Детонация: причины, следствие, последствия

Советы Тестовый редактор 21.10.24

При нормальном процессе сгорания топливовоздушной смеси скорость распространения горения в разы меньше скорости звука, процесс окисления равномерно распределяется от свечи и не создает ударных нагрузок. При детонации происходит взрывное воспламенение смеси, происходящее от сжатия или от раскаленных деталей в камере сгорания. Ударная нагрузка зачастую повреждает поршень и приводит к снижению характеристик двигателя.

Самые свежие новости в нашем Телеграме!

Подпишитесь, чтобы всегда быть в курсе событий

Общие сведения

Смесь воздуха с топливом поджигается в цилиндрах двигателя искровым разрядом (цикл Отто) или за счет повышенной температуры сжатого воздуха. Движение смеси в цилиндре носит турбулентный характер и зависит от скорости перемещения поршня. Распространение фронта пламени в двигателях с искровым зажиганием идет от электродов свечи. При работе двигателя смесь сжимается и нагревается, что упрощает ее воспламенение искрой – пламя распространяется послойно с небольшой скоростью, не превышающей 45-50 м/с.

Процесс детонации характерен для моторов с циклом Отто, возникает в случае воспламенения смеси не от тепла, выделяемого фронтом пламени от свечи, а от ударной волны от воспламененной зоны. Волна как раз и создает стук при отражении от металлических стенок цилиндра и камеры сгорания. Кратковременная детонация является нормой для двигателей внутреннего сгорания, проблемы создает постоянное взрывное сгорание топливовоздушной смеси.

Причины

В эпоху карбюраторных двигателей с механическим распределителем зажигания имелась возможность ручной корректировки момента опережения. При слишком раннем зажигании смесь воспламеняется задолго до момента выхода поршня в верхнюю точку. По большому счету – подобный алгоритм работы свечей стандартен для всех двигателей с искровым зажиганием, но в данном ключе речь идет о слишком раннем воспламенении. В результате возникают взрывы смеси, которые усиливаются при попытках ускориться с малой скорости на высших передачах.

Второй причиной являются антидетонационные характеристики, определяемые октановым числом бензина. Чем выше степень сжатия, тем больше должно быть октановое число. Правило не распространяется на моторы, работающие по циклу Аткинсона – при степени сжатия около 14 единиц двигатели используют бензин А-95, который при стандартном цикле Отто не выдерживает степень сжатия свыше 11 единиц.

Еще одной причиной детонации является нагар на стенках камеры сгорания. Помимо небольшого увеличения степени сжатия нагар препятствует отводу избыточного тепла. В результате отдельные участки нагреваются до температуры, достаточной для воспламенения топливовоздушной смеси еще на стадии впуска. Если двигатель расходует масло, то скорость образования нагара возрастает. Также масло при сгорании способствует избыточному тепловыделению и локальным перегревам деталей в камере сгорания, что ведет к детонации.

Детонация начинается в случае общего перегрева двигателя – недостаточный теплоотвод приводит к появлению раскаленных элементов в камере сгорания. Эффект называется калильным зажиганием и напрямую не связан с детонационными процессами сгорания. Калильное зажигание лишь смещает момент и место воспламенения смеси. Именно при калильном зажигании наблюдается прогар клапанов выпуска или перегрев свечи и днища поршня. Взрывное сгорание смеси будет при ее чрезмерном обеднении из-за забитых форсунок или вышедшего из строя регулятора давления. Водитель не всегда услышит детонационное сгорание, характерный звук проявляется лишь при очень жесткой работе двигателя.

Способы контроля

Самый распространенный способ своевременного определения детонации – использование датчика, ввернутого в блок. Впервые датчики стали использоваться в эпоху карбюраторных двигателей с системами автоматизированного управления углом опережения зажигания и состава смеси. После внедрения систем впрыска взаимодействие датчика с блоком управления упростилось.

Некоторые производители могут использовать датчик или отказываться от его установки на одной и той же модели двигателя в зависимости от рынка сбыта автомобиля. Чувствительный элемент датчика работает по принципу микрофона, при начале детонации осуществляется корректировка режимов работы системы зажигания и подачи топлива. На рядных двигателях обычно используется один датчик, на моторах с V-образным блоком ставят два датчика, каждый из которых обслуживает свой ряд цилиндров.

Датчик является достаточно надежной деталью, основной причиной выхода из строя является естественный износ. Чаще всего встречается проблема коррозии кабеля, который отрывается от чувствительного элемента. Блок управления не получает сигнала и фиксирует ошибку, ограничивая работоспособность двигателя. Таким образом контроллер избегает режимов работы, в которых наиболее вероятно возникновение детонации.

Последствия

Кратковременная детонация в переходных режимах не наносит вреда деталям двигателя. Если процесс взрывного горения смеси был длительным или регулярным, то в первую очередь страдают поршни. От воздействия взрывной волны могут ломаться тонкие перемычки над верхним поршневым кольцом или между кольцами. Прогар поршня при детонации не возникает – проблема характерна для двигателей с залегшими поршневыми кольцами или вышедшими из строя форсунками системы прямого впрыска, направляющими струю топлива на днище поршня.

При детонации наблюдается повышенная температура газов, не приводящая к обгоранию тарелок клапанов и утере герметичности в закрытом положении. Зато при сильной длительной детонации нельзя исключать деформацию шатунов или пробой прокладки под головкой, что может вызвать проникновение антифриза в камеры сгорания или утечку масла в систему охлаждения.

Последствия детонации могут быть различными. Наиболее чувствительные повреждения получают высокофорсированные двигатели. Разрушение поршней приводит к повреждению зеркал цилиндров осколками. Устранить задиры механической обработкой удается не всегда – в результате требуется покупка контрактного мотора, замена или гильзовка блока. Все процедуры достаточно дорогостоящие и затратные по времени.

Заключение

Основной причиной детонации на современных автомобилях является использование некондиционного топлива, загрязнение камер сгорания нагаром или обеднение смеси из-за забитых распылителей форсунок. Эксплуатация двигателя с постоянной детонацией приводит к повреждению поршневой группы и ряду других поломок.