Введение

Проблема в двигателе внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием детонация (также стук, самовоспламенение, стук искры, звон или пинг) возникает, когда сгорание части воздушно-топливной смеси в цилиндре происходит не от распространения фронта пламени, зажженного свечой зажигания, а когда один или несколько очагов воздушно-топливной смеси взрываются вне области нормального фронта сгорания. Воздушно-топливная смесь должна воспламеняться исключительно свечой зажигания в строго определенный момент хода поршня. Детонация возникает, когда пик процесса сгорания перестает происходить в оптимальный момент четырехтактного цикла. Ударная волна создает характерный металлический звук "звона", и давление в цилиндре резко возрастает. Последствия детонации для двигателя могут варьироваться от незначительных до полностью разрушительных. Детонацию не следует путать с предзажиганием – это два различных явления. Однако предзажигание может быть причиной детонации. Феномен детонации был описан в ноябре 1914 года в письме от компании Lodge Brothers (производителей свечей зажигания, сыновей сэра Оливера Лоджа), разрешившем дискуссию о причине "стука" или "звона" в мотоциклах. В письме они указали, что преждевременное зажигание может привести к детонации газа вместо обычного расширения, а звук, производимый при детонации, аналогичен звуку удара молотка по металлическим деталям. Это явление было дополнительно исследовано и описано Гарри Рикардо в ходе экспериментов, проведенных с 1916 по 1919 год, для выяснения причин отказов авиационных двигателей.

Нормальное сгорание

В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Сжигание инициируется свечей зажигания примерно за 10–40 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ), в зависимости от множества факторов, включая скорость и нагрузку двигателя. Этот угол опережения зажигания обеспечивает достаточно времени для развития пикового давления в процессе сгорания в оптимальный момент для максимального извлечения работы из расширяющихся газов. Искра между электродами свечи зажигания формирует небольшое ядро пламени, приблизительно размером с зазор свечи. По мере увеличения размера ядра растет и тепловыделение, что позволяет ему расширяться с ускорением, быстро заполняя камеру сгорания. Этот рост обусловлен распространением фронта пламени по горючей топливно-воздушной смеси, а также нестабильностью Рэлея — Тейлора (возникающей из-за расширения горячих, менее плотных газов сгорания в относительно холодную и плотную несгоревшую топливно-воздушную смесь), которая быстро растягивает зону горения, образуя комплекс языков пламени с гораздо большей площадью поверхности, чем у простого сферического шара пламени (этот процесс усиливается и ускоряется любой существующей турбулентностью в топливно-воздушной смеси). При нормальном сгорании фронт пламени перемещается по топливно-воздушной смеси со скоростью, характерной для данной смеси. Давление плавно возрастает до пикового значения, по мере сгорания почти всего топлива, а затем падает при движении поршня вниз. Максимальное давление в цилиндре достигается через несколько градусов поворота коленчатого вала после прохождения поршнем ВМТ, чтобы сила, действующая на поршень (из-за возрастающего давления на его верхнюю поверхность), оказывала максимальное усилие именно тогда, когда скорость поршня и механическое преимущество на коленчатом валу обеспечивают наилучшее преобразование силы расширяющихся газов в крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал.

Необычное горение

Когда несгоревшая топливо-воздушная смесь за пределами фронта пламени подвергается воздействию сочетания тепла и давления в течение определенного времени (превышающего период задержки воспламенения топлива), может произойти детонация. Детонация характеризуется практически мгновенным, взрывным воспламенением как минимум одного очага топливо-воздушной смеси вне фронта пламени. Вокруг каждого очага создается локальная ударная волна, и давление в цилиндре резко возрастает – и, возможно, превышает его конструктивные пределы, что приводит к повреждениям. (Детонация, на самом деле, более эффективна, чем нормальное горение, но обычно избегается из-за её разрушительного воздействия на детали двигателя.) Если детонация продолжается в экстремальных условиях или на протяжении многих циклов работы двигателя, детали двигателя могут быть повреждены или разрушены. Наиболее распространенные негативные последствия – это износ частиц, вызванный умеренной детонацией, которая может распространиться по масляной системе двигателя и вызвать износ других деталей, прежде чем будет задержана масляным фильтром. Такой износ проявляется в виде эрозии, абразии или эффекта "пескоструйной обработки", аналогичного повреждениям, вызванным гидравлической кавитацией. Сильная детонация может привести к катастрофическому разрушению в виде проплавленных и пробитых отверстий в поршне или головке блока цилиндров (то есть, к разрушению камеры сгорания), что приводит к снижению давления в поврежденном цилиндре и попаданию крупных металлических фрагментов, топлива и продуктов сгорания в масляную систему. Гиперевтектические поршни, как известно, легко разрушаются под воздействием таких ударных волн. Ранним примером этого является использование системы автоматического контроля производительности в турбированных двигателях Saab H, которая снижала давление наддува при возникновении детонации.

Предсказание удара

Поскольку предотвращение детонации имеет решающее значение для инженеров-разработчиков, был разработан целый ряд технологий моделирования, позволяющих выявлять конструктивные особенности двигателя или режимы его работы, при которых может возникнуть детонация. Это, в свою очередь, позволяет инженерам разрабатывать способы снижения детонации, сохраняя при этом высокую тепловую эффективность. Поскольку возникновение детонации чувствительно к давлению в цилиндре, температуре и химическим процессам самовоспламенения, связанным с локальным составом смеси в камере сгорания, моделирование, учитывающее все эти факторы, оказалось наиболее эффективным для определения рабочих пределов, при которых возникает детонация, и позволяет инженерам выбирать оптимальную стратегию эксплуатации.

Управление стуком

Целью стратегий управления детонацией является попытка оптимизировать баланс между защитой двигателя от разрушительных детонационных явлений и максимизацией выходного крутящего момента двигателя. Детонационные явления представляют собой независимый случайный процесс. Невозможно разработать системы управления детонацией на детерминированной платформе. Одиночное моделирование временной характеристики или эксперимент с методами управления детонацией не может обеспечить воспроизводимое измерение эффективности контроллера из-за случайного характера возникновения детонационных явлений. Следовательно, желаемый баланс необходимо достигать в стохастической среде, которая могла бы предоставить подходящую платформу для разработки и оценки различных стратегий управления детонацией с использованием строгих статистических свойств.