Причина
В дизельном двигателе воздух сжимается в цилиндре так сильно, что его температура превышает температуру воспламенения дизельного топлива. Незадолго до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое мгновенно воспламеняется. Если количество впрыскиваемого топлива избыточно велико, в цилиндре возникают сильные ударные волны, вызывающие детонацию.
Способы предотвращения детонации
Громкий звук детонации в большинстве случаев можно услышать при работе холодного дизеля на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. В этом виновата большая задержка воспламенения, которая, как известно, уменьшается при увеличении давления и температуры. Детонация во время холостого хода не опасна для двигателя и исчезает при повышении нагрузки.
В двигателях с непосредственным впрыском дизельного топлива в воздух в камере сгорания детонацию можно устранить, уменьшив количество топлива, впрыскиваемого во время задержки воспламенения. Основное количество впрыскивается сразу после начала сгорания. Недостатком является невозможность полностью устранить выброс сажи, которая возникает, если у топлива перед воспламенением недостаточно времени для испарения и смешивания с воздухом. Когда температура и давление высоки и нет достаточного количества воздуха для сгорания, возникает реакция крекинга (расщепления молекул), которая приводит к образованию сажи. Сажа сгорает не полностью и попадает в отработавшие газы.
Детонационное сгорание топлива можно также устранить с помощью разделения камеры сгорания. Дизельное топливо впрыскивается в изолированную полость (предварительную камеру) в головке блока цилиндров (рис. 6.5). Из-за недостатка воздуха там может гореть не всякое топливо. Вследствие предварительного сгорания в предварительной камере повышаются температура и давление. Топливо, которое не сгорело, через сужение попадает с большой скоростью в основную камеру сгорания, где и догорает до конца. Вследствие растяжения по времени процесса сгорания детонационный шум подавляется даже при использовании топлива с большой задержкой воспламенения. Правда, при этом наблюдается повышенный удельный расход топлива.
Рис. 6.5. Разделенная камера сгорания дизельного двигателя
Наряду со способами смесеобразования, когда топливо впрыскивается в воздух, существует метод подачи топлива, разработанный в компании «MAN», при котором дизельное топливо впрыскивается так, что тонкой пленкой оседает на поверхности камеры сгорания. При использовании данного метода детонация не возникает, так как топливо сгорает в том объеме, в котором оно испаряется со стенки и смешивается с воздухом. Двигатели, работающие по данному принципу смесеобразования, называются многотопливными двигателями внутреннего сгорания, так в них можно использовать все виды топлива, от смазочного масла и дизельного топлива до бензина.
Производители горючего также прилагают старания, чтобы устранить детонацию. Дизельное топливо после нефтеперегонки имеет диапазон кипения 160-90°C. Оно содержит много насыщенных углеводородов, которые легко воспламеняются. Плотность дизельного топлива составляет ρ~0,83 г/ см³, а его удельная теплота сгорания Нu~42000 кДж/кг. При добавлении присадок для ускорения сгорания воспламеняемость дизельного топлива еще больше увеличивается. Действие присадок заключается в том, что топливо воспламеняется непосредственно при попадании в горячий воздух, а при повышении температуры задержка воспламенения дизельного топлива уменьшается. Для этого достаточно добавить в дизельное топливо присадки для ускорения воспламенения в количестве 0,1-1 объемного процента.
Определение воспламеняемости дизельного топлива
Воспламеняемость дизельного топлива выражается с помощью цетанового числа (CZ). Оно означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и определенная сравнительная смесь из цетана и α-метилнафталина. Легковоспламеняемым реагентом смеси является цетан. Он имеет цетановое число 100, в то время как а-метилнафталин — цетановое число 0. Таким образом, например, цетановое число CZ=55 означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и сравнительная смесь из 55% (объемных долей) цетана и 45% (объемных долей) α-метилнафталина. Воспламеняемость повышается при росте цетанового числа.
Определение цетанового числа выполняется так же, как и определение октанового числа бензина с помощью эталонного двигателя, специально предназначенного для этих замеров. Используются двигатель для оценки детонационной стойкости бензинов по методу компании «BASF» и стандартный двигатель для оценки детонационной стойкости топливных материалов — одноцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели с устройством для регулирования конечного давления сжатия. В то время, как в двигателе компании «BASF» конечное давление сжатия регулируется с помощью ограничения впускаемого воздуха, в стандартном двигателе регулировка выполняется путем изменения степени сжатия.
Ниже измерение цетанового числа 1952/54 описывается на примере испытательного двигателя, разработанного компанией «BASF» — четырехтактного дизельного двигателя с вихревой камерой сгорания и системой испарительного охлаждения. Он работаете частотой вращения коленчатого вала приблизительно 1000 мин а тормозной генератор создает момент сопротивления. Сначала в двигатель подается исследуемое дизельное топливо. Впрыскиваемое количество должно быть отрегулировано согласно расходу 8±0,3 см³/мин, а момент впрыскивания — на 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке. Во впускном коллекторе двигателя установлена дроссельная заслонка, а перед ней — измерительный диффузор, подключенный к вакуумметру. Дроссельная заслонка закрывается, уменьшая тем самым давление сжатия, пока задержка воспламенения дизельного топлива не будет равна 20° угла поворота коленчатого вала к верхней мертвой точке, а горение не начнется точно в верхней мертвой точке поршня. Величина разрежения отображается на дисплее вакуумметра. Воспламеняемость дизельного топлива высока, когда разрежение имеет низкое значение. Тогда через диффузор проходит лишь небольшое количество воздуха, и конечное давление сжатия — низкое.
По окончании измерения дизельного топлива впрыскиваются две сравнительные смеси при тех же условиях. Цетановое число сравнительных смесей должно различаться всего на четыре единицы. Кроме того, цетановое число дизельного топлива должно находиться в диапазоне между цетановыми числами двух сравнительных смесей. На основании зафиксированных показаний вакуумметра цетановое число дизельного топлива рассчитывается посредством линейной интерполяции и округляется до целого числа.
Цетановые числа современного дизельного топлива составляют 50-55 единиц.