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.