Детонация двигателя: что это такое?

Детонация двигателя представляет собой нарушение плавного процесса сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндрах силового агрегата, в результате чего такое сгорание приобретает взрывной ударный характер. Другими словами, топливо резко взрывается в рабочей камере, что приводит к моментальному выбросу энергии и образованию ударной волны.

В нормальных условиях фронт пламени в цилиндре распространяется со средней скоростью около 30 метров в секунду. Во время детонации данный показатель увеличивается до 2000 метров. Воспламенение смеси в норме должно происходить в тот момент, когда поршень практически находится в ВМТ. Что касается УОЗ (угол опережения зажигания), зачастую этот показатель составляет 2 или 3 градуса. Топливный заряд также догорает после того, как поршень пройдет ВМТ и начинается его рабочий ход.  

Если в двигателе происходит детонация, тогда топливно-воздушная смесь воспламеняется в момент, когда поршень еще находится на такте сжатия. Энергия от сгорания заряда в этом случае оказывает сильное давление на поднимающийся поршень, а не толкает его вниз. Последствиями такого взрыва топливной смеси является значительное увеличение ударных разрушительных нагрузок на ЦПГ и КШМ, рост температуры, снижение мощности двигателя и возрастание расхода топлива.

Содержание статьи

• Основные причины детонации
  • Эксплуатация двигателя
  • Октановое число бензина
  • Особенности конструкции ДВС
• Конструктивные решения для предотвращения детонации
• Детонация двигателя при выключении зажигания
• Детонация двигателя и возможные последствия

Основные причины детонации

Среди различных причин возникновения детонации специалисты отмечают неправильно выставленный угол опережения зажигания на бензиновых двигателях (угол опережения впрыска топлива на дизельных ДВС), сбои в процессе смесеобразования, снижение эффективности работы системы охлаждения, а также целый ряд других возможных причин.

Детонацию двигателя принято условно разделять на допустимую и критическую. Под допустимой детонацией следует понимать кратковременное (иногда малозаметное) явление. Критическая детонация может проявляться постоянно, только при увеличении нагрузок на мотор, на холостом ходу, а также во время работы ДВС в различных режимах.

В списке основных причин появления детонации отмечены:

• нарушения условий эксплуатации мотора;
• использование бензина с отличным от рекомендуемого октановым числом;
• особенности конструкции силового агрегата;

Эксплуатация двигателя

Детонацию можно услышать на полностью исправном моторе во время эксплуатации агрегата под нагрузкой. Смесь в цилиндрах  обычно детонирует на затяжном подъеме при движении с такой скоростью, которая не соответствует выбранной передаче.

Другими словами, детонация двигателя отчетливо заметна в том случае, когда водитель пытается заехать на подъем с низкой скоростью без переключения на пониженную передачу и давит на газ. Обороты коленвала в этот момент низкие, двигатель «не тянет», то есть не набирает мощность и не разгоняет автомобиль. К общему звуку работы мотора в этом случае добавляется звонкий металлический детонационный стук, похожий на стук поршневых пальцев. Такой звук становится результатом ударов взрывной волны, которая с высокой частотой бьет по стенкам камеры сгорания.

Также необходимо отметить, что склонность к детонации топливно-воздушной смеси напрямую зависит от исправной работы систем зажигания и охлаждения. Смесь может детонировать в цилиндрах при наличии следующих факторов:

• раннее зажигание;
• перегрев двигателя;
• обильный нагар в камере сгорания;
• сильная закоксовка двигателя, в результате чего увеличилась степень сжатия;

Зажигание часто делают ранним для улучшенного отклика двигателя на нажатие педали газа, особенно на низких оборотах. Раннее зажигание заставляет смесь воспламеняться до наступления момента, когда поршень подходит к ВМТ. Так как поршень еще только осуществляет движение в верхнюю мертвую точку, раннее воспламенение смеси означает противодействие его движению. Дополнительным негативным явлением при таком зажигании выступает перегрев.

Скопление нагара в камере сгорания приводит к уменьшению объема самой камеры и повышению степени сжатия. Вторым по значимости фактором, влияющим на детонацию, является значительное повышение температуры в камере сгорания при наличии отложений. В отдельных случаях нагар может буквально тлеть, заставляя смесь в цилиндрах воспламеняться неконтролируемо. Получается, детонация при определенных условиях провоцирует появление калильного зажигания, которое также является аномальным самопроизвольным воспламенением смеси.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое калильное зажигание. Из этой статьи вы узнаете о причинах появления данной неисправности, а также о последствиях воздействия КЗ на мотор и его эксплуатацонный ресурс.

Дополнительно необходимо учесть тот факт, что детонация двигателя может возникнуть в результате установки свечей зажигания с неподходящим для данного типа двигателя калильным числом.

 Отдельно на детонацию может повлиять внесение различных изменений в топливную аппаратуру, а также «чиповка» ЭБУ и другие манипуляции, влияющие на смесеобразование в целях экономии топлива. Условно называемая тюнерами «экономичная прошивка» означает, что в блок управления двигателем вносится ряд корректив, затрагивающих топливные карты. Результатом становится обедненная смесь на разных режимах работы ДВС, снижаются динамические характеристики автомобиля.

Во время работы ЭБУ двигателя на заводских настройках смесь рассчитана на «мягкое» воспламенение, благодаря чему температура внутри камеры сгорания остается в заданных рамках. При серьезных нагрузках в двигателе после прошивки зачастую возникает детонация на слишком «бедной» смеси. Обедненная смесь приводит к перегреву деталей. Указанный перегрев при последующем впрыске топлива может вызвать самопроизвольное воспламенение топливного заряда.

Октановое число бензина

Одной из наиболее распространенных причин детонации двигателя является использование бензина с низким октановым числом, которое не рекомендовано для данного типа ДВС.  Добавим, что указанный параметр не так важен для дизельного двигателя, так как основной характеристикой дизтоплива выступает цетановое число.

Дело в том, что солярка изначально более устойчива к детонации. В дизеле воспламенение происходит в результате сжатия и нагрева от такого сжатия топливной смеси. По этой причине дизельные двигатели конструктивно имеют более высокую степень сжатия.

Бензин имеет заметно меньшую стойкость к детонации сравнительно с дизтопливом. Октановое число является той характеристикой, которая отражает детонационную стойкость бензина. В бензиновом моторе степень сжатия ниже, топливно-воздушная смесь загорается от искры. Чем выше оказывается октановое число, тем большее сжатие смеси допускается без риска детонации. 

Получается, заправка 92-м бензином автомобиля, двигатель которого имеет высокую степень сжатия и допускается использование горючего с октановым числом только 95 и выше, приведет к появлению детонации во время работы мотора под нагрузкой.

Необходимо отдельно учитывать, что детонация может проявляться даже в случае заправки топливом с необходимым октановым числом. В этой ситуации дело может быть в низком качестве горючего, так как на АЗС часто используют различные способы для искусственного повышения октанового числа. Среди таковых особо отмечают добавку в бензин жидкого газа (пропан, метан). Указанные газы являются летучими, то есть испаряются через небольшой промежуток времени. В итоге топливный бак быстро оказывается заполненным бензином с низким октановым числом, хотя изначально заправляемое топливо соответствовало рекомендуемому для данного типа ДВС.

Особенности конструкции ДВС

Детонация может возникать в двигателе благодаря целому ряду конструктивных особенностей силового агрегата. В списке основных решений отдельно выделяются:

• степень сжатия конкретного ДВС;
• форма самой камеры сгорания и днища поршня;
• особенности размещения свечей зажигания;
• турбонаддув;

Высокофорсированные бензиновые атмо и турбодвигатели имеют более высокую степень сжатия сравнительно со штатными атмосферными аналогами, вследствие чего демонстрируют повышенную предрасположенность к детонации. Такие ДВС предполагают эксплуатацию исключительно на качественном бензине с высоким октановым числом.

Конструктивные решения для предотвращения детонации

Для борьбы с детонацией инженеры в разное время использовали определенные конструктивные решения. Такие решения направлены на максимально эффективное и быстрое сгорание заряда топлива во фронте пламени, полноту сгорания от искры, замедление окислительных процессов, в результате которых происходит неконтролируемое воспламенение.

Необходимо добавить, что в целях противодействия детонации могут быть увеличены обороты двигателя, в результате чего сокращается время на протекание окислительных реакций и снижается вероятность самовоспламенения топливно-воздушной смеси.

Еще одним инженерным решением выступает турбулизация. Потоки смеси в камере сгорания благодаря конструктивным особенностям получают определенное вращение, фронт пламени от искры распространяется быстрее.  Также противостоять детонации помогает уменьшение того расстояния, которое проходит фронт пламени. Для сокращения пути цилиндр может быть выполнен с меньшим диаметром, а также возможна установка еще одной свечи зажигания.

Отдельно стоит отметить форкамерно-факельное зажигание, которое в свое время было призвано эффективно бороться с детонацией. Моторы с форкамерой конструктивно предусматривают наличие двух камер: предкамеру и основную камеру. Принцип работы состоит в том, что в малой камере создается обогащенная смесь, а в основной находится обедненная. После воспламенения смеси в предкамере фронт пламени воспламеняет смесь в основной камере, исключая возможность детонации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое форкамерный двигатель. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции и принципах работы предкамерных моторов.

На современных моторах детонации активно противостоит электроника. Появление микропроцессорных блоков управления двигателем (ЭБУ) позволило в автоматическом режиме изменять угол опережения зажигания (УОЗ) на основании показаний от датчиков, а также динамично вносить коррективы в состав горючей смеси.

Детонация двигателя при выключении зажигания

Достаточно распространенным явлением во время эксплуатации бензиновых и дизельных ДВС является то, что детонация двигателя проявляется уже после выключения зажигания. Двигатель в этом случае дергается, так как коленвал успевает сделать еще несколько оборотов.

Такая детонация двигателя после выключения зажигания может быть вызвана двумя явлениями:

• дизелинг;
• калильное зажигание;

В первом случае, который характерен для бензиновых агрегатов, имеет место кратковременная или продолжительная работа мотора в результате повышения степени сжатия или использования несоответствующего по детонационной стойкости топлива, что приводит к самостоятельному воспламенению топливно-воздушной смеси. Во втором случае горючее в цилиндрах может самопроизвольно воспламеняться после выключения зажигания от контакта с раскаленными поверхностями или тлеющим слоем нагара в камере сгорания.

Детонация двигателя и возможные последствия

Как уже было сказано выше, от разрушительных нагрузок в результате постоянной детонации быстро выходит из строя кривошипно-шатунный механизм, ГБЦ, другие в большей или меньшей степени нагруженные элементы и узлы двигателя. Ударная волна от взрыва детонирующего топливного заряда с высокой скоростью ударяет по стенкам цилиндров, разрушает масляную защитную пленку на трущихся парах.

Также детонация вызывает нарушение процесса теплоотдачи от раскаленных газов, которые перегревают цилиндры. Возникающий локальный или общий перегрев двигателя уничтожает кромку поршня, которая попросту выкрашивается или плавится под воздействием запредельно высоких температур. Рост температуры вызывает прогар прокладки головки блока, разрушение стенок цилиндров, прогар клапанов ГРМ, быстро приходят в негодность свечи зажигания и т.д. Закономерным итогом становится то, что ударные и термические нагрузки, возникающие при детонации, значительно повышают общий износ двигателя и сокращают его моторесурс.

Детонационная стойкость бензина — что это такое и что значит

Понятие о детонации
Как определить детонационную стойкость?
Особенности и последствия детонации
Свойства бензинов, обуславливающие возникновение детонации
Способы предотвращения детонации

Понятие о детонации

Показатель стойкости бензина к самопроизвольному воспламенению при сжатии — один из самых важных параметров его качества. Для оценки этого состояния используется понятие октановое число. Чем оно выше, тем больше показатели устойчивости перед детонацией. Особо требовательны к октановому числу двигатели с высокой степенью сжатия. Это касается и форсированных моторов нового поколения.

Детонация — взрывное воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндрах силового агрегата. Топливо горит с большой скоростью (до 2000 м/с), процесс охватывает весь объем горючей смеси. В обычных условиях горение происходит последовательно от искры со средней скоростью 30 м/с. Впоследствии двигатель страдает от ударной волны, которая и наносит вред. Владельцы автомобиля отмечают этот звук как сильный стук или металлический звон. Это вибрации в цилиндре, которые не могут остаться незамеченными.

Одна из частых причин детонации — маленький показатель октанового числа. Нужно отметить, что параметр используется только для бензинов. Для остальных видов топливной смеси применяются другие способы оценки качества. Если в бак заливать АИ-92 вместо АИ-95 или АИ-98 — детонации не избежать.

Детонационная стойкость горючего определяет его сорт и возможность применения в моторах с различной конструкцией. На сегодняшний день большинство водителей ориентируются на октановое число при покупке топлива. Если оно достаточно высокое, двигатель не будет детонировать. В результате возможно увеличение срока его эксплуатации.

Почему так важно правильно выбрать бензин? Конструктивные особенности двигателей автомобилей различных марок отличаются. По этой причине топливо сгорает в разных условиях. Производители это предусматривают и рекомендуют использовать топливную смесь с определенными параметрами. Несоблюдение рекомендаций может привести, в том числе к детонации.

Подходящий параметр октанового числа обеспечивает оптимальное сгорание топлива при любых режимах вождения. Сорта бензинов отличаются по стоимости. Но экономия на дешевом бензине несущественная, если учитывать последствия в виде поломок и затраты на ремонт.

Как определить детонационную стойкость?

Октановое число — базовый показатель оценки качества топливной смеси. Параметр определяют путем измерения содержания изооктана и нормального гептана. Эти два компонента выбрали в качестве эталона определения детонационной стойкости.

Ранее показатель исследовался на базе различных составов: толуол, спирт, бензол с бензином. Но результаты испытаний не были достаточно точными, поэтому появилась необходимость создания эталонного топлива. Смесь изооктана и гептана оказалась лучшим решением по многим причинам:

• ✔️ условия сгорания почти такие же, как у товарных бензинов;
• ✔️ состав постоянный;
• ✔️ возможность длительного хранения;
• ✔️ контроль качества.

Так удалось получить топливо с подходящими детонационными показателями. Понятие октанового числа указывает на содержание изооктана в топливной смеси. Показатель вычисляют двумя методами:

• ✔️ Исследовательский — проводят с помощью испытательного стенда в виде одноцилиндрового двигателя с карбюратором. Мотор работает на топливе испытательного образца, а детонацию регистрируют датчиками. Топливную смесь не подогревают, выдерживают частоту вращения до 600 оборотов в минуту. Далее подбирают эталонную смесь на базе состава, который участвовал в исследовании. Процент изооктана в полученном топливе определяет его детонационную стойкость. Например, если 92% изооктана, то октановое число — 92. Метод позволяет определить поведение двигателя при соблюдении постоянного режима работы мотора. Например, как в случае езды на трассе, когда в основном выдерживают единую скорость.
• ✔️ Моторный — подразумевает имитацию жестких условий эксплуатации двигателя. Помимо нагрева смеси, также увеличивают количество оборотов до 900. Способ особо эффективен для определения поведения мотора при движении с переменной скоростью, как в городском цикле.

Процесс испытаний регламентируют ГОСТ 8226-82 и 511-82. Разница вычисляемого октанового показателя между методами составляет около 5–10 единиц. Она возникает из-за различий между условиями испытаний. Несмотря на это, способы рабочие для определения детонационной стойкости топлива.

Почему устойчивость к детонации определяется двумя методами? Оба способа достаточно эффективные, чтобы использовать их по отдельности. Но разнообразие силовых агрегатов слишком большое, как и условия эксплуатации. Поэтому сочетание методов позволяет получать более точные результаты.

Во времена СССР для определения октанового числа некоторых бензинов использовали только моторный метод. Речь об А-76 и А-72. Для других, наоборот, применяли только исследовательский способ, отсюда и буква «И» в маркировке. Например, АИ-92, АИ-95, АИ-98.

Современные высокофорсированные двигатели характеризуются высокой степенью сжатия. Чтобы они нормально функционировали и не детонировали, используют бензин с высоким октановым числом. Его повышают различными присадками, известными как антидетонаторы и октан-корректоры. Добавки улучшают процесс сгорания топлива. Так что на сегодняшний день можно купить даже бензин АИ-100.

Показатели октанового числа не панацея от любых проблем с двигателем. В некоторых случаях они принесут больше вреда, чем пользы. Если конструктивные особенности автомобиля не подразумевают работу на высокооктановом бензине, топливо не успевает сгорать. В таком случае оно продолжает гореть через открытые выпускные клапаны. Последствия подобных явлений — разрушение силового агрегата (в частности, прогорание выпускных седел) и увеличение расхода.

При выборе топлива учитывайте состав фракций. Высокая стабильность к детонации свойственна ароматики. Низкий октановый показатель свойствен парафинам.

Особенности и последствия детонации

Горение топлива в камере сгорания может проходить в нормальном режиме или с определенными нарушениями. Воспламенение взрывного характера посередине такта сжатия называется детонацией. Из-за низкого октанового числа повышается расход топлива, а силовой агрегат теряет в мощности. Двигатель может детонировать по различным причинам, но самая распространенная из них — это топливо с неподходящим октановым числом.

Температура в цилиндрах выше, чем на открытом воздухе, поэтому давление способно нарастать со скоростью звука. В таком случае образуется ударная волна большой силы, которая приводит к появлению нехарактерных стучащих звуков. Стук образуется в момент столкновения резкой волны давления со стенками камеры сгорания. Водитель ни за что не пропустит детонацию, но не всегда придает ей должное значение.

Детонация крайне вредна для любого двигателя. Но она может быть допустимой и недопустимой. Если мотор детонирует на малых оборотах и недолгое время, детонация может пройти незаметно. Подобное происходит обычно в маломощных силовых агрегатах небольшого объема. 

Недопустимая детонация характерна для форсированных двигателей в момент нагрузки на высоких оборотах. Такие ситуации могут оказаться губительными для деталей. Достаточно и несколько секунд работы, чтобы нарушить работу узла или и вывести его из строя.

В некоторых случаях двигатель продолжает работу даже после выключения зажигания. При этом мотор то понижает обороты, то повышает их. Явление сопровождается металлическим звуком и напоминает детонацию. Что это и стоит ли переживать? Бензин воспламеняется при глушении мотора из-за сильного сжатия, как и в случае дизельных двигателей. Феномен известен как дизелинг и не сопровождается детонацией.

Свойства бензинов, обуславливающие возникновение детонации

Бензин характеризуется фракционным составом, испаряемостью, давлением насыщенных паров, а также содержанием различных соединений. Фракции влияют на испаряемость топлива, процесс горения и экономичность силового агрегата.

Высокое давление паров повышает испаряемость топлива. Бензины для лета характеризуются низким давлением паров. Обеспечение необходимого уровня давления достигается за счет добавления бутана. Улучшение пусковых свойств товарного топлива осуществляют добавлением алкилата, изомеризата и других легких компонентов.

Бензин должен содержать только ограниченное количество серы, ароматики и бензола. Сера вызывает сильную коррозию, поэтому ее уровень в топливе постоянно контролируют. Ароматические соединения используют для улучшения показателей октанового числа. Но, несмотря на повышение сортности смеси ароматикой, превышать допустимый уровень нельзя даже для улучшения детонационной стойкости.

При перевозке и хранении топливной смеси может произойти полимеризация и окисление. Вследствие этих процессов повышается склонность к образованию нагара на деталях. Окисление снижает октановое число. Алкены, прямогонный бензин, изомеризаты и алкилаты отличаются высокой стабильностью и не окисляются.

Способы предотвращения детонации

Главное условие, которое нужно соблюдать для предотвращения детонирования это использование топлива с адекватным октановым числом. Ориентируйтесь на рекомендации производителя авто, когда выбираете, каким бензином заправиться. Заезжайте только на АЗС, которым вы можете доверять. На некоторых недобросовестных заправках бензин разбавляют водой, а после улучшают его показатели вредными добавками.

Методы профилактики детонации тесно связаны с причинами этого неприятного для двигателя явления:

• ✔️ Низкое качество бензинов. Это самая частая причина и самая простая в устранении. Производитель рассчитывает степень сжатия для топливной смеси с определенными характеристиками. Отклонение от нормы приведет к детонации на холостом ходу или при разгоне. Решением станет заправка качественным бензином. 
• ✔️ Зажигание выставлено неправильно. В некоторых случаях, когда автолюбители стремятся изменить угол зажигания, это приводит к нарушениям в работе двигателя. Чтобы исключить детонацию по этой причине, нужно доверять манипуляции с авто только проверенным автосервисам. 
• ✔️ Свечи зажигания не подходят или неисправны. Чтобы предотвратить такую проблему, нужно следовать рекомендациям производителя при замене свечей.
• ✔️ Нагар на стенках цилиндров. В таком случае детонация происходит в течение 20 секунд при выключенном зажигании. Профилактикой нагара может стать добавление специального средства для очистки топливной системы в самом бензине или периодический запуск силового агрегата на максимальных оборотах для самостоятельной очистки.    
• ✔️ Перегрев мотора. Двигатель может детонировать, когда перегревается. Как это исправить? Проверьте уровень антифриза и долейте при необходимости, оцените рабочие параметры термостата и вентилятора. Если не помогло, возможно, нужна промывка радиатора.

Но чаще всего причиной детонации двигателя становится низкое октановое число топливной смеси. Учитывая последствия плохого качества бензина, топливо нужно выбирать с особой осторожностью. Механическое повреждение деталей и перегрев изнашивают двигатель за очень короткий срок. Обычно страдают перегородки между поршневыми кольцами, сам поршень, клапаны, прокладки головки блоков цилиндров. В некоторых случаях детонация может негативно повлиять на шатунные вкладыши, поршневые пальцы и свечи зажигания.

Составьте для себя рейтинг надежных заправок, которые находятся ближе к вашим привычным маршрутам. Можете воспользоваться рекомендациями на нашем сайте. Оценить детонационную стойкость автомобильных бензинов на глаз сложно, поэтому лучше довериться профессиональным рекомендациям. Помните, что иногда лучше сделать круг и поехать на проверенную АЗС, чем заправляться по пути в сомнительных местах. Удачи на дорогах!

Переход горения в детонацию

Во многих промышленных процессах и на предприятиях по производству пищевых продуктов используется оборудование, которое работает под огромным внутренним давлением или содержит пыль, которая при определенных обстоятельствах может привести к дефлаграции. Если бы произошел правильный набор условий, произошел бы взрыв (разрыв сосуда или оборудования), который мог бы поставить под угрозу жизнь рабочих и уничтожить оборудование стоимостью в миллионы долларов.

Эти состояния называются дефлаграцией, и иногда они могут привести к еще более катастрофическому состоянию, называемому детонацией — разрушительному взрыву. Вот почему Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) разработала набор правил и стандартов, которые помогают предотвратить превращение дефлаграции в детонацию.

Читайте дальше, чтобы узнать больше о дефлаграции и детонации, а также о том, как повысить безопасность работников и защитить активы вашей компании.

Что такое дефлаграция?

Дефлаграция определяется как горение (сгорание) того, что рассеивается в окислительной атмосфере. «Горение» распространяется фронтом пламени через израсходованную смесь этого топлива и воздуха. Этот горящий «фронт» движется по смеси со скоростью, меньшей скорости звука.

Примеры дефлаграции

Возгорание топлива на открытом воздухе и горение бензина в двигателе вашего автомобиля — это лишь два примера дефлаграции. При пожарах на открытом воздухе атмосферное давление вокруг огня остается неизменным. В двигателе вашего автомобиля давление, превышающее атмосферное давление, толкает его поршни.

Чтобы произошла дефлаграция, НЕОБХОДИМО израсходовать топливо. Свеча/фитиль не является примером дефлаграции, потому что горючее (воск свечи) не распространяется по всей атмосфере. Другие распространенные повседневные примеры дефлаграции включают:

• Бытовая газовая плита
• Пропановый газовый гриль

Еще один необычный пример дефлаграции – это когда вы (осторожно) бросаете немного хлебопекарной муки или сахарной пудры в открытый огонь. Образовавшиеся мелкие частицы, выбрасываемые в воздух, быстро сгорают, что приводит к дефлаграции и формированию волнового фронта пламени. Дефлаграция прекращается, когда топливо полностью израсходовано.

Опасность воспламенения 

Если воспламенение происходит в корпусе, это может привести к избыточному давлению, поскольку воздушно-топливная смесь сгорает и расширяется при нагревании, что приводит к разрыву сосуда.

Дефлаграция и взрывы пыли

«Детонация» определяется как когда пламя горящего материала распространяется быстрее скорости звука (около 1100 футов/сек на уровне моря). Это часто происходит из-за материала, который содержит собственный избыток окислителя (например, динамит). Однако из-за их сложной природы некоторые геометрические формы или составы могут привести к возникновению условий детонации в результате процесса дефлаграции с использованием обычных материалов. (Например, бензин с низким октановым числом может детонировать [вызывая «детонацию»] в высокопроизводительных двигателях)

Что такое детонация?

«Детонация» определяется как когда пламя горящего материала распространяется быстрее , чем скорость звука (около 1100 футов/сек на уровне моря). Это часто происходит из-за материала, который содержит собственный избыток окислителя (например, динамит). Однако из-за их сложной природы некоторые геометрические формы или составы могут привести к возникновению условий детонации в результате процесса дефлаграции с использованием обычных материалов. (Например, бензин с низким октановым числом может детонировать [вызывая «детонацию»] в высокопроизводительных двигателях)

Опасность детонации и дефлаграции 

Рассмотрим газовую плиту в вашем доме. Пока топливо (природный газ) сжигается, оно относительно безопасно. Однако, если при повороте регулятора плиты в положение «включено» не возникнет искры, газ беспрепятственно потечет на кухню и создаст гигантское облако. Если бы возникла искра, тепло или дуга, воспламенилось бы все облако природного газа. Если окна открыты (без локализации), произойдет возгорание с потенциальными негативными последствиями. Однако если эта дефлаграция

содержится в со всеми закрытыми окнами и дверями, это может привести к взрыву – разрушению конструкции здания («сосуда»).

 Мгновенное давление от детонации намного выше, чем давление, вызванное дефлаграцией; по оценкам, они в два-четыре раза превышают давление дефлаграции.

 Итак, когда медленная дефлаграция превращается в сверхзвуковую детонацию?

Точную точку сложно предсказать. Важно то, что детонация является очень реальным фактором риска, и крайне важно иметь различные устройства контроля безопасности, чтобы уменьшить его.

Некоторые исторические примеры результатов перехода от дефлаграции к детонации включают:

• Взрыв облака пара в Порт-Гудзоне
• Катастрофа компании Phillips Petroleum
• 2020 Взрыв в Бейруте

Как взрывозащищенные двери предотвращают переход дефлаграции в детонацию?

Взрывозащитные двери представляют собой предохранительные устройства, устанавливаемые на сосуды под давлением в различных промышленных целях. Они предназначены для мгновенного открытия при заданном давлении значительно ниже давления, которое может привести к разрыву (взрыву) или детонации сосуда. требуется для еще большего взрыва (детонации).

В Smart Machine Technologies наши двери соответствуют стандарту NFPA 68 «Стандарт по взрывозащите путем дефлаграционного сброса», который предписывает давление открытия, которое составляет часть ожидаемого «взрывного» давления сосуда. Они изготавливаются по расчетному размеру двери с использованием магнитного запорного механизма, который открывается при заданном давлении открытия.

Повышение эффективности двигателя — Aerospace America

Автор&nbspКит Баттон|Май 2018 г.

---

Эти исследователи борются за лидерство в разработке вращающихся детонационных двигателей

Газотурбинный двигатель должен генерировать равномерный поток продуктов сгорания, чтобы его лопасти вращались без чрезмерного износа или риска повреждения. Обычный газотурбинный двигатель избегает разрушительных скачков температуры и давления, позволяя объему газа расширяться, что способствует даже дефлаграции — быстрому сгоранию топливно-воздушной смеси при ее распылении или впрыскивании в камеру сгорания.

Образовавшийся поток дымовых газов устремляется через двигатель, вращая лопасти турбины перед выходом.

Aerojet Rocketdyne’s Advanced Programs-Rocket Shop в Алабаме работает над совершенно иной конструкцией камеры сгорания, которая будет высвобождать энергию в быстрой, непрерывной последовательности детонаций, вызванных ударными волнами, вращающимися внутри цилиндрической камеры сгорания. Для вращения лопастей с заданной скоростью будет сжигаться меньше топлива, но инженеры должны избегать воздействия на лопасти турбины колебаний температуры и давления, которые могут привести к их повреждению или преждевременному износу.

Aerojet Rocketdyne до июня 2019 г.чтобы продемонстрировать на университетских испытательных стендах, что ее идеи для вращающейся детонационной камеры сгорания могут решить эту задачу. Если все пойдет по плану, исследователи продемонстрируют повышение давления и охарактеризуют поток вверх по течению, что станет важным шагом на пути к разработке вращающейся детонационной камеры сгорания, которую можно будет вставить в турбину электростанции.

Этот подвиг, в свою очередь, может когда-нибудь указать на версию для реактивных двигателей.

Компания разрабатывает компоненты камеры сгорания в рамках трехлетнего контракта на сумму 6,8 млн долларов США с Национальной лабораторией энергетических технологий Министерства энергетики. Команда находится среди других в США, а также в Китае, Франции, Японии, Польше и России, которые экспериментируют с конструкциями камер сгорания, которые превратят обычные конструкции двигателей во вращающиеся детонационные двигатели.

Говоря консервативно, вращающаяся детонационная камера сгорания, или RDC, должна снизить удельный расход топлива примерно на 5 процентов по сравнению с обычным двигателем. Этот показатель эффективности использования топлива рассчитывается путем деления расхода топлива на выходную мощность. Вращающийся детонационный двигатель вырабатывает больше мощности, что снижает удельный расход топлива. Сокращение порядка 5 процентов было бы прорывом, учитывая, что разработчики обычных двигателей «пытаются выжать из себя доли процента», — говорит Скотт Клафлин, директор по передовым концепциям в Rocket Shop, инновационной организации Aerojet Rocketdyne.

Основным преимуществом детонационного горения является то, что оно создает повышение давления в системе по сравнению с потерей давления, вызванной дефлаграционным горением. По словам Клафлина, разработчики RDC стремятся максимально использовать этот выигрыш, чтобы из заданного количества топлива выжималось больше энергии.

Детонация против дефлаграции

Детонационное горение должно происходить в пространстве, где его объем остается постоянным, поэтому конструкция цилиндрическая; при дефлаграционном сгорании объем сгорания может увеличиваться. Стук в плохо настроенном двигателе автомобиля является примером перехода дефлаграции в детонацию. В RDC горение начинается как дефлаграция, но быстро переходит в детонацию. Существуют варианты, но в базовой конструкции смесь сжатого воздуха и топлива входит с одного конца и сталкивается с вращающейся ударной волной, вызванной предыдущей детонацией. Топливно-воздушная смесь начинает сгорать, но затем быстро детонирует, создавая ударные волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. Эти волны движутся вокруг внутренней стенки цилиндра со скоростью 2000 метров в секунду, встречаясь друг с другом с противоположных направлений и отскакивая друг от друга в обратном направлении. В течение микросекунд они создают вращающуюся ударную волну, движущуюся в одном направлении, которая огибает камеру каждые 0,1 миллисекунды. Вращающаяся волна врезается в очередной выброс топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания, вызывая ее детонацию, и процесс повторяется. Существуют варианты этого базового подхода, которые включают несколько ударных волн, движущихся в одном или противоположных направлениях.

При детонационном сгорании единица топлива сгорает в десятки тысяч раз быстрее, чем при дефлаграции. Это создает скачки давления с колебаниями 10 к 1. Дефлаграция, напротив, создает плавное поле потока в турбину с изменением давления и массового расхода на доли процента. Обычные камеры сгорания «разрабатывались на протяжении всей истории, чтобы свести к минимуму любые возмущения давления в этих устройствах», — говорит Клафлин.

Внедрение нефильтрованного детонационного горения внутри обычной газовой турбины «было бы катастрофой» в основном из-за ударов, которые выдержали бы компоненты двигателя, говорит Карсон Слабо, доцент, возглавляющий вклад Университета Пердью в проект Aerojet. «Вы хотели бы сделать этот поток как можно более устойчивым и равномерным, максимально однородным, чтобы попытаться увеличить срок службы вашей турбины».

Нестабильное давление, температура и воздушный поток могут сильно затруднить управление температурным режимом, особенно для горячих частей двигателя. Чтобы RDC преуспели, инженеры должны заставить их создавать потоки воздуха, которые будут такими же устойчивыми, как и обычные камеры сгорания. В то же время инженеры должны убедиться, что демпфирование или сглаживание воздушных потоков не лишает их преимущества: прироста давления.

По словам Клафлина, инженеры Aerojet Rocketdyne

разработали устройство, называемое диффузором, форма которого сглаживает воздушные потоки камеры сгорания, когда они входят в турбину. «Специфика того, как вы проектируете геометрию для вращающегося детонационного двигателя, никто никогда не делал этого раньше. Таким образом, мы впервые учимся проектировать эффективный диффузор для очень нестационарного вращающегося детонационного двигателя».

Клафлин говорит, что классификация работы диффузора связана с текущей работой Aerojet Rocketdyne с Министерством обороны. Но, по его словам, конструкция диффузора основана на геометрии, а не на движущихся частях, чтобы сгладить колебания давления и температуры.

Инженеры Aerojet Rocketdyne первоначально извлекли уроки из прямоточных воздушно-реактивных двигателей, в которых поступающий воздух врезается в такую ​​конструкцию, как конус, чтобы сжать ее и замедлить до дозвуковых скоростей для сгорания, а также из сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей или ГПВРД, в которых воздух остается на сверхзвуковые скорости. Эти конструкции требуют изоляторов, коротких воздуховодов между впускными отверстиями и камерами сгорания, которые предотвращают скопление воздуха и его взаимодействие с поступающим воздухом. Исследователи проверили свои идеи диффузора сначала в виде моделей CFD (вычислительная гидродинамика), а затем в виде уменьшенных физических моделей на испытательных стендах в Университете Алабамы, Мичиганском университете, Университете Пердью и Юго-Западном исследовательском институте. Исследователи собрали данные о скоростях, давлениях, температурах и химических веществах в полях потоков, входящих и выходящих из RDC.

«Если вы просто выполняете анализ CFD, вы не знаете, предсказывает ли он реальность или нет, пока вам не будет с чем сравнивать. Мы создаем эмпирическую базу данных, с которой можно сравнить анализ CFD», — объясняет Клафлин.

В настоящее время инженеры Aerojet Rocketdyne работают над третьей итерацией своего диффузора. По словам Клафлина, они хотят видеть, как он работает по мере его масштабирования. Они планируют протестировать 36-сантиметровый RDC с диффузором в мае в Purdue. К моменту завершения проекта в 2019 г., они планируют протестировать модели RDC в 50-процентном масштабе с диффузорами диаметром около 50 сантиметров.

Инженеры также обеспокоены тем, как ударные волны в их вращающейся детонационной камере сгорания могут взаимодействовать с компрессором, лопастями перед камерой сгорания, которые сжимают поступающий воздух перед сгоранием. По словам инженера-исследователя Дональда Фергюсона из Национальной лаборатории энергетических технологий в Моргантауне, они не хотят, чтобы импульсы давления от детонации в камере сгорания перемещались вверх по потоку в компрессор, что могло бы нарушить поток компрессора или даже изменить направление воздушного потока. , Западная Виргиния.

«Вы можете себе представить, если вы производите даже управляемую детонацию внутри этой камеры сгорания, что результирующий импульс давления, который исходит от нее, хочет идти во всех направлениях», — говорит Фергюсон. «Мы хотим сдержать это с помощью своего рода немеханического клапана».

Как и в случае с диффузором, инженеры разрабатывают немеханическое решение, основанное на геометрии. Эта концепция считается критически важной военной технологией, поэтому детали не разглашаются, говорит Клафлин.

Как только текущий проект будет завершен, следующим шагом Aerojet Rocketdyne станет интеграция полномасштабного RDC в действующий газотурбинный двигатель, говорит Фергюсон.

На фотографии Aerojet Rocketdyne в верхней части этой страницы в Юго-Западном научно-исследовательском институте в Сан-Антонио, штат Техас, проходят испытания малогабаритного вращающегося детонационного двигателя. Вращающаяся детонационная камера сгорания диаметром 10 сантиметров представляет собой серую часть машины. Выхлоп выходит из диффузора справа.

См. также

Движение самолета

Вращающийся детонационный двигатель работает за счет непрерывной волны детонации, которая распространяется внутри цилиндрической камеры сгорания. Воздух и пропеллент из природного газа (синий) непрерывно вводятся через впускное отверстие и реагируют поперек волны детонации, которая движется перпендикулярно входящему пропелленту. Продукты с высокой температурой и высоким давлением за детонационной волной расширяются и выбрасываются наружу (вверху), приводя в действие турбину или создавая тягу.