиками или акселерометрами) и вычислительным ядром системы управления двигателем внутреннего сгорания.

Наличие двух широкополосных входных усилителей позволяет использовать пьезоэлектрические датчики, которые могут быть установлены в оптимальных местах на любом типе двигателя, линейном или V-образном.

Сигналы датчиков усиливаются входными усилителями и поступают на управляемые полосовые фильтры, снабженные усилителем и детектором. Полоса пропускания каждого фильтра и коэффицент усиления усилителя устанавливаются внешним процессором. После фильтрации и усиления сигналы обоих каналов поступают в программируемый интегратор. С его выхода сигнал преобразовывается в однополярный, усиливается и подается на вывод 4.

Широкополосные пьезоэлектрические измерительные датчики, используемые в данной системе, имеют емкость порядка 1100 пФ и вырабатывают напряжения в пределах от 5 мВ до 8 В (среднеквадратичное значение). При отсутствии детонации только один канал фильтра обрабатывает сигнал и устанавливает текущее значение в качестве нулевого. Второй используется для мониторинга двигателя. Изменение сигнала второго канала сравнивается с нулевым значением для оценки собственных шумов двигателя и шумов в преддетонационном режиме. Это позволяет ввести критерий различия между шумами сгорания и преддетонации, а также настроить весь усилительный тракт. Сравнение происходит в течение заданного времени. Если преддетонационный шум обнаруживается, то время калибровки и наблюдения уменьшается.

Такой подход позволяет снизить требования к селективности и точности используемых датчиков, что удешевляет систему.

Описание блоков ИМС

Входные усилители

Эти усилители имеют коэффициент усиления порядка 100 dB и полосу пропускания 2,6 MГц. Диапазон входного напряжения находится в пределах ±0,5 В относительно Vmid. Напряжение на выходе усилителей имеет тот же предел.

Достаточный коэффициент усиления, ширина диапазона и возможность формировать на выходе напряжение больше или меньше Vmid позволяет усилителям уменьшать коэффициент усиления от 20 до 1 или до –26 dB. Это необходимо, когда на вход усилителя поступает сигнал порядка 8 В. При уровне сигнала около 5 мВ усилитель работает без ослабления.

В реальных условиях частота входного сигнала может изменяться от постоянного тока до 20 кГц. Внешние конденсаторы C1 и C2 используются для развязки датчиков и ИМС по постоянному току. Типичная величина этих конденсаторов — 3300 пФ. Последовательные резисторы R1 и R2 используются для соединения инверсных входов усилителей (выводы 20 и 17). Резисторы обратной связи, R3 и R4, вместе с R1 и R2 используются для установки коэффициента усиления усилителей.

На второй вход ОУ подается напряжение Vmid, которое равно Vdd/2. Напряжение Vmid формируется внутренним делителем микросхемы. Оно используется в качестве опорного и для других блоков микросхемы. При операции тестирования выходы усилителия переводятся в высокоимпедансное состояние, и тестовый сигнал через R1–R3 имеет возможность без искажений поступать в схему, минуя входные усилители.

Сглаживающий фильтр

Сглаживающий фильтр представляет собой фильтр Баттерворта третьего порядка со спадом (по уровню –3dB) на частоте 70 кГц. Для регулировки полосы пропускания фильтра используются двойные поликремниевые конденсаторы и твердотельные внутренние резисторы. Фильтр имеет ослабление на частоте 20 кГц (самая высокая частота процесса) не более чем 1 dB и не менее 10 dB на 180 кГц. Он предшествует фильтрам на переключаемых конденсаторах, которые работают на частоте 200 кГц.

Программируемые фильтры на управляемых конденсаторах

Два идентичных программируемых фильтра, используемые для обнаружения двух частот, представляющих особый интерес. Один из фильтров (так называемый фильтр детонации) программируется таким образом, чтобы он пропускал детонационные частоты двигателя. Второй фильтр (так называемый фильтр опорной частоты) используется для обнаружения шума в опорном канале. Частоты фильтров устанавливаются в соответствии с характеристиками конкретной модели двигателя и датчика. Благодаря разнесению полос пропускания фильтров разных каналов при идентичности датчиков можно получить различающиеся сигналы. По их разнице определяется момент детонации.

Фильтры имеют номинальное дифференциальное усиление, равное 4. Их частота задается программным путем. Частота центра полосы пропускания устанавливается в пределах от 1,22 кГц до 19,98 кГц, ступенчато, с 64 градациями. Добротность фильтра — обычно 2,4.

Регулировка баланса/коэффициента усиления

Усиление фильтра детонации и фильтра опорной частоты может регулироваться независимо, так чтобы разностный сигнал был скомпенсирован. Это достигается тем, что усиление одного из фильтров не ослабляется, а усиление другого изменяется до момента выравнивания сигналов. Регулирование осуществляется ступенчато с 64 градациями в интервале между 1 и 0,133. Сигналы могут изменяться в пределах 20–80 % от Vdd.

При программировании можно произвольно выбирать канал, усиление которого будет изменяться.

Активный детектор

Выходной сигнал фильтров поступает на вход активного детектора. Каждая из двух цепей детектора работает в двухполярном режиме.

Интегратор

Сигналы от двух детекторов поступают на интегратор и суммируются. Для уменьшения шума используются дифференциальные входы. Один канал интегрирует положительную составляющую сигнала детонационного выхода относительно калибровочного сигнала. Второй канал интегрирует отрицательные составляющие обоих сигналов. Сигналы двух каналов интегратора складываются, что позволяет устранить собственные шумы системы.

Постоянная времени интегратора задается программно и может изменяться от 40 мс до 600 мс. Диапазон изменения разбит на 32 шага. Время интеграции определяет промежуток, в течение которого сигнал на выходе изменится на величину, определяемую разницей в сигналах каналов.

Тестовый мультиплексор

Тестовый мультиплексор согласует части ИМС между собой и осуществляет переключения, заданные программно словом состояния.

Несимметричный преобразователь сигнала

Каскад преобразовывает двухполярные сигналы от двух интеграторов в однополярный, который является их суммой. Это используется для того, чтобы улучшить помехоустойчивость системы.

Выходной усилитель

Выходной усилитель аналогичен входному, принимающему сигнал с датчиков. В режиме тестирования выходной усилитель отключен.

Протокол связи

Для доступа к ИМС используется SPI-шина (MOSI). При подаче на вывод выбора кристалла (CS) низкого уровня ИМС переводится в режим программирования и в соответствии с импульсами SPI-синхронизации (SCK) принимает восемь бит слова программирования. Пять последовательных слов определяют режимы работы регулировки усиления, частотную характеристику, константы интегратора, тестовый режим, выбор канала и режим тестирования соответственно.

Рис. 2. Блок-схема HIP9010 для обнаружения детонации

Когда на выводе выбор кристалла (CS) удерживается низкий уровень, данные записываются в ИМС по первому нарастающему фронту сигнала (SCK). Слово начинается со старшего значащего бита. Каждое слово разделено на две части: сначала должен быть передан адрес, потом значение. В зависимости от управляемой функци адрес состоит из 2 или 3 бит, значение составляет 5 или 6 бит. В течение процесса программирования в ИМС могут быть записаны все пять управляющих слов. При изменении параметров интегратора принятые значения вступают в силу после установки на выводе INT/HOLD низкого уровня.

Испытательный мультиплексор

Этот блок получает положительные и отрицательные сигналы от двух интеграторов разных каналов.

Состояние мультиплексора зависит от пятого слова программирования.

Дифференциальный преобразователь двухполярного сигнала

Сигнал используется для улучшения помехоустойчивости системы.

Управление работой схемы осуществляется по стандартному SPI-интерфейсу, основные временные диаграммы работы которого приведены на рис. 3.

Рис. 3. Временные диаграммы SPI-интерфейса

Информация об исполнении

Обозначение	HIP9010AB
Диапазон рабочих температур	–40 +125° С
Корпус	20-выв. SOIC (W)
Номер чертежа	M20.3

Таблица 1. Описание выводов ИМС

Номер	Символ	Описание
1	Vdd	Питание 5 В
2	GND	Земля питания
3	Vmid	Вывод соединен со средней точкой генератора накачки и через емкость 0,022 мкФ соединен с землей
4	INTOUT	Буферизированный выход интегратора
5, 6	NC	НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ
7	INT/HOLD	Выбор кристалла. Интегрирующее состояние (1) или ожидание (0)
8	CS	Низкий лог. уровень на этом выводе разрешает обмен по SPI-шине
9	OSCIN	Вывод для подключения 4 MГц кристаллического резонатора с сопротивлением 1 МОм — 10 МОм
10	OSCOUT	Второй вывод для подключения резонатора. См. рис. 2
11	MISO	Выход шины SPI. Выход с открытым стоком. Когда CS =1, вывод не используется
12	MOSI	Вход шины SPI. Длина данных — восемь битов
13	SCK	Вход SPI синхро. Обычно находится в 1. Данные принимаются по переднему фронту синхроимпульса
14	TEST	Низкий уровень на этом выводе переводит микросхему в тестовый режим. Для нормальной работы этот вывод должен быть привязан к питанию или оставлен неподсоединенным
15, 16	NC	НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ
17	S1IN	Инвертированный вход к датчику номер 1 от усилителя номер 1. Вывод соединен с датчиком через резистор R2. Резистор R3 установлен между этим выводом и выводом 18 (S1FB) и определяет коэффициент усиления усилителя номер 1
18	S1FB	Выход датчика номер 1. Соединен со входом усилителя номер 1. Этот вывод используется для обратной связи
19	S0FB	Выход датчика номер 0. Соединен с входом усилителя номер 0. Этот вывод используется для обратной связи
20	S0IN	Вывод аналогичен выводу 17, но для усилителя номер 0

Таблица 2. Временные соотношения SPI-интерфейса

Описания	Значение, нс
T1 мин время от спада CS до спада SCK	10
T2 мин время от спада CS до фронта SCK	80
T3 мин время для низкого состояния SCK	60
T4 мин время для высокого состояния SCK	60
T5 мин время от фронта SCK после 8 битов до фронта CS	80
T6 мин время для действительности данных от фронта SCK	60
T7 мин время для действительности данных после фронта SCK	10
T8 мин время после фронта CS до единичного состояния INT/HOLD	8 мкс

Литература

1. Data Sheets. Engine Knock Signal Processor HIP9010. File Number 3601.3.
   http://www. intersil.com/data/FN/FN3/FN3601/FN3601.pdf.

История детонации и современные моторы:

Вопрос экономии в непростые времена актуален как никогда. Подъезжая к очередной АЗС и видя самую низкую цену напротив строчки АИ-92, так и хочется взять соответствующий пистолет. Но не для того, чтобы перестрелять нефтяных королей, а чтобы залить лишние 10 литров за те же деньги. Самые лояльные автопроизводители, кстати, используют адаптацию своих моторов под «92-й» как конкурентное преимущество. А что подразумевает эта самая адаптация и что будет, если лить не рекомендованный бензин?

Переделать мотор под использование бензина другой марки всегда было непросто. Но и не так уж сложно: в «Жигули» ставили вторую прокладку ГБЦ и перенастраивали карбюратор. Ну а современный водитель все больше надеется на умную электронику, когда хочет «обмануть систему» и залить вместо рекомендуемого АИ-95 более дешевый АИ-92. Давно ушли в прошлое времена, когда нужно было менять «фишку» под капотом, да и «звона пальцев», который на самом деле является звуковой волной от детонации, бьющей по блоку цилиндров, уже почти не слышно.

Нынешнее поколение водителей выросло в уверенности, что более дешевый бензин обернется максимум потерей мощности и небольшим увеличением расхода. Такое заблуждение присутствует даже в профессиональной среде: в официальных сервисах порой настаивают на том, что «92-й» бензин «чище», и рекомендуют использовать именно его, пугая прогарами поршней при работе на АИ-98 или загрязнением форсунок от присадок. Аргументация проста: датчики детонации на современных моторах способны предотвратить или сильно сгладить негативные последствия.

Подобная уверенность в большинстве случаев основана на неверном понимании сути работы систем управления двигателем, ведь их за «послекарбюраторную эру» сменилось уже несколько поколений.

Еще в семидесятые годы удалось создать достаточно надежные системы управления УОЗ (углы опережения зажигания) на основе вакуумного и центробежного корректора. Результирующая кривая опережения, разумеется, была не адаптивной, но при исправном состоянии двигателя угол зажигания почти всегда был близок к оптимальному, а недостатки системы управления нивелировались повышенным запасом прочности «железа».

Начало восьмидесятых годов ознаменовалось широким распространением микропроцессорных систем зажигания и появлением массовых систем управления впрыском, заменяющих карбюраторы. Сначала эти системы работали по старинке: отдельно система зажигания, отдельно система впрыска. Но к началу восьмидесятых они слились в одну систему — систему управления двигателем. Одной из первых и массовых систем на европейском рынке стала Bosch Moronic, вышедшая в 1979-м.

К концу девяностых почти все моторы управлялись едиными цифровыми блоками — ECU. Многие модели, например легендарный Mercedes W140, обзавелись интегрированными системами управления прямо в процессе производства (от связки EZL+Jetronic к Motronic 2). Во многом стимулирующим фактором для европейских производителей стало внедрение стандарта Euro 2 в 1995 году и связанная с ним модернизация моторов.

Штатная система управления двигателем в девяностые годы уже умела все то же самое, что умеют и современные авто: управлять оборотами холостого хода, смесеобразованием и зажиганием по сигналам датчиков положения коленвала, распредвала, температуры двигателя и воздуха, положения дроссельной заслонки, одного или нескольких лямбда-сенсоров и, разумеется, датчика детонации.

Системы также умели управлять вспомогательными функциями: фазовращателями, изменением геометрии впуска, EGR, вентиляторами системы охлаждения, клапанами адсорбера, турбонаддувом и прочим.

В условиях ограниченной вычислительной мощности упор в системах менеджмента был сделан на таблицы. В зависимости от показаний датчиков система управления выдавала нужные параметры на исполнительных устройствах управления двигателем. Схема оказалась достаточно удачной. Во всяком случае, по степени форсирования и удобства настройки системы управления начала девяностых не отстают от современных, а по удобству настройки в «гаражных» условиях даже опережают.

Детонация и ручная настройка угла зажигания для машин с такими системами управления двигателем для водителя стали чем-то далеким. Заводские калибровки с достаточным запасом обходят возможную зону детонации в расчете на изменение характеристик мотора со временем, плохое обслуживание и тому подобные факторы. А страхует систему управления датчик детонации, показания которого заставят ECU (блок управления двигателем) перейти в безопасный аварийный режим.

Моторы с подобными системами управления оказались очень устойчивы к изменению октанового числа топлива даже при наличии турбонаддува. И про детонацию владельцы большинства серийных автомобилей стали попросту забывать. Выбор между 95 и 92 бензином обычно рассматривался уже чисто с экономических позиций.

Развитие ECU поддерживалось значительным прогрессом в микроэлектронике, внедрением цифровой коммуникации между различными исполнительными блоками автомобиля и все более возрастающими требованиями к экологии.

Повышение уровня интеграции компонентов привело к значительному повышению сложности блоков управления и программного обеспечения. Проектирование систем стало слишком сложным для отдельных производителей. В 2003 году ведущие европейские автопроизводители создали AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) — сообщество по разработке систем управления двигателей и сопутствующего оснащения автомобилей, призванное объединить усилия в этой области. Сейчас BMW, Bosch, Continental, Daimler AG, Ford, GM, PSA, Toyota и Volkswagen входят в это объединение, а их технические решения применяются на большинстве производимых в мире автомобилей.

В 1993 году вышла одна из самых первых систем управления с torque-management — управлением двигателем на основе данных о требуемом крутящем моменте, с полностью электронным управлением педалью акселератора, что ознаменовало новый шаг в развитии систем управления бензиновыми двигателями.

Отныне водитель посредством педали газа просто сообщал, сколько ему нужно тяги, а система управления двигателем старалась обеспечить нужные параметры.

В 1998 году Bosch представил свою систему управления Motronic ME7, также основанную на концепции torque-management. Дальнейший прогресс систем управления двигателем во многом определялся новыми требованиями экологичности, снижения расхода топлива и дальнейшего облегчения и увеличения КПД моторов.

Системы управления с torque-management стали массово использовать систему управления на основе физической модели. Это означает, что контроллер в режиме реального времени высчитывает необходимые данные, основываясь на показаниях ограниченного числа датчиков и математической модели двигателя.

Подобный подход позволяет проводить регулировку двигателя практически идеально, с точностью, недоступной системам, основанным на заранее скомпилированных трехмерных картах, в широком диапазоне рабочих температур и нагрузки. Разумеется, этот метод управления заметно затратнее и требует на порядок больше сил на разработку бортовой системы управления. Но именно для реализации таких эффективных алгоритмов и создавался AUTOSAR.

И удивительным образом на сцене опять появляется детонация. Новые двигатели с непосредственным впрыском имеют настолько точно работающую систему управления, что запас прочности их механической части уменьшен в несколько раз. И системы управления «научены» использовать потенциал двигателя на всю катушку постоянно, в чем им немало помогают современные автоматические трансмиссии, позволяющие максимально эффективно нагружать двигатель в любых режимах, а также системы охлаждения с несколькими режимами работы.

Каков итог?

К сожалению, адаптация современных сложных систем управления к заведомо неправильным условиям эксплуатации, например использованию бензина со значительно сниженным октановым числом, оказалась намного менее приоритетной задачей, чем возможность максимально эффективного использования высокооктанового топлива.

Непосредственный впрыск и новые системы управления не наделяют новые бензиновые моторы иммунитетом к детонации. Всегда присутствуют скачки нагрузки, недостаточно проработанные программистами режимы работы и просто граничные режимы, где от топлива требуется вся его устойчивость. А непосредственный впрыск работает в различных режимах, и от детонации и даже калильного зажигания он защищен лишь при малой и средней нагрузке и стабильных режимах работы двигателя. На высоких оборотах и нагрузке, когда не работают датчики детонации, мотор может выйти из строя очень быстро.

Сочетание неблагоприятных факторов при использовании недостаточно высокооктанового топлива лишь вопрос времени, так что не удивительно, что периодически возникают неприятные проблемы на отдельных моделях автомобилей, связанные с повреждениями поршневой группы, а ресурс моторов у владельцев, использующих «чистый» бензин, может оказаться в разы ниже ожидаемого.

От подобных бед не избавлены и обладатели машин с достаточно простыми двигателями с обычным распределенным впрыском и МКПП. Новые версии атмосферных двигателей зачастую имеют очень высокую степень сжатия и очень высокую рабочую температуру при малой и средней нагрузке. И по чувствительности к октановому числу не уступают турбомоторам с непосредственным впрыском.

Все чаще можно встретить случаи, когда нижний предел октанового числа, указанный на лючке бензобака и в руководстве по эксплуатации, в летний период не позволяет безопасно эксплуатировать двигатель. И потому в сложных режимах эксплуатации, в жару, при чередовании длительных пробок и динамичного передвижения, при спортивном вождении рекомендуется использовать топливо с максимальным рекомендуемым октановым числом или даже выше.

Детонация

Детонация – это процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии (тепла) и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью.

Химическая реакция вводится интенсивной ударной волной, образующей передний фронт детонационной волны. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом химическое превращение протекает с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе, и в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту волны. Энергия, освобождающаяся в зоне превращения, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне, т.е. обеспечивает самоподдерживающийся процесс. Благодаря высокой скорости детонации (в газовых смесях 1000-3500 м/с, в твердых и жидких взрывчатых веществах — до 9000 м/с) давление в газообразных взрывчатых смесях составляет десятки атмосфер, а в жидких и твердых телах достигает нескольких сотен тыс. атмосфер. При расширении сжатых продуктов детонации происходит взрыв. Этим объясняется огромное разрушающее действие подобных процессов.

В однородном веществе детонация распространяется с постоянной скоростью, которая среди возможных для данного вещества скоростей распространения детонационной волны является минимальной. В такой волне зона химической реакции перемещается относительно продуктов реакции со скоростью звука (но со сверхзвуковой скоростью относительно исходного вещества). Скорости детонации некоторых взрывчатых веществ представлены в табл.

Благодаря этому волны разрежения, возникающие при расширении газообразных продуктов химической реакции, не могут проникнуть в зону реакции и ослабить бегущую впереди ударную волну. Минимальная скорость распространения детонации принимается в качестве характеристики взрывчатого вещества. Энергия, выделяемая в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне.

Скорости детонации

Вещество	ν, м/сек
2Н2 + О2 (газовая смесь)	2820
СН4 + 2О2 (газовая смесь)	2320
CS2 + 3О2 (газовая смесь)	1800
Нитроглицерин, C3H5(ОNО2)3 (жидкость, плотность d=1,60 г/см3)	7750
Тринитротолуол (тротил, тол), C7H5(NО2)3CH3 (твердое вещество, d=1,62 г/см3)	6950
Пентаэритриттетранитрат (ТЭН) C5H8(ОNО2)4 (твердое вещество, d=1,77 г/см3)	8500
Циклотриметилентринитроамин (гексоген), C3H6О6N6 (твердое вещество, d=1,80 г/см3)	8850

Виды детонации

При анализе чрезвычайных ситуаций, связанных с проявлением детонации, различают несколько видов процесса.

Физическая детонация — процесс, возникающий при смешении жидкостей с разными температурами, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой.

Детонационный взрыв — при котором воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходят в результате сжатия и нагрева ударной волной, когда ударная волна и зона химической реакции следуют неразрывно друг за другом с постоянной сверхзвуковой скоростью.

Дефлаграционный взрыв — при котором нагрев и воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходит в результате диффузии и теплопередачи, когда фронт волны сжатия и фронт пламени движутся с дозвуковой скоростью.

Возбуждение детонации является обычным способом осуществления взрывов. Детонация в заряде взрывчатого вещества создается интенсивным механическим или тепловым воздействием (удар, искровой разряд, взрыв металлической проволочки под действием электрического тока, и т.п.). Сила воздействия, необходимого для возбуждения детонации, зависит от химической природы взрывчатого вещества. К механическому воздействию чувствительны, например, так называемые инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца и др.), которые входят в состав капсюлей-детонаторов, используемых для возбуждения детонации вторичных (менее чувствительных) взрывчатых веществ.

При определенных условиях во взрывчатом веществе может быть возбуждена детонация, скорость распространения которой превышает минимальную скорость, указанную в приведенной выше таблице. Так, взрыв заряда твердого взрывчатого вещества, помещенного в газообразную взрывчатую смесь, порождает в смеси ударную волну, интенсивность которой во много раз превосходит интенсивность волны, отвечающей режиму с минимальной скоростью. В результате в газовой смеси распространяется детонационная волна с повышенной скоростью. В этой волне зона химической реакции движется относительно продуктов реакции с дозвуковой скоростью. Поэтому по мере удаления такой волны от места ее возникновения ударная волна постепенно ослабевает (сказывается влияние волн разрежения) и скорость распространения детонации снижается до минимального значения. Детонационную волну с повышенной скоростью распространения можно также получить в неоднородном взрывчатом веществе при движении волны в направлении убывающей плотности. Еще одним примером распространения детонации со скоростью, превышающей минимальное значение, может служить сферическая детонационная волна, сходящаяся к центру. Скорость волны с приближением к центру возрастает. Устойчивый процесс детонации не всегда возможен. Например, волна детонации не может распространяться в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества слишком малого диаметра (разлет вещества через боковую поверхность вызывает прекращение химической реакции прежде, чем вещество успеет заметно прореагировать). Минимальный диаметр заряда, в котором возможен незатухающий процесс детонации, пропорционален ширине зоны химической реакции. В газообразных взрывчатых смесях распространение детонации возможно лишь при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах. Эти пределы зависят от химической природы взрывчатой смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении волна детонации способна распространяться, если концентрация (по объему) водорода находится в пределах от 20 до 90 %. Исследование волны детонации в газах показывает, что при понижении начального давления химическая реакция приобретает характер пульсаций. Неравномерное протекание реакции вызывает искажения движущейся впереди ударной волны. Наконец, при достаточно низком давлении осуществляется режим так называемой спиновой детонации, при котором на фронте детонационной волны возникает излом, вращающийся по винтовой линии. Дальнейшее снижение давления приводит к затуханию детонации.

В двигателях внутреннего сгорания детонация — быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, сопровождающийся неустойчивой работой (металлический стук в цилиндре), износом и разрушением деталей. В результате детонации двигатель перегревается и его мощность падает. Детонация возникает, если топливо не соответствует конструкции или работе двигателя. Для каждого топлива существует определенная степень сжатия, при которой возникает детонация. Детонационную стойкость бензинов для бедных смесей характеризуют октановым числом, для богатых смесей — сортностью бензинов.

Детонационный взрыв и взрывное горение могут иметь разное назначение — причинять ущерб жизни и здоровью людей и животных, разрушать объекты инфраструктуры и повреждать окружающую среду, но и выполнять полезную работу по строительству тоннелей, каналов и дорог, по добыче полезных ископаемых и сносу строительных конструкций. Детонация является физической основой проведения специальных боевых операций. Одним из наиболее опасных проявлений детонации является использование ее разрушающего действия в большинстве террористических атак. Во многих случаях, например, при горении топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания или реактивного двигателя, при горении пороха в стволе артиллерийского орудия и другого, детонация недопустима. В связи с этим подбираются такие условия горения и химический состав используемых веществ, чтобы возникновение детонации с характерным для нее чрезвычайно резким повышением давления было исключено.

Детонация и калильное зажигание

Источник: Детонация конденсированных и газовых систем. — М., 1986; Теория детонации. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. — М., 1955.

Детонация — обзор | ScienceDirect Topics

12.1.1 Уравнения состояния

Для следующих контрольных примеров мы рассматриваем замыкание уравнений Эйлера или Навье-Стокса с помощью подходящего уравнения уравнения, которое связывает давление Pρ,e с плотностью и внутренней энергией.

УС для сжимаемых сред необходимо дополнить уравнением скорости звука:

(12.5)c=dPdρ|s,

, где s обозначает энтропию.

Согласно первому закону термодинамики имеем:

(12.6)Tds=de+P⁡d1ρ,

, где T обозначает температуру. T связана с внутренней энергией соотношением e=cvT, где cv обозначает удельную теплоемкость при постоянном объеме.

Учитывая, что:

(12.7)de=∂e∂PdP+∂e∂ρdρ,

(12.8)d1ρ=−1ρ2dρ,

и что при постоянной энтропии ds=0, скорость звука окончательно определяется выражением :

(12.9)c2=dPdρ=Pρ2−∂e∂ρ∂e∂P.

Термины EOS, представленные в этой главе, линейны по объему и могут быть записаны в следующем виде:

(12.10)Pρ,e=A(ρ)+B(ρ)e.

Мы кратко представляем термины EOS, используемые для различных типов материалов — газов, жидкостей и высокоскоростных ударных конструкций.

Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа (IG-EOS) используется для моделирования сжатия и расширения таких газов, как воздух, гелий и водяной пар. Он определяется по формуле:

(12.11)Pρ,e=(γ−1)ρe,

, где γ=cp/cv — отношение между удельной теплоемкостью при постоянном давлении cp и удельной теплоемкостью при постоянном объеме cv.

Уравнение состояния Джонса-Уилкинса-Ли

УС Джонса-Уилкинса-Ли (JWL-EOS) обычно используется для моделирования термодинамического поведения газообразных взрывчатых веществ, образующихся при детонации. УС было первоначально предложено Джонсом и Миллером (1948), так что давление было функцией относительного объема и температуры. После этого Уилкинс (1964) дал другое выражение давления как функции относительного объема и внутренней энергии. Наконец, Ли и др. (1968) расширили оба уравнения, чтобы получить окончательную форму JWL:

(12.12)Pjwlρ,e=A1−ωρR1ρ0⁡exp−R1ρ0ρ+B1−ωρR2ρ0⁡exp−R2ρ0ρ+ωρe,

, где A,B,R1,R2 и ω — параметры, зависящие от материала (Dobratz and Crawford, 1985), ρ0 — эталонная плотность взрывчатого вещества (твердая часть). Имя Джонса-Уилкинса-Ли EOS обозначает последовательные модификации EOS.

В процессе детонации высвобождаемая химическая энергия не контролируется с помощью уравнения. 12.12. Чтобы учесть эти эффекты, вычисленное давление Pjwl умножается на коэффициент доли сгорания η∈[0,1].В коммерческом программном обеспечении LS-DYNA предлагается два типа фракций горения (η1 и η2) на основе работы Wilkins (1964) и Giroux (1973).

•

Расчет η1:

(12.13)η1=2(t−tl)DCJ3Ve/Aemaxif t>tl,η1=0ift≤tl,

где отношение Ve/Aemax между объемом элемента и его максимальная площадь, — характерная длина, DCJ — скорость детонации, tl — время молнии.

•

Расчет η2:

(12.14)η2=ρDCJ2PCJ1−ρ0ρ,

, где PCJ – давление Чепмена-Жуге.

Пользователь может выбрать между η=1, или η=η1, или η=η2, или η=max(η1,η2). Когда η равно единице, η остается постоянным и равным единице, что соответствует элементу, который полностью сгорает (полностью превращается в газ). Наконец, УС JWL принимает вид:

(12.15)Pρ,e=ηPjwlρ,e.

Можно заметить, что для A=B=0 и ω=γ−1 мы восстанавливаем IG-EOS, приведенный в уравнении. 12.11.

Уравнение состояния Мурнагана

Баротропное уравнение состояния Мурнагана (M-EOS) часто используется для моделирования как слабо сжимаемых, так и сжимаемых потоков воды, и в литературе оно имеет различную форму.Наиболее часто используемое выражение дано Томпсоном (1972):

(12,16)P(ρ)=Bρρ0γ−1+P0,

, где B=ρ0c2 — объемный модуль упругости, а γ — параметр, зависящий от материала. ρ0 и P0 — эталонные плотность и давление соответственно. Можно заметить, что для баротропного уравнения состояния внутренняя энергия не учитывается при вычислении давления. Таким образом, нет необходимости решать уравнение сохранения энергии для моделирования поведения таких жидкостей.

Уравнение состояния застывшего газа

При рассмотрении воды под очень высоким давлением, например, при подводном взрыве или гидравлическом ударе, предпочтительно использовать уравнение состояния застывшего газа (SG-EOS), определяемое как:

( 12.17)Pρ,e=(γ−1)ρe−γπ

, где γ и π — эмпирические параметры, зависящие от материала. Можно отметить, что для π = 0 мы восстанавливаем IG-EOS, указанный в уравнении. 12.11.

Уравнение состояния Ми-Грюнайзена

Для приложений, в которых материал ведет себя по-разному при сжатии и расширении, УРС должно зависеть от состояния материала. Для таких материалов можно использовать EOS Mie-Gruneïsen (MG-EOS), который определяется следующим образом:

•

При сжатии: μ=ρ0/ρ−1>0

(12.18)Pρ,e=ρ0c21+1−γ02μ−a2μ21−S1−1μ−S2μ2μ+1−S3μ3(μ+1)22+γ0+aμe,

•

В расширении: μ=ρ0/ρ− 1<0

(12.19)Pρ,e=ρ0c2µ+γ0+aµe,

где ρ0 — начальная плотность, c — скорость звука, γ0 — коэффициент Грюнайзена, a — коэффициент поправки на объем. S1, S2 и S3 являются подгоночными коэффициентами, полученными на основе экспериментальных данных Шока-Гюгонио (Marsh, 1980).

Детонация — обзор | Темы ScienceDirect

3.07.4.3 Достижения в области детонации Деагломерация и фракционирование наноалмазов

ДНА, полученные от коммерческих поставщиков, часто требуют дополнительной обработки и модификации, так как содержание негорючих примесей и неалмазного углерода может быть слишком высоким, со слишком большим средним размером агрегатов и с неудовлетворительным химическим составом поверхности. не подходит для конкретного применения. Плохая коллоидная стабильность коммерчески доступных порошков ДНА после жидкого диспергирования является общей проблемой. Кроме того, не существует универсального материала под названием «детонационный наноалмаз», так как свойства материала специфичны для методов синтеза и постсинтезной очистки, адаптированных производителем.В качестве средства улучшения качества продукта ДНА ниже обсуждаются методы фракционирования и дезагрегации. Функционализация поверхности ND подробно обсуждается Крюгером в главе 3.16 этой книги.

При размере первичных частиц ДНА 4-5 нм первичные частицы образуют прочно и рыхло связанные агрегаты. Типичные коммерческие полидисперсные суспензии НА, которые подвергаются мощной ультразвуковой обработке, обычно имеют средний размер агрегатов 200–400 нм, которые не разрушаются при ультразвуковой обработке.Подходом к эффективному разделению частиц и достижению узкого распределения по размерам является центробежное фракционирование (Чухаева, Детков, Ткаченко и Торопов, 1998; Ларионова и др., 2006; Шендерова, Петров, Уолш и др., 2006). Важно отметить, что суспензии ДНА должны обладать высокой коллоидной стабильностью для центробежного фракционирования. Трудно, если вообще возможно, фракционировать нестабильную суспензию.

Фракционирование ДНА имеет несколько привлекательных аспектов. Во-первых, это подход без загрязнения по сравнению, например, с измельчением бисера, при котором вносятся примеси из керамических шариков, которые требуют дальнейшей очистки (Осава, 2007).Также удобно иметь возможность фракционировать ДНА на разные, узкие распределения размеров для разных нишевых применений. Например, только ДНА с размерами агрегатов более 100 нм могут образовывать фотонные структуры, преломляющие свет в видимой области (Гричко, 2008). Наконец, после глубокой очистки или обработки озоном/воздухом содержание ДНА с мелкоразмерными агрегатами может быть значительно увеличено и получение суспензий с мелкими фракциями чистых ДНА без добавления загрязняющих веществ становится экономически целесообразным.Фактически суспензии 5 % масс. фракции ДНА размером 25 нм в воде были получены с использованием метода фракционирования (Ларионова и др., 2006; Сюй и др., 2005a,b,c). Важно отметить, что центробежным фракционированием, в том числе ультрацентрифугированием, можно выделить только первичные частицы ДНА (Morita, Takimoto, Yamanaka, et al., 2008).

Деагломерация агрегатов НА в отдельные первичные частицы является важной целью для различных применений. Методы механической деагломерации дисперсии ДНА в суспензиях путем измельчения в перемешиваемой среде (Osawa, 2007) или звуковой дезинтеграции с помощью гранул (Ozawa et al., 2007) и получены суспензии отдельных частиц ДНА размером 4-5 нм.

Нежелательными побочными эффектами при бисерном измельчении являются загрязнение материалом бисера и образование графитовых слоев на поверхности частиц (Osawa, 2007). Попытки очистки измельченных ДНА жидкими окислителями приводят к агрегации первичных частиц (Osawa, 2007). К счастью, оптимизировав процесс бисерного измельчения, можно свести к минимуму загрязнение мелющими телами ниже 0.2%. Рассмотрена очистка измельченного материала с помощью раствора NaOH в воде (Huang et al., 2008), а также расплавленного NaOH. Кроме того, из образующейся суспензии первичных частиц также необходимо удалять аморфный углерод и металлические примеси, заключенные в агрегатах ДНА и выделяющиеся при бисерном измельчении. Тем не менее, производство в килограммах так называемого «Наноамандо» ND было начато. Nanoamando стал очень популярным материалом ND для биомедицинских исследований и позволил успешно разработать его приложения.

Недавно был исследован новый метод дезагрегации НА путем сухого помола с добавлением соли или сахара, в результате которого были получены частицы НА размером 5–20 нм с гораздо меньшим количеством примесей, чем при использовании метода бисерного помола (Pentecost, Gour, Mochalin, Knoke, & Gogotsi, 2010; Сюй и др., 2004).

Было предложено несколько других методов деагломерации ДНА. Сюй и др. разработали двухстадийную процедуру деагломерации, включающую графитацию побочных продуктов детонации в атмосфере N ₂ при 1000°С в течение 1 ч с последующим их окислением воздухом при 450°С в течение нескольких часов (Xu, Yu, Zhu, & Ван, 2004).Конечный порошкообразный продукт содержал не менее 50 % ДНА с размером частиц <50 нм. Крюгер сообщил об использовании ДНА, восстановленного в боране (в сочетании с ультразвуковой обработкой), что привело к образованию агрегатов значительно меньшего размера (Krueger, Stegk, Liang, Lu, & Jarre, 2008). Обработка порошка ДНА в плазме атмосферного давления также уменьшала средний размер агрегатов ДНА примерно на 20 % (Gibson, Shenderova, Luo, et al., 2009).

Проблемой, требующей тщательного изучения, является возможная реагломерация однозначных ДНА или мелких фракций, подвергающихся дальнейшей функционализации поверхности или сушке для хранения.Как правило, при высушивании НА из воды и других растворителей агрегация НА дополнительно усиливается за счет капиллярных сил, стягивающих отдельные частицы. Силы притяжения Ван-дер-Ваальса также играют важную роль в агломерации частиц. Агломерация во время сушки затрудняет функционализацию НА, поскольку для этого часто требуется сухой исходный материал НА. Пузырь и др. разработал модификацию, основанную на ультразвуковой обработке НА в растворе NaCl (Бондар и Пузырь, 2004), что приводит к очистке НА и, возможно, включению ионов Na ⁺ в поверхность НА.Привлекательной особенностью метода обработки NaCl модификации НА (Бондар, Пузырь, 2004) является возможность высушивания НА из гидрозоля в порошкообразную форму с последующим ресуспендированием без агломерации. Этим методом был получен порошок ДНА со средним размером агрегатов ~40 нм после диспергирования в воде.

Детонация и горение

Детонация и горение

 

          высвобождение энергии (энергии, чрезвычайно полезной для военных целей) лежит в основе обоих этих явлений. Как при детонации, так и при горении энергия выделяется, когда сложный молекула распадается на более простые составные части; впрочем как будет Как поясняется ниже, горение — гораздо более медленный процесс. Слабые взрывчатые вещества (например, черный порох) полагаются при сгорании для получения энергии.

 

Горение

 

          Горение получается в результате реакции кислорода и какого-либо топлива при высокой температуре. температуры. В результате ставка реакции горения ограничивается как количеством присутствующего топлива, так и количество кислорода, с которым он контактирует. Если бы реакция зависела от кислорода, собранного из окружающего атмосфера, это было бы очень медленно. Вместо этого большинство слабых взрывчатых веществ включают в себя как горючее, так и окислитель. который при нагревании выделяет кислород.

Рассмотрим, например, черный порох, самая примитивная форма пороха и типичное слабое взрывчатое вещество. В черном порохе, древесном угле и сере являются горючим, а азотнокислый калий (KNO3) является окислителем.

 

Детонация (обычная бомба)

 

 

         

          Детонация представляет собой процесс внутримолекулярного распада. Он зависит только от наличия одного подходящего взрывчатого вещества. и достаточно энергии, чтобы стимулировать этот распад. Например, октанитрокубан (а. недавно разработанное взрывчатое вещество армии США) высвобождает много энергии, когда его сильно натянутые углерод-углеродные связи разрываются в ответ на ударная волна. Потому что взрывчатые вещества не требуют кислорода (или любого другого со-реагента), они разрушаются гораздо сильнее быстро и гораздо более универсальны, чем горючие материалы.

 

 

Бризантные взрывчатые вещества, как правило, не могут быть детонированы теплом. в одиночку, и поэтому требуется детонатор для подачи либо ударной волны, либо электрического обвинение.Первое взрывчатое вещество, нитроглицерин, был упакован с его детонатором как динамит. Динамит взрывается при поджигании простой шнуровой предохранитель, который переносит пламя на небольшой колпачок черного цвета с низкой взрывоопасностью пудра; воспламенение черного пороха вызывает распространение ударной волны через нитроглицерин — инициирование детонации.

 

 

 

Прочие бризантные взрывчатые вещества:

 

· Пикриновая кислота — первая военная взрывчатка, продемонстрирована Францией в 1885 г. Общеизвестно изменчив и труден в обращении.

· TNT — разработан Альфредом Нобелем в 1860-х годах. впервые использован в военных целях в 1902 году (Германия). С тротилом чрезвычайно легко обращаться в производственный процесс; он широко использовался во время Первой мировой войны.

· RDX – разработан британцами в 1899 г., но введен в эксплуатацию только после Первой мировой войны. Отдел взрывчатки». RDX это так же прост в обращении, как тротил, но имеет гораздо большую взрывную мощность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зажигательные бомбы

 

          Зажигательные бомбы сочетают фугасное и зажигательное действие.Взрывчатые вещества выделяют большое количество энергии на обширной территории, в зажигательных бомбах они также высвобождают большое количество легковоспламеняющийся материал (загущенные топливные смеси, магний, белый фосфор и др.), который тут же воспламеняется. Целью зажигательной бомбы, очевидно, является разжечь огонь взрывным способом. В результате зажигательные бомбы часто более эффективны при уничтожении цели. чем простые взрывчатые вещества; все, что не разнесено первоначальным взрывом может быть поглощен возникшим огнем.

Зажигательные бомбы также могут иметь дополнительные разрушительные эффекты:

— В подземных сооружениях и герметичных бункерах огонь быстро поглощает весь доступный кислород, удушая любой потенциальный выжившие враги.

— Наличие активных огней отвлекает противника ресурсов для их тушения и затрудняет противнику маневрировать, общаться и собирать разведывательные данные в районе бомбардировки сайт.

— Во время крупномасштабных атак с применением зажигательных бомб пожар создает восходящий поток воздуха (в силу конвекции), который заставляет воздух устремляться к огню со всех сторон; этот быстро циркулирующий воздух обеспечивает огонь количеством свежего кислорода, увеличивая размер огонь и, в свою очередь, скорость воздушного потока.Эта петля положительной обратной связи (обычно известный как огненный шторм) создает чрезвычайно большие и интенсивные пожары.

 

 

 

Зажигательный Материалы Главная     Исторические зажигательные устройства в Военное дело

 

Стабилизированная детонация для гиперзвуковых двигателей

Значение

В настоящее время активизируются международные усилия по разработке надежных двигательных установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов.Такая система позволила бы летать через нашу атмосферу на очень высоких скоростях и позволяла бы эффективно входить и выходить из планетарных атмосфер. Возможность основывать такую ​​систему на детонации, самой мощной форме горения, потенциально может обеспечить более высокую термодинамическую эффективность, повышенную надежность и снижение выбросов. В этой работе сообщается о важном шаге в достижении этой цели: открытии 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 высокоскоростных полетов и входа в планетарные атмосферы с помощью надежных управляемых средств. Это в значительной степени зависит от наличия надежных силовых установок для гиперзвуковых и сверхзвуковых полетов. Учитывая доступность топлива в качестве топлива, мы, вероятно, будем полагаться на какую-то форму химического или ядерного двигателя, что означает использование различных форм экзотермических реакций и, следовательно, волн горения. Такими волнами могут быть дефлаграции, которые являются дозвуковыми волнами реакции, или детонации, которые являются сверхвысокоскоростными сверхзвуковыми волнами реакции.Детонация — чрезвычайно эффективный, высокоэнергетический способ реакции, обычно связанный с интенсивными взрывами и сверхновыми. Двигательные установки на основе детонации в настоящее время представляют значительный интерес из-за их потенциального использования для большей двигательной мощности по сравнению с системами на основе дефлаграции. Понимание воспламенения, распространения и стабильности детонационных волн имеет решающее значение для использования их движущего потенциала и зависит от нашей способности изучать их в лабораторных условиях.Здесь мы представляем уникальную экспериментальную конфигурацию, гиперзвуковую высокоэнтальпийную реакционную установку, производящую фиксированную в пространстве детонацию, что имеет решающее значение для контроля и использования реактивной мощности. В гиперзвуковом потоке водорода и воздуха создается стоячая косая детонационная волна, стабилизированная на рампе. Диагностика потока, такая как высокоскоростная теневая диаграмма и хемилюминесцентная визуализация, показывает инициирование и стабилизацию детонации и подтверждается сравнением с моделированием.Этот прорыв в экспериментальном анализе позволяет найти возможный путь для разработки и интеграции технологии сверхскоростной детонации, позволяющей создавать гиперзвуковые двигательные установки и усовершенствованные энергетические системы.

Достижение высокоскоростного полета на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях в настоящее время является национальным приоритетом и международным направлением. Для достижения этой конечной цели необходимы высокоэнергетические режимы движения транспортных средств (1). Один набор новых концепций, двигатели на основе детонации, может 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 силовых установок (3). Эти системы включают газотурбинные двигатели, реактивные двигатели с форсажной камерой, прямоточные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели и прямоточные ускорители. Детонация — это инновационная схема гиперзвукового двигателя, которая значительно увеличивает эффективность термодинамического цикла (от 10 до 20%) по сравнению с традиционными циклами, основанными на дефлаграции (4, 5). Даже для применений, где нет дополнительных термодинамических преимуществ, циклы на основе детонации показали, что они обеспечивают повышенную эффективность сгорания, как детонационные двигатели с вращающимся поршнем (6).Развитие исследований сверхскоростных детонационных систем поможет реализовать и развить это технологическое преимущество перед существующими двигательными и силовыми установками.

Детонация — это сверхзвуковая волна горения, состоящая из ударной волны, вызываемой выделением энергии в результате тесно связанных химических реакций. Эти волны распространяются со скоростью, во много раз превышающей скорость звука, часто достигая скорости 5 Маха, как в случае водородно-воздушной топливной смеси. Двигатель, работающий с потоком 5 Маха, соответствует числу Маха полета от 6 до 17 (7⇓–9).Это сравнимо с получасовым перелетом из Нью-Йорка в Лондон и в 5 раз быстрее, чем среднее время, затрачиваемое легендарным Конкордом на то же самое путешествие. Идея использования детонационных волн для движения и производства энергии не нова (3), хотя реализация этой концепции была трудной. Значительное внимание исследователей привлекли три основные категории концепций детонационных двигателей: импульсные детонационные двигатели (5, 10⇓–12), вращающиеся детонационные двигатели (13⇓–15) и двигатели со стоячей и наклонной детонационной волной (ODWE) (3, 7, 16⇓–18).ODWE представляет особый интерес благодаря своей теоретической способности разгонять гиперзвуковые самолеты до скоростей, необходимых для космических самолетов и других многоразовых космических ракет-носителей. На рис. 1 показан концептуальный гиперзвуковой аппарат с ODWE, который иллюстрирует связь с экспериментальными и расчетными результатами этого исследования. Задача разработки этих концепций двигателей заключается в поиске надежных механизмов инициирования детонации и надежной стабилизации этих волн в высокоскоростных условиях с высокой энтальпией, которые можно было бы ожидать от этих концепций двигателей.

Рис. 1.

Схема концепции двигателя с косой детонацией. Экспериментальные и расчетные области ODW выделены вместе с их расположением в тракте двигателя.

Лабораторные эксперименты и численное моделирование выявили ряд режимов инициирования детонации, а численное моделирование прояснило важные принципы, лежащие в основе их стабилизации (19⇓⇓⇓⇓⇓–25). Несмотря на эти достижения, проблема усугубляется исторической сложностью достижения стабилизированной детонации в экспериментальной установке, которая создает реалистичные условия полета, которые можно адаптировать для использования в реальном двигателе.Предыдущие экспериментальные исследования не смогли продемонстрировать стабилизированную косую 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. Еще одной серьезной трудностью в стабилизации детонационной волны является распространение волны вверх по потоку через пограничный слой, что приводит к незапуску двигателя. Недавние эксперименты показали переход от дефлаграции к детонации в гиперзвуковом потоке и неустойчивую детонацию, распространяющуюся вверх по потоку (24).Несколько численных исследований показали потенциально устойчивую ODW, но не имеют 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 этой статье представлены результаты исследования, демонстрирующего экспериментально контролируемое инициирование и стабилизацию детонации в гиперзвуковом потоке для ситуации, аналогичной предложенным условиям полета для этих концепций транспортных средств с активным временем работы 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 воспламенения и стабилизации ODW используется рампа под углом 30°, схематически показанная на рис. 2 A . Нагруженный ударами поток с высоким числом Маха вызывает повышение температуры, чтобы воспламенить и стабилизировать детонацию в поступающей водородно-воздушной смеси.Комбинация согласования числа Маха потока с условиями MCJ и подпиткой низкого пограничного слоя приводит к стабилизированной детонации. Измерения статического давления подтверждают повышение давления, вызванное детонационной волной. Высокоточное компьютерное гидродинамическое моделирование использовалось для получения дополнительных подробных сведений о процессе инициирования и стабилизации детонации.

Рис. 2.

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

Стабилизация детонации в гиперзвуковом потоке

Детонация стабилизируется на рампе в гиперзвуковом потоке, как показано на рис. 2. Изображения на рисунке показывают градиенты плотности потока (теневой график) с наложенной хемилюминесценцией химических реакций. На рис. 2 B показан базовый нереагирующий гиперзвуковой поток, в котором работала камера форсажа, а основной впрыск топлива не активировался, что привело к отсутствию дополнительных химических реакций в рабочей части.На рис. 2 C показано то же гиперзвуковое течение с включенным топливом, в результате которого возникла стабилизированная ОДВ. Гиперзвуковой поток создается осесимметричным сужающимся-расширяющимся соплом со скоростью 5 Маха, как показано на рис. 2 A . Топливо и воздух предварительно смешиваются немного выше по потоку от горловины форсунки, как подробно описано в «Материалы и методы» . Угол поворота рампы 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, значение, ожидаемое в тракте двигателя транспортного средства, летящего с числами Маха в диапазоне от 6 до 17, в значительной степени зависит от конструкции впускного отверстия двигателя (7⇓–9). Показанный здесь случай с топливом имеет молярный состав смеси основных компонентов h3/O2/N2/h3O=13,2/9,3/62,0/14,7% (что дает глобальное отношение эквивалентности h3/O2 ϕTS=0,71).

Перед заправкой установки было проанализировано поле нереагирующего потока, чтобы подтвердить, что косая ударная волна, создаваемая рампой, соответствует теоретическому решению для адиабатической наклонной ударной волны для 30-градусной рампы.Для заданного отношения площадей сопла (A/A* = 25) нереагирующий гиперзвуковой поток показывает прогнозируемый угол косого скачка уплотнения (β) в 42° для числа Маха входящего потока 4,4 с отношением удельных теплоемкостей (γ) 1,3. После подачи топлива над рампой инициируется ODW, который поддерживается в течение всего времени экспериментального испытания, примерно 3 с. Во время реакции наибольшая интенсивность сигнала хемилюминесценции наблюдается непосредственно над рампой из-за наличия в этом месте детонационной волны.Устойчивая детонация показана реагирующей ударной структурой (RS2) на рис. 2 C . Когда входящий поток проходит через S2, он попадает в индукционную область. В индукционной области смесь нагревается за счет повышения температуры поперек скачка уплотнения. Этот нагрев позволяет протекать процессу реакции путем самовоспламенения и образования детонационной волны с более крутым углом RS2 (73°) (31). Скорость потока рассчитывается как 99,7% 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 кривым базового нереагирующего давления в течение продолжительности испытания без активации топлива. Пиковое давление достигает 2,7-кратного базового давления без реакции и 10,5-кратного выходного давления сопла. Баланс скоростей и измерения повышения давления являются сильным подтверждением образования детонации.

Рис. 3.

( A – C ) Структура детонации для трех стадий во время прогона и ( D ) реагирующей рабочей части отношение статического давления (давление реагирующего корпуса [PR]/давление нереагирующего корпуса [PNR] ]) против.время.

Механизм наклонной детонации

ODW поддерживается на время активной заправки топливом. На рис. 3 показана последовательность изображений вместе с рефлектограммой давления для реагирующего случая. Фронт детонации оставался над поверхностью рампы в течение всего времени реакции. Пока детонация поддерживается, положение фронта детонации слегка колеблется на протяжении цикла циклическим образом. Структура ударной волны впереди динамически реагирует на колебания фронта детонации, как это видно на временных рядах теневых изображений на рис.3. Ведущий фронт реакции остается в точке перегиба между скачками S2 и RS2, а реакции по поверхности рампы циклически распространяются вверх и вниз по потоку. Считается, что реакция проходит от цикла к циклу, варьируя детонацию от недостаточной к чрезмерной из-за турбулентного характера реагирующего потока. Дополнительное горение происходит за денотативным фронтом реакции, над ведущим фронтом реакции и у верхней стенки. Сигнал хемилюминесценции фильтруется, чтобы выделить самые сильные люминесцентные излучения, которые находятся в видимом диапазоне длин волн, в то время как широкие спектры встречаются в УФ-диапазоне длин волн.Следовательно, на этих изображениях не видно свечения от широких частиц в тестовом сечении.

Важным аспектом устойчивости детонационной волны является достижение идеального баланса состава смеси и тепловыделения для реакции в потоке с большими числами Маха. Высокое тепловыделение приведет к перегруженной детонации, которая будет распространяться вверх по потоку, навстречу потоку. И наоборот, низкое тепловыделение приведет к тому, что реакция пойдет вниз по течению и сгорит. Модель сжимаемого потока используется для прогнозирования пределов, при которых может быть достигнута стабильность ODW (20).Модель дает теоретическую оценку диапазона углов поворота и чисел Маха потока, в котором возможна стабильность ODW для данного состава смеси, статической температуры и количества тепла, выделяемого при детонации. Полоса устойчивости определяется как условия, существующие на ударной поляре, показанной на рис. 4, между θCJ и θMax. При заданном числе Маха потока θCJ — это минимальный угол поворота, при котором рассчитанная детонация может быть стабилизирована, а θMax — максимальный угол поворота, при котором ODW будет оставаться прикрепленным к аппарели.Ударная поляра возникает из числа Маха Чепмена-Жуге (CJ), MCJ, которое представляет собой число Маха, при котором детонация будет свободно распространяться в покоящейся смеси того же состава и той же 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 для измерения профиля топлива в тестовой секции, что более подробно обсуждается в «Материалы и методы» .Чтобы определить соответствующее значение MCJ для этого тестового примера, были рассчитаны средние локальные отношения эквивалентности (ϕTSL_AVG) от стены испытательного участка до 0,16-кратной высоты испытательного участка и от стены до 0,30-кратного высоты испытательного участка. Эти высоты соответствуют полной высоте рампы и приблизительной высоте, на которой формируются реакция и тройная точка, и были выбраны так, чтобы охватывать топливо, которое с наибольшей вероятностью пройдет через область индукции и детонационную волну. Для нижнего сегмента ϕTSL_AVG был рассчитан равным 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, выделенным в области, заштрихованной красным. Число Маха потока и угол рампы θ для эксперимента не изменяются. Это помещает условия испытаний (M=4,4, θ=30°) в теоретические пределы стабильности, созданные ударными полярами для этих условий.

Рис. 4. Пределы стабильности ODW

. MCJ увеличивается с увеличением ϕTSL_AVG, смещая полярность в направлениях, указанных стрелками.Сплошные линии представляют условия для ϕTSL_AVG = 0,24 с градиентами, продолжающимися до условий для ϕTSL_AVG = 0,44. Маркер с голубым ромбом представляет условия испытаний.

Численное моделирование

Численное моделирование было выполнено в условиях, приближенных к условиям экспериментальной установки, для подтверждения экспериментальных результатов и сравнения, в частности, структуры ODW. Моделирование решает уравнения реакции 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 гл. 32. Максимальный размер расчетной ячейки 1,4 мм, минимальный 11 мкм. Реакции моделируются с помощью упрощенной откалиброванной химико-диффузионной модели (CDM), в которой используется одна скорость реакции Аррениуса для преобразования реагентов в продукты. CDM широко использовался в исследованиях детонации, показывая, что он воспроизводит желаемые свойства горения, такие как скорость волны детонации и температура пламени (33⇓–35), и недавно использовался для изучения характеристик воспламенения и устойчивости ODW, когда на поверхности присутствует пограничный слой. поверхность клина (32).Для этого исследования CDM был оптимизирован для водородно-воздушной смеси.

Сверхзвуковое реактивное течение над аппарелью было смоделировано идеализированным образом, в прямоугольной области с диагональным втеканием с 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 в экспериментальную систему отсчета и обрезан для более точного представления экспериментов.

Рис. 5.

( A ) Расчетная область, наложенная на геометрию наклона испытательного участка. ( B ) Результаты моделирования, показывающие температурное поле ODW. ( C ) Экспериментальное теневое изображение структуры ODW с наложением результатов моделирования B .

Снимок численного результата показан на рис. 5 B , и это же изображение наложено на экспериментальный теневой график на рис.5 C с выровненными соответствующими структурами. Отсутствие турбулентности, присутствующей в моделировании, по сравнению с ее обилием в экспериментах, потребовало попытки компенсировать локальные эффекты сжимаемости и колебания температуры в экспериментах путем моделирования притока с более высокой статической температурой. Это видно по минимальной температуре, ограниченной на цветовой карте рис.Таким образом, энтальпия поступающей топливно-воздушной смеси в моделировании увеличивается по сравнению с экспериментальной установкой, чтобы компенсировать неспособность моделирования воспроизвести турбулентность эксперимента, которая, как было показано, способствует воспламенению смеси за счет образование вихревых ударов и эффекты локальной сжимаемости (36). Число Маха притока равно 5 (число Маха, образующееся в экспериментальной установке после полного расширения набегающего воздушного потока), а статическое давление соответствует экспериментальному.Горящий пограничный слой присутствует из-за большого количества вязкого нагрева, происходящего вдоль границы прилипания, наложенной на поверхность рампы. Выше пограничного слоя набегающий поток проходит индукционную область, в которой происходит самовоспламенение потока с образованием фронта реакции, который круче и пересекает опережающий косой скачок уплотнения. Это пересечение образует тройную точку чрезвычайно высокого давления и температуры, из которой распространяется ОДВ. На рис. 5 C видно, что ведущая косая ударная волна, тройная точка и ODW очевидны как в эксперименте, так и в моделировании, и все они являются важными характеристиками традиционной структуры ODW.В моделировании наблюдается четкая структура детонационной ячейки, характерная для распространяющейся детонационной волны.

Режимы гиперзвукового реагирующего течения

В процессе преследования устойчивых детонационных волн, описанных в этой статье, был исследован широкий диапазон условий. 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, проверенные на установке.Угол поворота потока поддерживался постоянным при θ=30°, в то время как давление торможения, температура торможения и состав смеси варьировались. При относительно низких общих температурах, полных давлениях и коэффициентах эквивалентности, представленных режимом I на рис. 6, на поверхности рампы происходят реакции дефлаграции.

Рис. 6.

( Слева ) Рабочие условия протестированы с рампой для θ = 30° с картой стабильности для реактивных условий испытаний. ( Право ) Наложенная теневая хемилюминесценция основных режимов работы: режим I, наклонное ударно-индуцированное горение; режим II, ударно-индуцированное горение диска Маха; и режим III, ODW.

При повышении температуры и давления происходит взрывное возгорание. Для случаев в режиме II реакция носит колебательный характер. Начиная с точки инициации на дальней стенке, реакция начинает нагнетать давление и распространяться вперед. Поступательная волна реакции пересекается с косым скачком скачка, генерируемым рампой, и образует диск Маха. Диск Маха — это обычный удар с высокотемпературным восстановлением, обеспечивающий более высокую скорость реакции и более быстрое выделение тепла, что приводит к распространению перегруженной детонации вверх по потоку.Скорость распространения этих реакций превышает 80% скорости детонации КС. Ударно-связанная реакция входит в сопло, а затем отступает обратно вниз по потоку, чтобы либо погасить, либо повторить цикл.

Режим III реализуется при самых высоких испытательных давлениях (от 5,6 до 5,9 МПа) и суммарных температурах от 1050 до 1100 К. В пределах испытательного участка наблюдается устойчивая косая детонация при значениях ϕTS примерно от 0,7 до 1,2. Случай, использованный для иллюстрации устойчивого ODW, относится к режиму III.Дополнительное давление торможения в этом режиме, по сравнению со всеми другими случаями, является решающим фактором в установлении стабильного ODW при температурах и числах Маха потока этой установки.

Реакции в этом режиме вызывают повышение давления в рабочей секции по сравнению с базовым случаем без реакции при аналогичных общих давлении и температуре. На рис. 7 A показано отношение пикового статического давления в испытательной секции во время реакции в режиме 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 показано среднее значение отношения давлений для всех измеренных случаев режима III за время работы. Профиль показывает постоянное и повторяющееся повышение давления после впрыска водородного топлива.

Рис. 7.

( A ) Нормированное повышение давления для случаев ODW (режим III). ( B ) Средняя степень давления в режиме III в зависимости от времени.

Материалы и методы

Для этого исследования используется гиперзвуковая реакционная установка с высокой энтальпией (HyperReact) в Университете Центральной Флориды (UCF), как показано на рис.8. Установка состоит из пяти основных компонентов, которые в порядке их расположения вдоль осевого направления установки представляют собой проточный подогреватель, камеру смешения, основную ступень впрыска топлива, сужающееся-расширяющееся (СД) сопло и оптически доступный тестовый раздел. Проточный подогреватель состоит из коаксиального факела водородно-воздушной струи, окруженного равномерно расположенными спутными воздушными струями, потребляющими 44% кислорода. Подогреватель регулируют для достижения диапазона температур торможения от 800 до 1200 К, что соответствует статической температуре от 180 до 320 К на испытательном участке.Смесительная камера состоит из квадратного канала с внутренней высотой 45 мм и длиной 350 мм. Этот сегмент установки позволяет подавать гомогенную смесь прямо в сопло CD. Впрыск основного топлива, используемый для последующих реакций, вводит дополнительное топливо перед входом в сопло CD, чтобы обеспечить предварительное смешивание. Сопло КД имеет осесимметричное квадратное сечение по всей длине сопла. Характерной шкалой длины сопла является высота 45 мм как на входе, так и на выходе, а высота горловины 9 мм.Соотношение площадей входа и выхода к горловине составляет 25:1. Сужающаяся часть сопла CD предназначена для создания равномерного 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 используется кубическая функция согласования (39) для плавного перехода между двумя сегментами сопла. Дополнительную информацию о конструкции сопла можно найти в исх.40. Сопло CD предназначено для обеспечения выходного числа Маха М = 5,0 для сухого воздуха при температуре 300 К (24, 40). Эффективное число Маха зависит от отношения теплоемкости смеси, поступающей в сопло для испытания, в зависимости от температуры и состава, что дает диапазон от 4,3 до 4,6. Сопло КД выдает гиперзвуковую потоковую смесь в оптически доступную рабочую часть, состоящую из квадратного канала высотой 45 мм и длиной 159 мм. Топливо, используемое для ступени подогревателя и основного впрыска топлива, равно 99.99% водород сверхвысокой чистоты. Воздух подается из резервуара источника давления при 34,45 МПа.

Рис. 8.

Схема экспериментальной установки HyperReact.

Расходы топлива и воздуха, подаваемые на установку, измеряются через прецизионные дроссельные отверстия. Воздушное отверстие имеет диаметр 4,57 мм. Отверстия для топливопроводов подогревателя и основного впрыска топлива различаются по размеру, чтобы приспособиться к широкому диапазону расхода топлива, необходимому для охвата диапазона испытанных условий. Используемые размеры топливных отверстий варьируются от 0.Диаметр от 56 до 1,57 мм в зависимости от фракции смеси. Давление перед каждым дросселирующим отверстием измеряется с помощью датчиков абсолютного давления Dwyer 626 с диапазоном от 0 до 20,68 МПа и точностью 1% от полного диапазона. Отношения эквивалентности как для предварительной горелки (ϕгорелка), так и для условий ниже по потоку в испытательной секции (ϕTS) рассчитываются исключительно на основе количества O2 и h3 в потоке в этих местах, а мольная доля найденных дополнительных частиц предоставляется в формате (%h3/%O2/%N2/%h3O).Уровень предварительного смешивания топлива приводит к топливному профилю испытательного участка, который показан на рис. 9, который был экспериментально определен с помощью измерений спектроскопии комбинационного рассеяния во время нереагирующей работы локальной концентрации h3. Локальный коэффициент эквивалентности предварительно смешанной смеси (ϕTSL) вблизи поверхности рампы затем используется для расчета ϕTSL_AVG, определяемой как средняя концентрация топлива между стенкой испытательного участка при y/h = 0 и выбранной верхней границей. Характеристики ODW, включая пределы стабильности MCJ и ODW, рассчитывали с использованием значений ϕTSL_AVG, определенных этим методом.

Рис. 9.

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

Рампа с углом поворота 30° используется для стабилизации детонационной волны. Пандус охватывал всю ширину испытательного участка и располагался на расстоянии 44 мм ниже выходной плоскости CD. Высота пандуса зафиксирована на уровне 7,5 мм, чтобы избежать коэффициента засорения выше 17% в пределах испытательного участка. Задняя грань аппарели облегчена под углом 3° относительно стенки рабочей части.Это позволяет потоку частично расширяться по его длине. Измерения статического давления в тестовой секции производятся в средней плоскости верхней стенки тестовой секции, отмеченной красной точкой на рис. 8.

ODW записывается с использованием одновременного высокоскоростного шлирена и хемилюминесцентного изображения в видимом диапазоне с длиной волны от 450 до 875 нм. Рабочая часть 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. И шлирен-изображения, и хемилюминесцентные изображения снимаются с помощью высокоскоростных камер Photron SA1.1, записывающих со скоростью 30 килокадров 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, в результате чего приблизительное пространственное разрешение составляло 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 доктор Чипин Ли). Анализы поддержаны премией NSF 1914453. Поддержка аспирантов была предоставлена ​​​​Консорциумом космических грантов НАСА Флориды через стипендию для улучшения диссертации и стипендию президента UCF для докторантов.Поддержку доктору Джонатану Сосе оказала Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL) Karles Fellowship. Поддержка г-на Кристиана Бахмана, который выполнил вычислительное моделирование, была предоставлена ​​базовой программой NRL.

Сноски

• Вклад авторов: Д.А.Р., Дж.С., К.Б., Г.Б.Г. и К.А.А. проектное исследование; Д.А.Р., М.Т. и Дж.С. проведенное исследование; К.Б. и Г.Б.Г. предоставил новые реагенты/аналитические инструменты; Д.А.Р., Дж.С., К.Б., Г.Б.Г. и К.А.А. проанализированные данные; и Д.А.Р., Дж.С. и К.А.А. написал бумагу.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

• Эта статья является прямой отправкой PNAS.

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

• Copyright © 2021 Автор(ы). Опубликовано ПНАС.

Детонация твердых взрывчатых веществ: условия равновесия во фронте детонационной волны и адиабатическое расширение продуктов детонации

Предполагая сохранение химического и теплового равновесия во фронте детонационной волны и используя уравнение состояния в виде вириального расширения определена скорость детонации в зависимости от плотности нагружения.Ввиду отсутствия данных при достаточно высоких давлениях и температурах для продуктов детонации тротила вириальные коэффициенты принимались постоянными и определялись их значения для согласования с измеренными значениями скорости детонации при плотностях нагружения менее чем 1,5 г.см. ^-3 . Затем можно определить соотношение давление-объем-температура во фронте детонационной волны. Давление во фронте детонационной волны оказывается порядка 2·10 ¹¹ дин·см. ^-2 для плотности загрузки 1,5 г.см. ^-3 , по сравнению со значением 9,4 х 10 ¹¹ дин см. ^-2 дано в более ранней работе других авторов с использованием кообъемного метода. С помощью уравнения состояния, принятого в настоящей работе, установлено, что при высокой плотности нагружения во фронте детонационной волны присутствуют лишь пренебрежимо малые количества водорода и окиси углерода, что облегчает расчет адиабатических соотношений в данном случае. Показано (часть В), что эти газы, однако, быстро развиваются на начальных стадиях адиабатического расширения.Расчет условий равновесия во фронте детонационной волны с принятым уравнением состояния (часть А) определяет начальные условия для расчета адиабатических соотношений при высокой плотности нагружения. Химический состав газов при адиабатическом расширении и совершенная при нем внешняя работа рассчитаны для плотности нагружения 1,5 г·см. ^-3 (часть Б). Показано, что большое количество химической энергии, выделяющейся на ранних стадиях расширения, должно коррелировать с высоким эффективным значением показателя степени адиабаты в этой области, что обусловлено доминирующей ролью сил отталкивания между молекулы сильно сжатых газов на ранних стадиях расширения.Тот же эффект наблюдается и в случае низкой плотности загрузки (участок С). Различие в количествах водорода и окиси углерода, присутствующих во фронте детонационной волны при малой плотности нагружения, усложняет решение уравнений в этом случае. В части C показано, как это можно сделать для плотности загрузки 1,0 г·см. ^-3 , а скорость детонации, давление, плотность и температура во фронте волны определялись по тому же уравнению состояния, что и в частях А и Б.Определены также зависимость адиабатического давления от объема при расширении продуктов детонации и химический состав в процессе и до окончания адиабатического расширения. По сравнению с результатами для высокой плотности загрузки, имеется значительно больше окиси углерода и меньше двуокиси углерода, а также существенное увеличение общего количества молей газа, образующихся на моль взрывчатого вещества. Отношение оказывается чувствительным к давлению во фронте детонационной волны, из чего путем сравнения с наблюдаемыми значениями этого отношения получаются независимые данные для давления детонации, рассчитанного в части А.Химическая энергия, выделяемая на грамм взрывчатого вещества, при плотности нагружения 1,0 г·см ^-3 меньше, чем при плотности нагружения 1,5 г·см ^-3 , и совершенная внешняя работа в первом также меньше, чем в последнем случае. Определены количества аммиака и синильной кислоты, находящиеся в химическом равновесии с другими газами, и они оказались пренебрежимо малыми. Делается вывод, что эти газы, наблюдаемые в экспериментах, вероятно, образуются в результате каталитического воздействия на осколки бомбы в период охлаждения после завершения адиабатического расширения.Расчеты сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными и находятся в разумном согласии с ними. Предлагается объяснение наблюдаемого различия в составе газообразных продуктов детонации тротила, инициируемой при заданной плотности нагружения детонаторами разной мощности. Определение

в кембриджском словаре английского языка

И нет субмикронных двухдиапазонных гравитонных торпед с квантовыми детонационными пакетами.Простой звук приближающегося дрона, на самом деле, может быть столь же разрушительным, как и его детонация . Материалы должны выдерживать высокое давление и температуру детонации .Во-первых, сложно многократно инициировать детонацию с такой скоростью — много раз в секунду. О любом боеприпасе немедленно сообщается, и он уничтожается на месте или удаляется для детонации в другом месте.Этого не произошло с образцами, собранными дальше от зоны детонации , поскольку эти образцы не подвергались воздействию таких высоких уровней тепла. Звук одновременных контролируемых взрывов отражается от окружающих холмов известняка.Предположительно, эти угоны и разбившиеся самолеты были там, чтобы скрыть взрывы. По сути, использование детонатора позволяет достичь гораздо более высокого КПД.Кроме того, детонация происходит прямо возле входных отверстий форсунок, где сильное давление может толкать газы назад. В этом исследовании предлагаются методы определения оптимального времени укрытия на основе потенциально доступной информации после ядерного взрыва .После взрыва купол выпячивается из-под земли, как какой-то геологический прыщ высокого давления. Взрыв белого карлика, как с точки зрения физики детонации , так и с точки зрения необходимых звездных компонентов, до сих пор остается научной загадкой.Одно из ограждений рядом с точкой подрыва было помято ударом болта. Это был длинный, медленно вращающийся фитиль, ведущий к детонации .

Эти примеры взяты из корпусов и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Кембриджского словаря, издательства Кембриджского университета или его лицензиаров.

Детонации и взрывы

Исследование ускорения пламени предварительно смешанных газов и того, как дефлаграции переходят в детонацию, чрезвычайно важно по двум основным причинам: 1) с точки зрения безопасности мы хотим избежать сильных взрывов внутри технологических установок и складских помещений. ; и 2) потому что растет интерес к управлению этими явлениями для более эффективного преобразования энергии в двигателях внутреннего сгорания.Например, были предприняты значительные усилия по разработке детонационных двигателей. Детонационные двигатели — это мощные устройства, основной принцип которых основан на многократных взрывах энергетических жидкостей, таких как газообразный водород. Эта технология все еще находится на ранней стадии разработки, но обладает прекрасным потенциалом для замены существующих двигателей в самолетах и ​​ракетах.

В нашей лаборатории мы проводим эксперименты, чтобы выяснить, как будет происходить ускорение пламени и начало детонации при наличии препятствий с различной геометрией.Целью данной работы является выявление основных особенностей неодинаковых характеристик преграды, препятствующих распространению пламени и ДДТ, а именно: коэффициента преграды, расстояния между преградами или формы преграды. На рисунке ниже представлен типичный результат испытания ДДТ, проведенного на нашей детонационной установке, где для визуализации переходного процесса и явной детонации (отличающейся наличием ячеистой структуры) использовалась сажевая фольга.

Эта работа выполняется в сотрудничестве с Центром технологической безопасности Mary Kay O’Connor Техасского университета A&M.В прошлом мы генерировали экспериментальные данные для проверки модели CFD, чтобы определить потенциал для ДДТ и оценить расстояния наката в малых масштабах. Позже эта информация может быть использована для проектирования более безопасных объектов.

Фольга из сажи, показывающая процесс ДДТ в стехиометрической смеси H ₂ -O ₂ после пары препятствий в детонационной трубе ТАМУ.