Детонация двигателя - это процесс самопроизвольного воспламенения горючей смеси в цилиндрах, носящий характер взрывной волны. Чаще детонации подвержены бензиновые двигатели, в которых рабочая смесь воспламеняется принудительно, но иногда явления детонации проявляются и у дизелей.
Попробуем разобраться в физической природе детонации и причинах, вызывающих ее, пристальнее рассмотрев процесс сгорания топлива в цилиндрах двигателя.
Попавшая в цилиндр двигателя во время такта впуска горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов, образуя рабочую смесь, и начинает быстро сжиматься в процессе такта сжатия. На подходе поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь сильно разогревается за счет сжатия и контакта с горячими деталями кривошипно-шатунного механизма, после чего в требуемый момент цикла воспламеняется искрой зажигания. 
Ничего в природе не происходит в единый миг, и рабочая смесь тоже воспламеняется не одновременно по всему объему камеры сгорания, - горение начинается у места запала смеси искрой, в центральной части камеры, а затем быстро распространяется к периферии. По мере роста очага возгорания создается так называемый фронт горения (или фронт пламени), на границе которого образуется зона повышенного давления и температуры.
Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается дополнительно в результате прироста давления со стороны фронта пламени. Тем не менее, при достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, чаще всего, не возникают из-за местного недостатка кислорода и относительно большого времени протекания первой стадии сгорания, что характерно для периферийных зон.
Однако несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Из-за высокого давления и больших температур несгоревшая горючая смесь образует очень активные химические соединения - альдегиды, спирты, перекиси и т. д. При достижении критических значений температуры и давления между соединениями возникают цепные окислительные реакции, приводящие к самопроизвольному воспламенению смеси, и сопровождающиеся мощным выбросом энергии взрывного характера. В эпицентре такого мини-взрыва образуется взрывная волна, которой распространяется по цилиндру с невероятной скоростью.
Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают, в свою очередь, самовоспламенение хорошо подготовленной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500…2300 м/с, что характерно для взрывного горения. Для примера - при нормальном горении скорость фронта пламени составляет всего 20…30 м/с. От разрыва поршень и стенки цилиндра спасает лишь то, что детонация вызывается микровзрывами, которые выбрасывают недостаточную для глобальных разрушений энергию.
Сгорание в цилиндрах двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объемного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, называется детонационным. При отражении ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий металлический стук, который является внешним проявлением детонации.
***
Заблуждением является мнение, будто прирост давления за счет увеличения скорости распространения фронта пламени позитивно влияет на динамику двигателя и обеспечивает прибавку его мощности. Это не так, поскольку взрывная волна распространяется очень быстро (иногда – более 2 км/с), вызывая настолько сильный прирост давления (до 700 Н/см2), что поршень, головка блока и другие детали КШМ испытывают настоящий удар, словно по ним ударяют увесистой кувалдой. 
Очевидно, что положительно повлиять на мощность двигателя за такой короткий промежуток времени взрывная волна просто не успевает.
Поэтому микровзрывы в цилиндре приносят только вред - ударяя с невероятной скоростью в стенки цилиндров, взрывная волна разрушает масляную пленку, вызывая интенсивный износ деталей поршневой группы из-за сухого трения, а дополнительный прирост температуры на фронте волны приводит к перегреву стенок цилиндров, поршней, клапанов и головки блока.
Высокая температура разрушает детали двигателя, приводя к обгоранию кромок поршней и клапанов, электродов свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров. Кроме этого нередко имеют место механические разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма и даже выкрашивание антифрикционного состава в подшипниках коленчатого вала. Попробуйте узнать в приведенном на рисунке бесформенном куске металла поршень. Он разрушен последствиями детонационного сгорания топлива.
Заметно снижается динамика двигателя - при сильной детонации его мощность падает, растет расход топлива, в отработавших газах появляется черный дым.
Таким образом, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговечность деталей КШМ.
***
Возникновению детонации способствуют следующие факторы:
Сорт топливаСорта топлива характеризуются октановым числом, которым оценивается антидетонационная стойкость бензина. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационные свойства топлива. Октановое число легких фракций бензина меньше, чем у средних и тяжелых фракций. При быстром открытии дроссельной заслонки (например, при интенсивном разгоне) тяжелые фракции поступают в цилиндр с некоторой задержкой, что стимулирует детонацию в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в цилиндр. Октановое число автомобильных бензинов в соответствии с ГОСТ 2084-77 составляет от 76 до 98 единиц.
Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к росту турбулизации заряда, что влечет за собой увеличение скорости распространения пламени. В результате времени на развитие предпламеных процессов в последних частях заряда становится недостаточно, и детонация снижается. Кроме того, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается содержание остаточных газов в рабочей смеси, что также снижает интенсивность предпламенных процессов и приводит к снижению детонации.
НагрузкаУменьшение нагрузки сопровождается прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, вследствие чего давление и температура заряда в конце процесса сжатия снижается, а коэффициент остаточных газов γr увеличивается. Кроме того, уменьшается количество поступающей в цилиндр горючей смеси, а значит и выделяемая в результате ее сгорания теплота, вследствие чего снижается давление в камере сгорания. По этим причинам уменьшение нагрузки приводит к снижению детонации и наоборот.
Увеличение угла опережения зажигания приводит к более раннему тепловыделению относительно прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В результате резко повышается давление, что способствует возрастанию степени сжатия рабочей смеси перед фронтом пламени и вызывает появление очагов самовоспламенения. Поэтому с увеличением угла опережения склонность к детонации возрастает и наоборот.
Тепловое состояние двигателяС ростом температуры деталей камеры сгорания увеличивается вероятность возникновения очагов самовоспламенения и детонации.
Температура и давление воздуха на впуске в цилиндрУвеличение температуры и давления окружающей среды усиливает вероятность детонации. Поэтому применение наддува в двигателях с принудительным воспламенением затруднено.
Степень сжатияУвеличение степени сжатия приводит к увеличению температуры и давления в конце процесса сжатия. Следовательно, увеличение степени сжатия ограничивается, и ее максимально допустимое значение выбирается в зависимости от сорта топлива, формы камеры сгорания, материала поршня, головки блока цилиндров, быстроходности двигателя и способа его охлаждения.
Двигатели с формой камеры сгорания, обеспечивающей наибольшую турбулизацию смеси, более защищены от детонации. С этой точки зрения наиболее рациональными являются камеры сгорания в поршне или клиновые и плоскоовальные камеры с вытеснителями. Уменьшение пути пламени от свечи до периферийных зон камеры сгорания сокращает время его распространения и тем самым снижает вероятность возникновения детонации. Следовательно, детонацию ограничивает применение двух свечей зажигания вместо одной и уменьшение диаметра цилиндра.
Материал поршня и головки блока цилиндровМатериал этих деталей во многом определяет теплоотвод от рабочего тела. Применение алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет снизить требования к октановому числу бензина на 5…7 единиц.
***
Для того чтобы устранить данное явление, необходимо обратить внимание на причины его возникновения и помнить, что детонация происходит при включенном зажигании, ненормальные явления, возникающие при глушении мотора, имеют иное название и требует иных мер.
Если двигатель стал работать с детонацией сразу после заправки - значит, в бак попало некачественное горючее. Если двигатель бензиновый, можно добавить в топливный бак немного ацетона, - он повысит октановое число. Либо придется некачественное топливо из бака слить и заправиться более качественным.
Детонация дизельного двигателя иногда сопровождается черным или зеленоватым выхлопом. Это означает, что разрушились поршни, и выхлопные газы содержат частицы алюминия. В такой ситуации необходима замена поршневой группы.
Из-за неисправных свечей зажигания может возникать детонация при запуске двигателя. В этом случае свечи необходимо заменить. 
У дизельного двигателя такая проблема может возникнуть после западания иглы форсунки.
Если автомобиль постоянно эксплуатируется с минимальной нагрузкой или же его двигатель часто и подолгу работает на холостом ходу, в камерах сгорания откладывается слой нагара, из-за чего повышается степень сжатия и увеличивается риск появления детонации. В данном случае полезна своеобразная профилактика - двигателю необходимо периодически давать работать с большой нагрузкой. Хороший метод такой профилактики - периодические динамичные разгоны и движение на пониженной передаче с высокими оборотами. Разумеется, такая профилактика не должна противоречить правилам дорожного движения.
Современные автомобильные двигатели, оснащенные компьютерным управлением системами питания и зажигания, предохраняют от детонации при помощи датчика, который так и называется - датчик детонации. Он чутко реагирует на посторонние стуки, появляющиеся в двигателе и подает сигнал компьютеру (ЭБУ), а тот, в свою очередь, корректирует зажигание, пытаясь устранить детонацию.
***
Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, которое может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры - в результате поджига горючей смеси от раскаленной поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания.
Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем, и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя - двигатель будет продолжать работать. Поэтому в случае появления калильного зажигания необходимо просто прекратить подачу горючей смеси. Иногда водитель пытается остановить двигатель, работающий от калильного зажигания, попыткой трогаться с места на высшей передаче. Двигатель в этом случае глохнет от недостатка тягового усилия на коленчатом валу, но детали КШМ, а также элементы трансмиссии могут повредиться из-за ударных нагрузок.
В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает самовоспламенение топлива от чрезмерного сжатия – явление дизилинга. Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала. При этом его работа нестабильна и сопровождается вибрациями. Дизилинг нередко имеет место при степени сжатия более 8,5. Для его устранения применяют специальные устройства, автоматически перекрывающие в карбюраторе канал холостого хода при выключении зажигания.
***
Свойства автомобильных бензинов
k-a-t.ru
Так называют не совсем приятный момент, который может произойти при эксплуатации транспортного средства. В полностью исправном моторе горючее перемешивается с массами воздуха и сгорает, а детонация может наступить в виде взрыва этой самой смеси. В это время энергия начинает распространяться неравномерно, нанося внутренним частям ДВС значительный урон. Заметив подобные проявления, следует немедленно отправляться на СТО и выполнить диагностику. Но если имеются некоторые познания в данном вопросе, то есть возможность устранить это явление негативного характера собственными силами.
Содержание:
Итак, детонация двигателя, причины этого и способы избежания неприятностей. Различают пять основных причин, по которым может происходить это нежелательное явление:
К последней причине можно отнести охлаждение непрогоревшего топлива, находящееся далеко от свечи зажигания либо его замедленное сгорание. Значительный размер цилиндров может ухудшить отведение тепла, увеличить число участков, отдаленных от свечей, где могут образоваться очаги сгорания.
Но есть и положительные моменты, которые могут оказать препятствие детонации. Любой из них, как правило, ускоряет процессы сгорания неотработанного топлива или замедляет окисление. К ним можно отнести:
Еще не так давно водители пытались бороться с явлением при помощи «капельницы». Так называли приспособление, через которое в цилиндры подавалась вода. Изобретение было примитивным, но давало свой эффект. Однако конструкция была слабой, да и вода оказывала свои негативные признаки.
Самым необдуманным является мнение, что увеличение давления за счет скорости возгорания оказывает позитивное воздействие на динамику мотора, добавляя ему мощности. В действительности все происходит совсем не так. Ведь вполне очевидно, что за незначительный временной промежуток взрывные волны никакого влияния оказать не в состоянии.
Ударяясь с существенной скоростью о камерные стенки, волна может разрушать маслянистую пленку, которая защищает износ деталей. Подобные неприятности значительно снижают моторесурс ДВС, вызывая скорое проведение капитального ремонта.
Успешным решением считается изобретение форкамерно-факельной системы зажигания, которая используется на моторах Газ 3102. Здесь характерное отличие заключается в камере сгорания, которая состоит из двух участков. В одном создается богатая смесь горючего, во втором – более бедная. При подаче искры воспламеняется обогащенное топливо, пламя попадает во второй отсек, где воспламеняет бедное горючее. Из-за этого возможность взрывов топлива полностью исключается.
Зарубежные специалисты шагнули несколько дальше, используя для защиты от детонации микропроцессоры, помогающие в управлении мотором.
avtoshef.com
Автолюбитель не всегда может определить неисправность своего «железного коня» по характерному шуму и вибрации, но детонацию двигателя слышно сразу. Данное явление происходит чаще всего на отечественных автомобилях («классике») и характеризуется работой двигателя в течение какого-то периода после отключения зажигания. Но данные проблемы проявляются и на новых авто. Они могут проявиться, если резко нажать на педаль газа во время движения при подъеме.
Детонация двигателя представляет собой процесс, когда топливная смесь в цилиндрах двигателя воспламеняется самопроизвольно. Данное явление носит характер взрывной волны.
Причины детонации двигателя:
- неправильно выставленный угол опережения зажигания. Если данный параметр слишком завышен, то максимальная пиковая точка при сгорании топлива смещается к верхней мертвой точке. Как следствие – возрастает давление в камере, и появляется эффект детонации;
- слишком богатая смесь также может стать одной из причин данного явления. После попадания в камеру сгорания под действием повышенного давления и максимальных температур, в отдаленных уголках происходят окислительные реакции. В дальнейшем, именно они становятся источниками самовоспламенения;
- при снижении октанового числа применяемого топлива однозначно возрастает вероятность появления детонации. Дело в том, что топливо с низким октановым числом имеет повышенную химическую активность. Именно поэтому владельцы, которые применяют АИ-76, практически всегда «слышат» стук пальцев в двигателе;
- повышение степени сжатия приводит к увеличению давления в цилиндрах и проявлению детонационного сгорания топлива. Если в двигателе высокая степень сжатия, необходимо обязательно применять высокооктановое топливо.
Не стоит забывать, что причиной детонации двигателя может быть и ряд конструктивных недоработок. К таковым относится:
- неправильная конструкция камеры сгорания приводит к медлительному догоранию топливной смеси;
- недостаточное охлаждение недогоревшей топливно-воздушной смеси и ее нахождение на удаленном расстоянии от свечей зажигания;
- большой диаметр цилиндров приводит к ухудшению отвода тепла и увеличению числа удаленных от свечей зон, где и происходят очаги детонации;
- выпуклая форма поршня ухудшает отвод тепла от центра поршня к корпусу цилиндра.
Последствия детонации двигателя
Есть мнение, что рост фронта пламени и скорости его распространения может способствовать прибавке мощности мотора. Это не так. Практика показывает, что «взрывная» волна живет очень недолго (обычно не более 0,0001 секунды). Вполне логично предположить, что в такое время повышение давления на поршень не даст никаких значимых результатов. Взрывная волна попросту не успевает сделать свое дело по повышению мощности.
Сильный удар о стенки цилиндров разрушает масляную пленку и открывает «дорогу» к ускоренному износу деталей поршневой группы. Более того, создаваемого давления (а то не много ни мало – 60-70 кгс/см2) вполне достаточно, чтобы нанести серьезное механическое повреждение элементам агрегата.
Еще один недостаток – вероятный перегрев двигателя из-за слишком высокой температуры ударной волны и, как следствие, мгновенный нагрев стенок цилиндров. Высокая температура, в свою очередь, способна разрушить кромки поршней, прокладку головки блока цилиндров и свечи зажигания. Как следствие, могут проявиться более серьезные неисправности, а дальше и капремонт двигателя не за горами.
Факторы, препятствующие детонации
Немногим ранее мы говорили о причинах, которые приводят к появлению детонации. В противовес этому, мы просто обязаны упомянуть факторы, которые активно препятствуют данному процессу. Каждый из них вносит свою лепту в ускорение сгорания недогоревшей части топливно-воздушной смеси или же эффективно замедляет окислительные реакции. В общем, факторы таковы:
- во-первых, существенный рост числа оборотов мотора. В этом случае снижается вероятность самовоспламенения жидкости и уменьшается продолжительность окислительных реакций. Именно поэтому для предотвращения детонации часто хватает нажатия на педаль газа;
- во-вторых, уменьшение пути, который приходится проходить фронту пламени. Но здесь без каких-то серьезных конструктивных решений не обойтись. Возможна установка второй свечи на цилиндр или уменьшение диаметра последнего;
- в-третьих, придание вращения потокам горючей смеси в камере сгорания.
Детонация двигателя – крайне неприятное явление. Но сегодня лучшие технические «умы» отлично с ней справляются. Автолюбителям же остается внимательно следить за исправностью своего автомобиля, своевременно устранять неисправности, а также заливать качественное топливо.
autoinfa.com
Согласитесь, очень неприятно слышать громкие «раздирающие мотор» стуки под капотом при каждом нажатии на педаль акселератора, а также при подъеме в гору на высокой (прямой) передаче.
Резкий металлический стук двигателя следует отличать от сдавленного еле слышного, поскольку, в первом случае, это явление детонации — неспецифически высокой скорости горения бензовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя, а во втором, – халатное отношение к двигателю при движении на малой скорости на неадекватно высокой передаче.
Теоретически, оптимальная скорость горения топливовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя должна быть не более 250 м/с (норма около 20). Сгорание бензина со скоростью более 2000 м/с. принято называть детонацией, точнее сказать, – фактически микровзрывом. Происходит неравномерное, несвоевременное, ударное возгорание воздушно-топливной смеси, при более высокой температуре и скорости, сопровождающееся характерным звонким металлическим стуком. Такое возгорание происходит не в области свечи и не от нее, и распространяется на поступающую порцию воздушно-топливной смеси.
Возгорание под высоким давлением происходит в дизельных движках, зажигание же смеси паров бензина и воздуха под давлением не нормально для бензинового мотора.
И если движение на высокой передаче с низкой скоростью — это едва ли не осознанное нанесение вреда двигателю, то детонация может принести весьма печальные последствия для двигателя вплоть до его поломки.
При таком «неправильном» сгорании топлива температура в цилиндрах резко повышается, что пагубно сказывается на свечах зажигания, клапанах и поршневых кольцах. Резкая температура способствует выгоранию масляной пленки на цилиндрах, что в свою очередь, неизбежно приводит к более интенсивному износу цилиндропоршневой группы вплоть до залегания колец и появления задиров на стенках цилиндров. Выгорание электродов свечей, трещины, зазубрины и оплавления на поршнях, клапанах и цилиндрах, – это далеко не полный список последствий детонационных стуков в двигателе.
Наряду с высокой температурой возникает и ударная нагрузка на все движущиеся части механизмов двигателя. В первую очередь страдает кривошипно-шатунный механизм.
Сильные ударные нагрузки негативно сказываются на состоянии поршня, шатуна, а также коренных и шатунных вкладышей и коленчатого вала. Другими словами, ни один механизм двигателя не приспособлен к детонационным нагрузкам.
Чтобы избежать последствий данной проблемы, рекомендуется:
Зная, что такое детонация и методы ее устранения, можно обеспечить двигателю своего автомобиля долгую и безаварийную жизнь.
autoforeach.ru
