Ішкі жану қозғалтқышындағы соққы (детонация) мәселесі
Engine knocking
Жанұялы қозғалтқыштағы «соққы» дегеніміз не? Қозғалтқыштың бұзылуына әкелетін жағдай, себептері мен салдары туралы біліңіз. Дұрыс жанармай таңдау маңызды!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ішкі жану қозғалтқышындағы мәселе
Problem in internal combustion engine
Шыршамен жануды қолданатын ішкі жану қозғалтқыштарында, соққы (сондай-ақ, жарылыс, детонация, шыршалау, «пинг» немесе «қызғылт») цилиндрдегі ауа-отын қоспасының бір бөлігінің жануы ұшқышпен жанған жалын фронтының таралуынан туындамай, керісінше, ауа-отын қоспасының бір немесе бірнеше қалталары қалыпты жану фронтының шегінен тыс жарылғанда пайда болады. Отын-ауа қоспасы ұшқышпен ғана және поршеньнің жүрісіндегі нақты бір сәтте тұтануы тиіс. Соққы, жану процесінің ең жоғары нүктесі төрт тактілі циклдың оңтайлы сәтінде болмайтын кезде пайда болады. Дыбыстық толқын ерекше металл «пинг» дыбысын тудырады және цилиндрдегі қысым күрт өседі. Қозғалтқыш соққысының әсері ешқандай маңызға ие болмай, толығымен қиратуға дейін жетеді. Соққыны алдын ала тұтанумен шатастыруға болмайды – бұл екі бөлек құбылыс. Дегенмен, алдын ала тұтану соққыға әкелуі мүмкін. Детонация құбылысы 1914 жылдың қараша айында Лодж ағайындары (ұшқыштарды өндірушілер, және сэр Оливер Лоджтың ұлдары) мотоциклдердегі «соққының» немесе «пинг» дыбысының себебін талқылаған хатта сипатталған. Хатында олар ерте тұтану газдардың әдеттегі кеңеюінің орнына жарылуына себеп болуы мүмкін екенін және жарылыс кезінде шығатын дыбыс металл бөлшектерді балғамен соққандай болады делінген. Бұл құбылысты Гарри Рикардо 1916-1919 жылдар аралығында авиациялық қозғалтқыштардың істен шығуының себебін анықтау мақсатында жүргізген тәжірибелерде одан әрі зерттеді және сипаттады.
In spark ignition internal combustion engines, knocking (also knock, detonation, spark knock, pinging or pinking) occurs when combustion of some of the air/fuel mixture in the cylinder does not result from propagation of the flame front ignited by the spark plug, but when one or more pockets of air/fuel mixture explode outside the envelope of the normal combustion front. The fuel–air charge is meant to be ignited by the spark plug only, and at a precise point in the piston's stroke. Knock occurs when the peak of the combustion process no longer occurs at the optimum moment for the four stroke cycle. The shock wave creates the characteristic metallic "pinging" sound, and cylinder pressure increases dramatically. Effects of engine knocking range from inconsequential to completely destructive. Knocking should not be confused with pre ignition—they are two separate events. However, pre ignition can be followed by knocking. The phenomenon of detonation was described in November 1914 in a letter from Lodge Brothers (spark plug manufacturers, and sons of Sir Oliver Lodge) settling a discussion regarding the cause of "knocking" or "pinging" in motorcycles. In the letter they stated that an early ignition can give rise to the gas detonating instead of the usual expansion, and the sound that is produced by the detonation is the same as if the metal parts had been tapped with a hammer. It was further investigated and described by Harry Ricardo during experiments carried out between 1916 and 1919 to discover the reason for failures in aircraft engines.
Қалыпты жану
Идеалдық жағдайда, кәдімгі ішкі жану қозғалтқышы отын-ауа қоспасын цилиндрде реттелген және бақыланатын тәртіппен жағады. Жану, көптеген факторларға, соның ішінде қозғалтқыш айналымдары мен жүктемеге байланысты, жоғарғы өлі нүктеден (ЖӨН) 10-40 градусқа бұрын, тұтқа арқылы басталады. Бұл жануды алдын ала іске қосу, кеңейіп жатқан газдардан жұмыстың максималды тиімділігімен қалпына келтірілуі үшін, жану процесінің ең жоғары қысымды идеалды уақытта дамытуына мүмкіндік береді. Тұтқаның электродтары арқылы өтетін ұшқын, тұтқаның саңылауының шамасына тең, жалынның кішкентай ядросын құрайды. Оның мөлшері ұлғайған сайын, жылу шығаруы да артады, бұл оның үдеп өсуіне және жану камерасы арқылы жылдам таралуына мүмкіндік береді. Бұл өсім жалын фронтының жанғыш отын-ауа қоспасы арқылы қозғалуына, сондай-ақ Рейли-Тейлор тұрақсыздығына (ыстық, төмен тығыздықтағы жанатын газдардың салыстырмалы түрде салқын және тығыз жанбаған отын-ауа қоспасына кеңеюінен туындайды) байланысты. Бұл жалын аймағын қарапайым шар тәрізді жалын шарларынан әлдеқайда үлкен беті бар жанатын газдың саусақтарының кешеніне жылдам созады (осы соңғы процеске отын-ауа қоспасындағы кез келген бұрынғы турбуленция ықпал етеді және үдетіп жібереді). Қалыпты жану кезінде, бұл жалын фронты отын-ауа қоспасы бойынша осы қоспаға тән жылдамдықпен қозғалады. Қысым бірте-бірте өсіп, ең жоғары деңгейге жетеді, өйткені қол жетімді отынның барлығы дерлік жағылады, содан кейін поршень төмен түскенде қысым төмендейді. Максималды цилиндр қысымы поршень ЖӨН-нен өткеннен кейін бірнеше коленвал градусына жетеді, сондықтан поршеньге қолданылатын күш (поршеньнің жоғарғы бетіне қолданылатын қысымның өсуінен) поршеньнің жылдамдығы мен коленвалдағы механикалық тиімділік кеңейіп жатқан газдардан күшті ең жақсы қалпына келтіретін және осылайша коленвалға берілетін айналу моментін максималды деңгейге көтеретін уақытта ең күшті итеруді қамтамасыз етеді.
Under ideal conditions the common internal combustion engine burns the fuel/air mixture in the cylinder in an orderly and controlled fashion. The combustion is started by the spark plug some 10 to 40 crankshaft degrees prior to top dead center (TDC), depending on many factors including engine speed and load. This ignition advance allows time for the combustion process to develop peak pressure at the ideal time for maximum recovery of work from the expanding gases. The spark across the spark plug's electrodes forms a small kernel of flame approximately the size of the spark plug gap. As it grows in size, its heat output increases, which allows it to grow at an accelerating rate, expanding rapidly through the combustion chamber. This growth is due to the travel of the flame front through the combustible fuel–air mix itself, and due to Rayleigh–Taylor instability (resulting from the hot, low density combustion gasses expanding into the relatively cold and dense unburnt fuel–air mix) which rapidly stretches the burning zone into a complex of fingers of burning gas that have a much greater surface area than a simple spherical ball of flame would have (this latter process is enhanced and accelerated by any pre existing turbulence in the fuel–air mixture). In normal combustion, this flame front moves throughout the fuel/air mixture at a rate characteristic for the particular mixture. Pressure rises smoothly to a peak, as nearly all the available fuel is consumed, then pressure falls as the piston descends. Maximum cylinder pressure is achieved a few crankshaft degrees after the piston passes TDC, so that the force applied on the piston (from the increasing pressure applied to the top surface of the piston) can give its hardest push precisely when the piston's speed and mechanical advantage on the crank shaft gives the best recovery of force from the expanding gases, thus maximizing torque transferred to the crankshaft.
Аномальды жану
Жалынның алдыңғы шегінен тыс жердегі жанылмаған отын-ауа қоспасы, белгілі бір уақыт бойы (қолданылған отынның кешігу кезеңінен асып түскенде) жылу мен қысымның бірлескен әсеріне түскенде, детонация пайда болуы мүмкін. Детонация – жалынның алдыңғы жағында кемінде бір отын/ауа қоспасының дерлік бірден, жарылыспен тұтануымен сипатталады. Әрбір қалтаның айналасында жергілікті соққы толқыны құрылады, ал цилиндрдегі қысым күрт өседі – және мүмкін, жобалық шектерінен асып, зақымдануға әкеледі. (Детонация, шындығында, дефлаграциядан тиімдірек, бірақ қозғалтқыш компоненттеріне тигізетін зиянды әсеріне байланысты көбінесе одан аулақ тұрады.) Егер детонацияға жол берілсе, ол қатаң жағдайларда немесе көптеген қозғалтқыш циклдары бойында жалғасқан жағдайда, қозғалтқыш бөліктері зақымдануы немесе жойылған болуы мүмкін. Ең қарапайым зиянды салдары – әдетте, орташа детонациядан туындаған бөлшектердің тозуы, ол қозғалтқыш май жүйесі арқылы тарайды және май сүзгісіне жеткенге дейін басқа бөліктердің тозуына себеп болуы мүмкін. Мұндай тозу эрозия, абразия немесе "құммен шашылғандай" көрінеді, бұл гидравликалық кавитациядан туындаған зақымдануға ұқсас. Күшті детонация поршень немесе цилиндр басы арқылы балқып, тесіктердің пайда болуына (яғни, жану камерасының жарылуына) әкелуі мүмкін, бұл зардап шеккен цилиндрдегі қысымды төмендетіп, май жүйесіне ірі металл сынықтары, отын және жану өнімдерін енгізеді. Гиперэвтектикалық поршеньдер мұндай соққы толқындарынан оңай сынуы белгілі. Мұның алғашқы мысалы – турбокомпрессорлы Saab H қозғалтқыштарында, онда автоматты өнімділік басқару (Automatic Performance Control) жүйесі, қозғалтқыштың детонациясына себеп болған жағдайда, күшейткіш қысымды төмендету үшін қолданылды.
When unburned fuel–air mixture beyond the boundary of the flame front is subjected to a combination of heat and pressure for a certain duration (beyond the delay period of the fuel used), detonation may occur. Detonation is characterized by an almost instantaneous, explosive ignition of at least one pocket of fuel/air mixture outside of the flame front. A local shockwave is created around each pocket, and the cylinder pressure will rise sharply – and possibly beyond its design limits – causing damage. (Detonation is actually more efficient than deflagration, but is usually avoided due to its damaging effects on engine components.) If detonation is allowed to persist under extreme conditions or over many engine cycles, engine parts can be damaged or destroyed. The simplest deleterious effects are typically particle wear caused by moderate knocking, which may further ensue through the engine's oil system and cause wear on other parts before being trapped by the oil filter. Such wear gives the appearance of erosion, abrasion, or a "sandblasted" look, similar to the damage caused by hydraulic cavitation. Severe knocking can lead to catastrophic failure in the form of physical holes melted and pushed through the piston or cylinder head (i. e. rupture of the combustion chamber), either of which depressurizes the affected cylinder and introduces large metal fragments, fuel, and combustion products into the oil system. Hypereutectic pistons are known to break easily from such shock waves. An early example of this is in turbocharged Saab H engines, where a system called Automatic Performance Control was used to reduce boost pressure if it caused the engine to knock.
Шабу болжамы
Жанарлы газдың қағуын болдырмау дамытушы инженерлер үшін аса маңызды болғандықтан, қозғалтқыш дизайнын немесе қағудың пайда болуы мүмкін жұмыс жағдайларын анықтайтын түрлі модельдеу технологиялары жасалған. Бұл инженерлерге жоғары жылу тиімділігін сақтай отырып, қағу жануын азайту жолдарын жобалауға мүмкіндік береді. Қағудың басталуы цилиндр ішіндегі қысымға, температураға және жану камерасындағы жергілікті қоспалардың құрамымен байланысты автотұтану химиясына сезімтал болғандықтан, осы барлық факторларды ескеретін модельдеулер қағудың жұмыс шектерін анықтауда ең тиімді болып табылды және инженерлерге ең оңтайлы жұмыс стратегиясын анықтауға көмектеседі.
Since the avoidance of knocking combustion is so important to development engineers, a variety of simulation technologies have been developed which can identify engine design or operating conditions in which knock might be expected to occur. This then enables engineers to design ways to mitigate knocking combustion whilst maintaining a high thermal efficiency. Since the onset of knock is sensitive to the in cylinder pressure, temperature and autoignition chemistry associated with the local mixture compositions within the combustion chamber, simulations which account for all of these aspects have thus proven most effective in determining knock operating limits and enabling engineers to determine the most appropriate operating strategy.
Шабуды басқару
Шабуды басқару стратегияларының мақсаты – қозғалтқышты зиянды шабу оқиғаларынан қорғау және қозғалтқыштың максималды шығыс моментін қамтамасыз ету арасындағы қарым-қатынасты оңтайландыру. Шабу оқиғалары тәуелсіз, кездейсоқ процестер болып табылады. Детерминистік платформада шабуды басқару жүйесін жобалау мүмкін емес. Шабуды басқару әдістерінің жекелеген уақыт бойынша жүргізілген симуляциясы немесе тәжірибесі, шабу оқиғаларының кездейсоқ сипатынан басқару жүйесінің өнімділігін қайталанатын түрде өлшеуге мүмкіндік бермейді. Сондықтан, қажетті қарым-қатынасты стохастикалық негізде жүзеге асыру қажет, ол берілген шабуды басқару стратегияларының өнімділігін жобалау және бағалау үшін қатаң статистикалық қасиеттері бар қолайлы ортаны қамтамасыз етеді.
The objective of knock control strategies is to attempt to optimize the trade off between protecting the engine from damaging knock events and maximizing the engine's output torque. Knock events are an independent random process. It is impossible to design knock controllers in a deterministic platform. A single time history simulation or experiment of knock control methods are not able to provide a repeatable measurement of controller's performance because of the random nature of arriving knock events. Therefore, the desired trade off must be done in a stochastic framework which could provide a suitable environment for designing and evaluating different knock control strategies performances with rigorous statistical properties.