Это мой первый опыт с ИИ

Здесь приводится скан второй главы книги "Быстроходные двигатели внутреннего сгорания". Г. Р. Рикардо, один из самых авторитетных в истории специалистов по ДВС, подробно и вполне доступно разъясняет что такое детонация в ДВС. Он рассматривает суть явления с инженерной точки зрения и от части, с химической точки зрения. Объясняет причины и факторы которые влияют на детонацию, и как явление детонации повлияло на развитие конструкции двигателей.

Скан второй главы книги "Быстроходные двигатели внутреннего сгорания", здесь

У наших авторов эта тема описана не хуже.

И. М. Ленин "Теория автомобильных и тракторных двигателей"

М.С. Ховах,  Г. С. Маслов "Автомобильные двигатели"

Для тех кому лень читать скан, привожу некоторые выдержки из этого теста, которые легко проверить по скану.

Текст распознан с помощью ИИ Deepseec.  Это мой первый опыт с ИИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

В 1923 г. Блекки опубликовал мою книгу «Быстроходные двигатели внутреннего сгорания». Эта книга несколько раз перерабатывалась; последний раз она была переработана моим ассистентом Г. С. Гляйдом.

В моей первой книге я отвел значительное место обсуждению детонации и ее зависимости от топлива и от конструкции камеры сгорания. В то время о детонации было опубликовано сравни тельно мало материала, а я чувствовал, что очень многое нужно было сделать как инженерам, так и химикам. С тех пор проблеме детонации посвящено огромное количество исследований, и если по мере более глубокого ее изучения, она, с точки зрения химиков, казалась все более сложной и запутанной, то с точки зрения инженеров, механизм детонации в настоящее время является достаточно хорошо изученным.

ГЛАВА II

ДЕТОНАЦИЯ И ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

В этой книге не рассматривается детально чрезвычайно сложное явление детонации, так как оно включает в настоящее время слишком большой круг вопросов, а также вопрос о том, можно ли назвать «стук» в двигателе с воспламенением от искры детонацией в прямом смысле слова, так как это служит предметом спора между физиками и химиками.

Давно сложилось представление, что существует сфера действия детонации, и только детонации, которая в прошлом ограничивала мощность и к. п. д. двигателя с воспламенением от искры при работе на летучих нефтяных топливах.

Благодаря большим усовершенствованиям в производстве бензиновых топлив и, в меньшей степени, в результате использования присадок, например тетраэтилсвинца, детонация теперь является ограничивающим, но уже не решающим фактором, как это было двадцать или тридцать лет назад.

Сущность детонации заключается в образовании внутри цилиндра волны давления, распространяющейся с такой высокой скоростью, что при столкновении со стенками цилиндра она вызывает их вибрацию, которая влечет за собой появление звонкого звука высокой частоты.

В общих чертах, не рассматривая химической природы явления, сущность механизма детонации была без доказательства принята давно и может быть объяснена достаточно элементарно.

Когда смесь топлива и воздуха воспламеняются при проскакивании искры, образуется сначала медленно, а затем значительно быстрее, маленький очаг пламени; пламя распространяется от него с увеличивающейся скоростью, и, если смесь находится в покое, фронт пламени будет двигаться по камере сгорания, сохраняя гладкую поверхность. В действительности, конечно, поверхность пламени разрывается под действием турбулизации, что обеспечивает его более быстрое продвижение.

Когда фронт пламени продвигается, он сжимает оставшуюся перед ним несгоревшую смесь, температура которой повышается от сжатия и от радиации движущегося пламени до тех пор, пока оставшийся несгоревший заряд не достигнет состояния, когда он воспламенится самопроизвольно, образуя волну давления. Последняя проходит по горящей смеси с чрезвычайно высокой скоростью, так что ее отклонение со стенками цилиндра вызывает звенящий стук, как будто по ним ударяют легким молотком.
Ниже показано, что возникновение детонации зависит:

1. от степени нагрева и сжатия, которую допускает смесь, сгорающая в последнюю очередь, т. е. от химического состава топлива (и от его температурного коэффициента);
2. от передачи теплоты от быстро продвигающегося фронта пламени к смеси, сгорающей в последнюю очередь;
3. от абсолютного расстояния, которое должно пройти пламя от точки воспламенения;
4. от фактора времени, так как развитие реакций в смеси, сгорающей в последнюю очередь, занимает определенное время;
5. от степени турбулентности, которая сокращает оба процесса. Турбулентность, с одной стороны, способствует отдаче теплоты от новоспламеняющегося заряда и значительно ускоряет продвижение фронта пламени, а с другой стороны, она увеличивает поверхность излучения. Первый фактор преобладает, что увеличение турбулентности уменьшает склонность к детонации. Многое зависит также от формы и конфигурации камеры сгорания. В экспериментах, проведенных автором, усиление турбулентности никогда не увеличивало склонность к детонации и в большинстве случаев значительно уменьшало ее.

Трудно установить, какая часть всего заряда детонирует. Способствующее наблюдению камеры сгорания через кварцевые окна показывает, что детонация менее 5% всего заряда достаточна, чтобы вызвать очень сильный стук. Кроме шума, детонация опасна тем, что может привести к преждевременному воспламенению всего заряда. Продолжительная детонация вызовет также эрозию деталей, но характерную подобную эрозию лопастей винта морских судов при кавитации.

При работе двигателя на малых нагрузках (или при небольших размерах двигателей), как например, легких автомобильных, детонация не опасна, так как шум в двигателе при детонации является достаточным сигналом, в больших напряженных двигателях, особенно с высоким наддувом, как например, в авиационных, когда общий уровень шума уже достаточно высок, детонация может быть опасной и привести к аварии двигателя от преждевременного воспламенения, сопровождаемого разрушением поршня даже до того, как она будет обнаружена.

Детонация сопровождается значительным увеличением теплового потока в поршнях и в стенках цилиндра. Это происходит не благодаря увеличению одного количества выделяющейся теплоты, а скорее вследствие разрушения волнами давления защитного пограничного слоя. Увеличение энергии теплоты в стенки цилиндра увеличивается, если более или менее заполняются, а также увеличивается.

Детонация зависит прежде всего от химического состава и молекулярной структуры топлива. Хотя научные работники всего мира более пятидесяти лет стараются разгадать физические и химические изменения, которые обусловливают склонность топлива к детонации, проблема, по-видимому, все еще далека от разрешения.

На основании анализа проб газа и других наблюдений известно, что процесс сгорания включает в себя ряд чрезвычайно сложных химических реакций, и что в движущемся фронте пламени и непосредственно перед ним образуются все виды продуктов частичного окисления. Большинство из них являются только промежуточными продуктами, т. е., другими словами, они существуют и присутствуют только в определенных температурных интервалах, и наличие их чрезвычайно трудно установить. Вероятно, один или несколько из этих промежуточных продуктов может действовать как интенсификатор, который взрывает заряд, но никто еще не смог установить природу этих продуктов.

Известно, что некоторые добавки, например, этилнитрат, значительно увеличивают склонность к детонации и до определенной степени объясняют, что их присутствие поднимает общий уровень температуры самовоспламенения. Известно также, что сернистый углерод при добавлении к бензину уменьшает склонность к детонации, несмотря на тот факт, что он имеет очень низкую температуру самовоспламенения, так что при его использовании в чистом виде двигатель не может работать без преждевременных вспышек даже при самых низких степенях сжатия; но в этом случае это исключение объясняется тем, что сернистый углерод имеет очень низкий температурный коэффициент. Гораздо труднее объяснить действие оксида азота, высокоэнергетического и богатого кислородом, которая, по всем правилам, должна значительно усиливать склонность к детонации, но в действительности оказывает прямо противоположное влияние.

Еще не выдвинута полная удовлетворительная теория для объяснения действия свинца и таллия; оба этих элемента, если их ввести или в мелко раздробленной форме вместе с воздухом, или в форме растворимых органических солей в бензине, эффективно подавляют детонацию, хотя при применении некоторых углеводородных топлив намного сильнее, чем других.

По-видимому, они препятствуют образованию некоторых продуктов частичного окисления или не дают им сразу вступать в реакции, которые в противном случае служили бы побудителями окисления — вероятно, одного или нескольких неустойчивых перекисей — но это еще не показано.

Из анализа газовых проб, взятых непосредственно перед фронтом пламени, в самом пламени и позади него, известно, что присутствие свинца приводит к снижению концентрации перекисей и альдегидов. Графики на фиг. 14 являются типичным примером одного из многих сотен таких испытаний, выполненных в лаборатории на экспериментальной двигателе Е6 с переменной степенью сжатия. Условия испытаний приведены в табл. 3.

О механизме детонации за многие годы его изучения получено уже достаточно сведений, чтобы иметь возможность уменьшить ее применением соответствующих конструктивных мероприятий, например:

а) уменьшению до минимума длины пути пламени путем использования камеры сгорания меньших размеров и расположения свечи зажигания ближе к ее центру или, когда это невозможно сделать, путем применения двух свечей зажигания, устанавливаемых на противоположных сторонах камеры сгорания;

б) предусмотрен, чтобы смесь, сгорающая в последнюю очередь, имела наилучшее охлаждение;

в) поддерживая наименьшую температуру выпускного клапана и, кроме того, несколько возможно, удаляя его от смеси, сгорающей в последнюю очередь;

г) использованием гильзового газораспределения, при котором устраняются неохлажденные поверхности в головке цилиндра и автоматически обеспечивается почти идеальная форма камеры со свечой зажигания в целом; пункт;

д) использованием турбулентности такой интенсивности, которая согласовывается с другими требованиями, например, с мягкой работой двигателя и низкой общей потерей тепла;

е) путем выбора такого положения свечи зажигания, при котором она в каждом цикле будет считаться от инертных остаточных продуктов сгорания, что обеспечивает, насколько это возможно, одинаковую длительность периода задержки воспламенения;

ж) путем обеспечения одинакового угла опережения зажигания в каждом цикле.

Все эти факторы были полностью изучены более 30 лет назад, и, вероятно, уже достигнут предел уменьшения детонации с использованием изменений конструкции.

В отношении чувствительности работы двигателя типа Гессельман зависит от момента впрыска топлива и проскакивания искры и от промежутка между началом впрыска и проскакиванием искры. При любом постоянном числе оборотов вала или нагрузке как момента опережения впрыска и зажигания, так и промежуток между ними можно определить и зафиксировать, однако при изменении нагрузки и чисел оборотов вала они могут изменяться и не всегда в одинаковом отношении один к другому. Если двигатель используется только при постоянном числе оборотов вала, как например, в стационарном исполнении, или при постоянном отношении между крутящим моментом и числом оборотов вала, например, в судовом, то можно построить....

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДЕТОНАЦИЮ

Помимо использования присадок к топливу, как например, тетраэтилсвинца или таллиевой соли олеиновой кислоты и т. д., детонация может быть до некоторой степени предотвращена добавлением охлаждаемых продуктов сгорания или воды.
Действие охлаждаемых и вновь введенных в цилиндр продуктов сгорания состоит в том, что они уменьшают концентрацию кислорода в воздухе и таким образом понижают температуру пламени, но это, конечно, сужает также пределы мощности смеси, особенно в области бедных смесей, а результаты выигрыш в к. п. д. при использовании более высокой степени сжатия теряются из-за необходимости использования обогащенной смеси. Тем не менее, если добавляются охлажденные продукты сгорания, и смесь обогащается только при полной или почти полной нагрузке, то получается значительная польза от более высокой степени сжатия при пониженных нагрузках. Если вместо добавления охлаждающих продуктов сгорания просто оставить в течение сжатия часть горячих продуктов сгорания, то тогда влияние добавочного тепла, которое вносится с ними, перекроет и больше чем перекроет их разбавленный эффект, температура сгорания будет более высокой и склонность к детонации увеличится, а склонность к преждевременному воспламенению увеличится намного больше.

В 1900-х гг. был принят метод впрыска воды в испаритель керосиновых двигателей. Образованный при этом пар служил в качестве эффективного разбавления, который предотвращал детонацию или, как тогда считали, преждевременную вспышку. Впрыск воды обеспечивался ручным регулированием, и в результате чего при малых нагрузках количество впрыскиваемой воды становилось чрезмерным и приводило к непредвиденным последствиям из-за коррозии.

В 1914—1918 гг. октановое число бензина в Великобритании составляло от 45 до 50, и двигатели имели значительную склонность к детонации. Большинство автомобилей снабжались двигателями с боковыми клапанами и плоской камерой сгорания, перекрывающей весь цилиндр и клапаны. Комбинация очень низкооктанового топлива с формой камеры сгорания, чрезвычайно склонной к детонации, приводила к тому, что такие двигатели работали со степенью сжатия несколько меньшей 4,0, вследствие этого, имели высокий расход топлива.

Испытания, проведенные на двигателе с переменной степенью сжатия конструкции автора, показали в то время ценность добавления в качестве антидетонаторов как одной воды, так и смеси воды с метиловым или этиловым спиртами.

Эти испытания позволили сделать следующие выводы:

1. Сухой пар, сам по себе, являлся эффективным антидетонатором, но, как и в случае добавления охлажденных отработанных газов, максимальная мощность при любой данной степени сжатия в пределах горючести смеси уменьшилась из-за вытеснения кислорода и разбавления смеси;
2. Вода действовала более эффективно, чем пар, потому, что ее скрытая теплота способствовала уменьшению температуры в конце сжатия и увеличению коэффициента наполнения до величины, которая более чем компенсировала влияние вытеснения кислорода паров; но действие воды сильно зависело от того, когда, где и до какой степени она испарялась. Если полное испарение происходило во впускном патрубке или в цилиндре до закрытия впускного клапана, тогда полная величина ее скрытой теплоты могла быть реализована как в отношении увеличения коэффициента наполнения и, следовательно, эффективной мощности, так и в отношении подавления детонации. Если же испарение происходило во время хода сжатия, то пар еще служил как эффективный антидетонатор, но уже не как фактор увеличения мощности, так как любая жидкость, остающаяся в цилиндре после воспламенения, поглощает тепло, выделяющееся при сгорании, и, таким образом, снижает эффективную мощность и т. д. Все какое-либо компенсирующее преимущество. Обычно некоторое испарение происходит на всех этих стадиях, и задача состоит в том, чтобы закончить испарение как можно раньше с помощью распыливания и комбинации, если необходимо, с некоторым добавлением предварительного подогрева от местного источника тепла во впускном патрубке, на который впрыскивание воды производится в грунт.
3. Добавление этилового или метилового спирта (метанола) оказалось эффективным потому, что:
   a) снижает точку кипения и гарантирует более раннее испарение;
   b) автоматически дает такое увеличение среднего обогащения состава смеси, которое необходимо как для ускорения сгорания, так и для компенсации сужения диапазона горючести смеси в связи с разбавлением ее паров;
   c) метиловый и этиловый спирты предохраняют топливо от замерзания.

Метиловый пар имеет высокую максимальную допустимую степень сжатия и поэтому сам является антидетонатором, но в то же время он склонен к преждевременной вспышке при слишком высокой концентрации.

Этиловый спирт предпочтительнее метилового спирта, так как он менее склонен к преждевременной вспышке, но по причине своей более высокой точки кипения дает меньший выигрыш в увеличении мощности.

В результате этих наблюдений был сконструирован карбюратор с двумя поплавковыми камерами, одна камера для бензина, другая....

Мои статьи на эту тему