Причины детонации: Детонация двигателя: причины, способы устранения | SUPROTEC

Изменено 3 года, 11 месяцев назад

Просмотрено 753 раза

$\begingroup$

Итак, детонация блестяще объяснена в ответе на этот вопрос. В принятом ответе NathanG продолжает следующее:

октановое число топлива — это, по сути, величина давления, которое оно может выдержать, прежде чем оно взорвется

Насколько я понимаю, чем выше октановое число, тем большее давление может выдержать топливо, поэтому оно используется в двигателях с более высокой степенью сжатия.

Предполагая, что октановое число работает точно так же в авиационных поршневых двигателях, как и в автомобилях, это привело меня в замешательство относительно вопроса, с которым я столкнулся во время небольшого теста:

Какая из следующих ситуаций может привести к детонации в авиационном двигателе?

А: Работа двигателя на слишком богатой смеси

B: Работа двигателя на слишком обедненной смеси

C: Использование топлива со слишком высоким октановым числом

D: Использование топлива со слишком низким октановым числом

Я думал, что правильными ответами на этот вопрос были B и D, но, по-видимому, правильными ответами были A и C. Кто-нибудь может объяснить, почему это так? Я просто не вижу этого.

• топливо
• поршневой двигатель

$\endgroup$

6

$\begingroup$

Да, авторы контрольных вопросов тоже люди.

Согласно сайту Lycoming, для пилотов наибольшую опасность детонации в авиадвигателях представляет слишком бедная смесь. Работа на богатой смеси на полном газу охлаждает цилиндры. Ответ Б правильный. Чрезмерно обедненная смесь также может быть вызвана засорением топливных форсунок или утечками воздуха на впуске.

Более низкое октановое число также увеличивает риск детонации, поскольку температура «самовоспламенения» ниже, чем у топлива с более высоким октановым числом. Самовоспламенение может произойти без искры из-за более высокой температуры и давления. Это сбивает «синхронизацию» рабочего хода поршня и зажигания, вызывая «звон» или «стук». Это может привести к повреждению двигателя. Ответ Д правильный.

Таким образом, работа на богатой топливной смеси при высокой мощности при несколько меньшей пиковой мощности значительно продлевает срок службы вашего важнейшего двигателя.

$\endgroup$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Детонация в двухтактных двигателях | Горячая линия авиаторов

«Когда двигатели выходят из строя, они имеют раздражающую и потенциально трагическую тенденцию делать это в самый неподходящий момент. Конечно, «неподходящим» может быть любое время, кроме того, когда вы сидите на рампе».

– Michael W. Brown

Детонация является одной из причин отказа двухтактного авиационного двигателя. В этой статье мы определим, что такое детонация, определим причины, по которым она может возникнуть, как она выглядит, и шаги, которые вы можете предпринять, чтобы ее предотвратить. Из-за того, что детонация может привести к катастрофическому отказу, очень важно понимать этот процесс. Мало того, что этот тип отказа может убить бюджет в мгновение ока, отказ любого авиационного двигателя имеет еще более серьезные последствия, особенно если он выходит из строя в один из тех «неподходящих» моментов.

При нормальном процессе сгорания топливно-воздушная смесь воспламеняется в определенной точке до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки на такте сжатия. Когда топливо воспламеняется, оно распространяет пламя от исходной искры. Изначально это очень маленькое ядро ​​пламени. По мере сгорания топлива размер фронта пламени экспоненциально увеличивается, увеличивая давление в камере сгорания, чтобы обеспечить плавное равномерное нажатие на поршень на протяжении рабочего такта. Первоначально давление, создаваемое в камере сгорания, продолжает увеличиваться, пока не достигнет пикового значения. Это должно происходить примерно через 14° после верхней мертвой точки (ВМТ). В этот момент в результате сжигания топлива движение поршня вниз увеличивает объем внутри камеры сгорания со скоростью, превышающей увеличение давления.

Важно отметить, что топливо сгорает очень плавно и упорядоченно, от каждой свечи зажигания до стенок цилиндра и не взрывается. При прививке, как на рисунке 1, вы можете увидеть очень плавное изменение давления в камере сгорания во время такта сжатия и рабочего такта.

Теперь давайте определим детонацию. Детонация, в отличие от нормального процесса сгорания в двигателе, представляет собой состояние, при котором топливо и воздух внутри камеры сгорания спонтанно воспламеняются или «взрываются», а не сгорают с определенной скоростью. Это самовозгорание происходит в результате сочетания избыточного тепла и давления.

В случае детонации топливу в камере сгорания просто не хватает октанового числа, достаточного для того, чтобы выдержать высокую температуру и давление. Разрушительная сила, которая может присутствовать в камере сгорания, очень велика.

Катастрофический отказ внутренних компонентов двигателя может произойти за считанные секунды. (Детонацию не следует путать с предварительным зажиганием, которое мы здесь не рассматриваем.)

Поршень Hirth одноместного вертолета, показанный на рис. 2, является примером катастрофических повреждений, вызванных детонацией. Оператор столкнулся с одним и тем же сценарием в трех предыдущих случаях с почти идентичными видами отказов. В каждом случае детонация произошла в результате снижения коллектива на вертолете с целью инициирования снижения. Когда коллектив был уменьшен, нагрузка на двигатель уменьшилась, что привело к резкому увеличению температуры выхлопных газов (EGT) (подробнее об этом позже) и в каждом случае вызвало детонацию и последующий отказ двигателя. Общее время от начала детонации до катастрофического отказа двигателя составило менее 20 секунд.

Детонация по определению представляет собой самопроизвольный «взрыв», который происходит после воспламенения топливно-воздушной смеси свечами зажигания в нужное время. Как показано на рисунке 3, мы видим, что зажигание происходит за 25° до верхней мертвой точки (ВМТ). Этот взрыв в камере сгорания начинается где-то после нормального зажигания и обычно при приближении к ВМТ. Это вызывает очень резкий скачок давления в цилиндрах.

Детонация эквивалентна удару кувалдой по верхней части поршня.

В течение очень короткого периода времени создает огромную силу, которая распределяется по коленчатому валу, поршню, шатунам, головкам цилиндров и т. д. Эта энергия передается компонентам за такой короткий период времени, остается сила, чтобы толкать поршень вниз до конца рабочего хода. В результате двигатель выдает меньше мощности. Этот резкий скачок давления в камере сгорания часто можно определить по стуку или звону.

Те, кто ездил на старых автомобилях, знакомы с этим культовым звуком. Из-за высокого уровня шума, связанного с двухтактными двигателями, очень трудно, если вообще возможно, услышать этот стук или стук, когда действительно происходит детонация.

Важно отметить, что не всякая детонация приводит к разрушению двигателя. Существует неограниченное количество степеней детонации. Один двигатель может работать в течение многих часов с некоторой степенью детонации, но с относительно небольшими повреждениями или вообще без повреждений, в то время как другой двигатель испытывает катастрофический отказ.

Поршни на рис. 4 сняты с Moyes Dragonfly y с Rotax 582, который использовался для буксировки дельтапланов. В то время как головка поршня слева не имеет детонационных повреждений, поршень справа страдает от легкой детонации в течение значительного периода времени, но двигатель продолжает работать без сбоев.

 Двигатель включал в себя шестилопастной винт Ivo (фактически два трехлопастных винта, установленных «спина к спине»), который обеспечивал огромную статическую тягу, необходимую при буксировке дельтапланов. Однако величина нагрузки на двигатель значительна.

Даже при установке лопастей на наименьший шаг большой момент инерции и чрезмерная нагрузка на коленчатый вал вызывают постоянную перегрузку двигателя на всех режимах полета. Это приводит к увеличению давления и температуры в цилиндрах.

Также уменьшает способность поршня ускоряться от верхней мертвой точки, снижая давление в камере сгорания. Если движение фронта пламени в камере сгорания увеличивается со скоростью, превышающей скорость отступающего поршня, в камере сгорания может возрасти давление, облегчающее детонацию.

Причина, по которой мы используем топливо с более высоким октановым числом, состоит в том, чтобы замедлить движение фронта пламени, чтобы давление оставалось в пределах приемлемого уровня. Вот почему Rotax 912 (80 л.с.) использует обычный газ, а Rotax 912 S (100 л.с.) использует бензин премиум-класса. Единственная практическая разница между этими двигателями заключается в более высокой степени сжатия.

При более высокой степени сжатия давление в цилиндрах нарастает с большей скоростью, чем в цилиндрах с более низкой степенью сжатия, и поэтому необходимо замедлять скорость сгорания топлива, чтобы удерживать давление в цилиндрах ниже точки, при которой может произойти детонация.

Как мы обсуждали ранее, существует определенная точка, в которой сочетание температуры и давления становится слишком большим, позволяя инициировать детонацию. В случае с поршнем на Рисунке 4 мы подозреваем, что детонация происходит относительно близко к типичному максимальному пиковому давлению, когда поршень отступает во время своего хода вниз. Способность создавать чрезвычайно высокое и разрушительное давление снижается из-за отступающего поршня, снижающего давление в цилиндре. Однако, как вы можете видеть, постоянная детонация оставила большую впадину в верхней части этого поршня. При постоянном воздействии этого удара со временем верхняя часть поршня в конечном итоге прорвется. Глядя на нижнюю часть того же самого, показанного на рисунке 5, мы видим, что металл раскололся и буквально через несколько часов пробьет дыру в верхней части поршня. Кроме того, мы можем видеть трещину, распространяющуюся к отверстию порта поршня. Количество нагара, обнаруженного на нижней стороне поршня, является еще одним признаком того, что поршень имеет высокое давление в камере сгорания. Хотя небольшое количество углерода при использовании стандартного масла для двухтактных двигателей на нефтяной основе является нормальным явлением, его количество, показанное на рис. 5, указывает на чрезмерную температуру в этой области поршня. Даже в суровых условиях, как в случае с этим поршнем, количество нагара будет значительно меньше при использовании синтетического масла. Обратите также внимание на то, что окружающие части поршня не имеют нагара. Причина этого заключается в водяном охлаждении Rotax 582, способности рассеивать тепло и более низких рабочих температурах (150-180°F) цилиндров. В нормальных условиях при надлежащих температуре и давлении сгорания на дне поршня не образуется нагар даже при использовании масла на нефтяной основе.

Этот поршень был установлен на 740 часов. Раньше его никогда не снимали для обслуживания или для удаления углерода. Кроме того, двигатель все еще работал «нормально», когда повреждение было обнаружено во время плановой 100-часовой проверки, проведенной LSRM / A&P Майклом Зидзиунасом из Плант-Сити, Флорида. Просматривая выхлопное отверстие со снятым выхлопом, Майк заметил эту аномалию и смог вмешаться до того, как произошел какой-либо катастрофический сбой. Интересно видеть, что поршень, страдающий от такого количества детонации, может продолжать работать без катастрофического отказа (типичный Rotax). Мы видели это состояние на Rotax 582 более чем в дюжине случаев, когда происходила детонация без отказа двигателя. С другой стороны, мы видели столько же отказов двигателя Rotax 582 из-за того же состояния. На Рисунке 6 показан пример поршня Rotax 582, работающего в тех же условиях, что и раньше. В этом случае этот двигатель подвергался детонации в течение более короткого периода времени, но силы были достаточно сильными, чтобы поршень раскололся на несколько частей, что привело к последующему отказу двигателя.

Осмотрев сломанный поршень, мы заметили, что размеры поршня и цилиндра указывают на чрезмерный износ, и определили, что предыдущий ремонт двигателя способствовал отказу. Силы, воздействующие на верхнюю часть поршня, распределяются по остальной части поршня и на юбку поршня, позволяя металлу расширяться (из-за чрезмерных зазоров) до точки разрушения.

На верхней части поршня на Рисунке 7 мы видим небольшой плоский участок в самой головке, указывающий на детонацию, а также трещину, идущую от центра поршня наружу через портовое отверстие поршня и вниз по длине юбки поршня. Это типичная точка излома, так как это часть поршня с наименьшим количеством материала, что делает ее самым слабым местом.

Обратите внимание, что алюминий достиг точки плавления по периферии купола поршня, что снова является признаком детонации. Еще одним признаком того, что камеры сгорания достигли чрезмерной температуры, является оранжевая оксидная пленка, образовавшаяся на верхней части поршня.

Эти оксиды образуются в результате нагрева присадок к двухтактным маслам до чрезмерных температур. В этом случае масло Pennzoil для двухтактных двигателей с воздушным охлаждением, используемое в этом двигателе, оставляет следы оксида кальция оранжевого цвета. на рис. 8 от однократного зажигания Rotax 503 пострадал от детонации и последующего отказа двигателя.

Этот поршень восходит к середине восьмидесятых, когда мы использовали два сверхлегких самолета Phantom с Rotax 503. Один из самолетов имел один карбюраторный двигатель мощностью 48 л.с., а другой самолет имел двухкарбюраторную установку мощностью 52 л.с. Во время посадки за пределами поля с однокарбюраторным Phantom камень слегка повредил винт. Поэтому мы заменили винт на тот, который был у нас в наличии для 52-сильного Phantom. Этот гребной винт имел угол наклона на 2° больше, чем гребной винт, установленный на версии мощностью 48 л.с. Мы подумали: «Что самое худшее может случиться? Мы просто не получили бы столько лошадиных сил».

Даже при наборе высоты все казалось нормальным, за исключением снижения оборотов (из-за увеличения шага на новом деревянном винте). Затем, после разворота с боковым ветром, когда мы выровнялись для достижения заданной высоты и снизили мощность до среднего уровня… Взрыв! Хлопнуть!! Хлопнуть!!! следует тишина. . . и аварийная посадка.

Мы заставили двигатель работать слишком сильно, и тонкая грань между нормальной работой и детонацией была перейдена. Когда дроссельная заслонка была уменьшена до среднего диапазона, возникли проблемы. Обычно в этом диапазоне смесь обедняется значительно меньше, чем при полностью открытой дроссельной заслонке, когда имеется избыток топлива для дополнительного охлаждения. При уменьшении положения дроссельной заслонки смесь обедняется, чтобы обеспечить лучшую экономию топлива. Дополнительных нагрузок и повышенных температур ГБЦ было достаточно, чтобы вызвать детонацию. К счастью, двигатель был поврежден очень незначительно, и после небольшого ремонта и переустановки оригинального винта мы снова оказались в воздухе и продолжали летать на этом самолете в течение нескольких лет без каких-либо других аномалий.

Мы видели подобные случаи, связанные с полетами на старом топливе. С появлением неэтилированного топлива стабильность топлива и его качество ухудшаются гораздо быстрее, чем в старые времена, когда у нас был тетраэтилсвинец в качестве нашей основной антидетонационной добавки.

Нередки случаи, когда пилоты, которые предварительно настроили свои двигатели в перегруженной конфигурации, оставляли свой самолет на несколько месяцев, а затем взлетали со старым топливом на борту и испытывали почти такие же симптомы, как у Брайана в «Фантоме». .

Помните, что сила взрыва может сильно различаться. Если с вашим двухтактным двигателем происходит что-то аномальное, это почти всегда оставит какие-то признаки, которые можно определить, потянув выхлопную трубу и взглянув на поршень, стенки цилиндра, головку цилиндра и поршневые кольца. При надлежащем обучении осмотр выпускного отверстия становится самой важной частью осмотра двухтактного двигателя.

Детонация может проявляться по-разному. Вероятно, наиболее выраженными и значительными являются механические неисправности, поломки поршней, трещины на поршнях, выход из строя шатуна, сломанные или сгоревшие электроды свечей зажигания, трещины на изоляторах свечей зажигания, выход из строя подшипников шатунов, трещины в головках, трещины в цилиндрах и поломка кольцевых площадок.

Этот тип детонации является относительно сильным и обычно приводит к отказу двухтактного двигателя в течение нескольких секунд. При легких формах детонации у нас есть возможность вмешаться до катастрофического отказа. При осмотре верхней части купола поршня может проявиться признак детонации в виде истирания или точечной коррозии. Это может присутствовать на поршне и / или головке цилиндра, часто проявляясь на внешнем периметре поршня.

Еще одним постоянным симптомом, который может возникнуть при относительно слабой детонации, является деформация днища поршня. Это может проявляться как вмятина или даже небольшое плоское пятно на головке поршня. Здесь раннее вмешательство имеет решающее значение, поскольку оно может быть симптомом более серьезной проблемы.

Как только мы поймем, что такое детонация, мы сможем увидеть взаимосвязь с другими проблемами, которые приводят к катастрофическому отказу. Понимание и раннее вмешательство могут предотвратить отказ вашего двигателя и одну из тех посадок с неработающим двигателем, которые всегда происходят в самый «неподходящий момент».

Помните, что двигатель с детонацией склонен к перегреву. И наоборот, как курица и яйцо, перегретый двигатель имеет тенденцию к детонации. Настройка двигателя и его правильная эксплуатация — это самое важное, что вы можете сделать, чтобы предотвратить детонацию или любой другой отказ в этом отношении. По двигателям Rotax обратитесь ко всей замечательной документации, доступной бесплатно в Интернете на сайтах www.rotax-aircraftengines.com или www.rotaxowner.com. Правильно настроенные и эксплуатируемые двигатели Rotax не выходят из строя!

Ниже приведен список некоторых наиболее распространенных проблем, связанных с детонацией.

Правильная нагрузка на двигатель:

Этот предмет очень сложен и требует реального понимания разветвления коробки передач, диаметра винта, количества лопастей, шага, типа формы лопасти в плане и комбинации планера. Это шестичасовая лекция на наших занятиях по обслуживанию ремонтников.

Но ради этой статьи давайте подытожим: Перегрузка двигателя приводит к повышению температуры головки блока цилиндров и понижению температуры выхлопных газов. Под нагрузкой двигатель вызывает понижение температуры головки блока цилиндров и повышение температуры выхлопных газов.

Топливо:

Используйте свежее топливо, автомобильное топливо имеет более короткий срок хранения, чем авиационный газ. Автомобильное топливо нельзя использовать по истечении 30 дней. Не смешивайте двухтактное масло с топливом до тех пор, пока вы не планируете его использовать. Используйте правильное соотношение топливо/масло, следуя рекомендациям производителя. Дополнительное масло обедняет смесь, снижает октановое число и увеличивает накопление углерода.

Карбюратор:

Все двигатели (сотни), которые мы настроили за эти годы, могли нормально работать со стандартными настройками жиклера. Если вы используете что-то кроме стандартных настроек, проблема, вероятно, заключается в недостатке знаний об одной из других систем. Эти двигатели работают как полный пакет. Изменение одной переменной может повлиять на несколько других систем.

Все системы должны быть правильно настроены и работать. Полет, без сомнения, является одним из самых неизгладимых впечатлений.