Стук в двигателе

К:Википедия:Страницы на КПМ (тип: не указан)

Эта статья описывает явление стука в двигателе внутреннего сгорания; о детонации как физико-химическом явлении см.: Детонация.

Сту́к в дви́гателе (англ. engine knock) возникает при быстром (взрывном) сгорании топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. На слух он воспринимается как металлический «звон» или стук. Это нежелательный режим работы двигателя, так как в цилиндре возникает повышенное давление и перегрев, и элементы конструкции цилиндра испытывают повышенные нагрузки, на которые они не рассчитаны, мощность двигателя снижается, а выбросы вредных веществ возрастают. При интенсивном воздействии эти нагрузки быстро приводят к повреждению цилиндра и неисправности двигателя.

Возникновение стука связывается с эффектами аномального горения смеси в цилиндре: самовоспламенением смеси до её зажигания искрой или пристеночным воспламенением горячими элементами конструкции или посторонними частицами в цилиндре. Вероятность возникновения стука повышается с увеличением степени сжатия и нагрузки на двигатель, а также с уменьшением октанового числа топлива. Для предотвращения стука применяются электронные системы управления зажиганием, а в топливо добавляют антидетонационные присадки, такие как ММА (монометиланилин) или МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир).

Стук в двигателе иногда называют детонацией или детонационным сгоранием смеси, однако это название не отражает физику явления, так как быстрое сгорание смеси в цилиндре, как правило, не сопровождается образованием детонационных волн.

Причины

При сжатии поршнем топливовоздушная смесь значительно нагревается (адиабатическое сжатие), что и обеспечивает легкость её воспламенения электрическим разрядом на свече зажигания. При нормальном характере горения в цилиндре фронт воспламенения распространяется в заряде топливовоздушной смеси за счёт тепловой конвекции: свежие слои топливовоздушной смеси воспламеняются за счёт нагрева фронтом реакции, кроме того процесс горения инициируется свободными радикалами — продуктами реакции во фронте воспламенения. Это относительно медленный процесс, поэтому фронт спокойного горения стационарной смеси распространяется не быстрее 0,2—0,3 м/сек, то есть, с дозвуковой скоростью.

В работающем двигателе смесь не является стационарной, она очень быстро и турбулентно перемещается со скоростями, имеющими тот же порядок величины, что и скорости движения сопряженных деталей (поршней, или их аналогов). Поэтому фронт горения фактически распространяется от свечи к периферии со скоростью порядка единиц-десятков метров в секунду (дозвуковая скорость). При этом, естественно, повышается температура и давление в камере сгорания, но повышаются равномерно по всему объёму.

При детонации начало распространения фронта горения также повышает температуру и давление в камере сгорания, но этот скачок вызывает воспламенение топливовоздушной смеси уже не теплопроводностью от фронта пламени, а от самого скачка температуры и давления (ударной волны), которая двигается со сверхзвуковой скоростью (относительно скорости звука в воздухе, в цилиндре воспламенение происходит со скоростью звука в сжатом и нагретом газе камеры сгорания), поэтому повышение давления не успевает равномерно распространиться по всему объёму, а концентрируется в зоне фронта ударной волны, где достигает очень больших величин, поддерживающих эту волну далее. Скорость фронта ударной волны составляет порядка сотен и тысяч метров в секунду. Явление сходно со взрывом, близким к бризантному. Эта ударная волна, натолкнувшись на стенки создает очень большие локальные нагрузки в металле, характерный металлический звук, и при длительном действии может вызвать тяжелые повреждения в двигателе.

Детонационное сгорание возникает, если в силу каких-то причин чрезмерно повышается скорость движения фронта горения, который начинает самоускоряться, быстро доходя до сверхзвуковых скоростей. Такими причинами могут быть чрезмерный нагрев топливовоздушной смеси (в силу различных причин), а также свойства топлива (как изначальные, так и формируемые в ходе рабочего цикла), понижающие его температуру воспламенения (например, из-за накопления органических пероксидов в ещё несгоревшей части топливной смеси). Детонационное сгорание возникает, когда для воспламенения достаточно только фронта сжатия, идущего от воспламененного участка (можно называть скачком давления, распространяющегося от точки инициации смеси).
Практически, факторами, приводящими к детонации являются: слишком ранний момент зажигания (давление и температура избыточны); перегрев двигателя, недостаточная детонационная стойкость моторного топлива; снижение детонационной стойкости топливовоздушной смеси при значительном попадании моторного масла в камеру сгорания; избыточные отложения нагара, который может увеличить степень сжатия.
Стойкость топлив к детонации повышают антидетонаторы (например, метил-трет-бутиловый эфир — который разрешен к применению, или тетраэтилсвинец, который запрещен для автомобилей, и другие добавки).

Датчики стука

Для обнаружения детонации используются специальные датчики — устройства, предназначенные для определения момента возникновения стука в двигателях внутреннего сгорания, являющегося её симптомом. Они называются также датчиками детонации и входят в состав электронных систем управления двигателем автомобиля с впрыском топлива. Принцип действия датчика основан на измерении давления посредством пьезоэффекта. Датчик крепится на блок цилиндров двигателя. При возникновении волн давления в нерасчётных режимах сгорания смеси пьезоэлектрическая пластина датчика сжимается, в результате чего на её концах возникает разность потенциалов. По сигналу датчика электронный блок управления двигателем выбирает оптимальный угол опережения зажигания, что позволяет добиться наиболее полного и эффективного сжигания топливо-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, а также автоматически регулировать момент зажигания для топлив с различным октановым числом.

Детонация и иные явления

Детонацию не следует путать с другим отчасти похожим процессом, который носит название калильного зажигания. В отличие от детонации, возникающей на переходных режимах работы двигателя, при разгоне, калильное зажигание возникает при постоянной работе двигателя в режиме, близком к полной мощности. Симптомы его отчасти схожи — стуки в двигателе, внезапные провалы тяги под нагрузкой. Однако природа его иная и состоит в спонтанном самовоспламенении топлива без участия искры при контакте с раскалёнными до температуры в 850…900° С тепловым конусом изолятора свечи зажигания, другими её частями, тарелкой выпускного клапана, локальным дефектом обработки или скоплением нагара на стенке камеры сгорания. Детонационного сгорания при этом не происходит, а происходит лишь смещение момента воспламенения рабочей смеси, примерно как при неправильно выставленном опережении зажигания, а также нарушение предусмотренного конструкторами характера распространения фронта пламени в камере сгорания (из-за того, что её поджиг производится в другой точке). В пределе это может привести к повреждению двигателя — оплавлению свечи, перегреву поршня, прогару выпускных клапанов, но в целом калильное зажигание не столь разрушительно, как детонация. Калильное зажигание устраняется установкой более «холодных» свечей зажигания (с высоким калильным числом, коротким тепловым конусом и хорошим теплоотводом).

Не следует путать детонацию и с иногда встречающимся на карбюраторных моторах явлением самопроизвольной работы двигателя с неустойчивыми оборотами после выключения зажигания (самовоспламенение топлива, «дизелинг»). Сущность его в самовоспламенении подаваемой в цилиндр топливовоздушной смеси, происходящем при вращении коленчатого вала с низкой частотой, продолжающемся после выключения зажигания по инерции. При такой низкой частоте вращения коленвала и, соответственно, скорости движения поршня парам бензина в цилиндре порой хватает времени для того, чтобы самовоспламениться в конце такта сжатия. Их вспышка толкает поршень, который в свою очередь проворачивает коленчатый вал ещё на несколько оборотов. После замедления его вращения возможно повторение процесса, в результате чего возникает иллюзия, что мотор продолжает работать, хотя на самом деле зажигание выключено и частота обращения коленчатого вала намного ниже, чем при холостом ходе, да к тому же не постоянна, поскольку вспышки в цилиндрах (или даже одном единственном цилиндре) происходят нерегулярно. Особенно вероятно возникновение данного явления на новом или недавно отремонтированном двигателе с хорошей компрессией, либо на моторе, у которого степень сжатия по причинам технологического характера немного отличается от паспортной в большую сторону (находится в верхней границе технологического допуска). Ничего общего с детонацией или калильным зажиганием это явление не имеет и, в отличие от них, практически безвредно для двигателя, хотя и доставляет беспокойство водителю. Наиболее радикальный способ борьбы с ним — отключение подачи топлива после выключения зажигания за счёт клапана в топливной магистрали.

См. также

• Октановое число
• Детонационная стойкость топлив
• Разнос двигателя

Литература

Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. — McGraw-Hill, 1988. — 930 p. — ISBN 978-0070286375.

Отрывок, характеризующий Стук в двигателе

Пьер молча, пристально вглядывался в состаревшееся лицо (князя) Андрея.
– Нет, я спрашиваю, – сказал Пьер, – но князь Андрей перебил его:
– Да что про меня говорить…. расскажи же, расскажи про свое путешествие, про всё, что ты там наделал в своих именьях?
Пьер стал рассказывать о том, что он сделал в своих имениях, стараясь как можно более скрыть свое участие в улучшениях, сделанных им. Князь Андрей несколько раз подсказывал Пьеру вперед то, что он рассказывал, как будто всё то, что сделал Пьер, была давно известная история, и слушал не только не с интересом, но даже как будто стыдясь за то, что рассказывал Пьер.
Пьеру стало неловко и даже тяжело в обществе своего друга. Он замолчал.
– А вот что, душа моя, – сказал князь Андрей, которому очевидно было тоже тяжело и стеснительно с гостем, – я здесь на биваках, и приехал только посмотреть. Я нынче еду опять к сестре. Я тебя познакомлю с ними. Да ты, кажется, знаком, – сказал он, очевидно занимая гостя, с которым он не чувствовал теперь ничего общего. – Мы поедем после обеда. А теперь хочешь посмотреть мою усадьбу? – Они вышли и проходили до обеда, разговаривая о политических новостях и общих знакомых, как люди мало близкие друг к другу. С некоторым оживлением и интересом князь Андрей говорил только об устраиваемой им новой усадьбе и постройке, но и тут в середине разговора, на подмостках, когда князь Андрей описывал Пьеру будущее расположение дома, он вдруг остановился. – Впрочем тут нет ничего интересного, пойдем обедать и поедем. – За обедом зашел разговор о женитьбе Пьера.
– Я очень удивился, когда услышал об этом, – сказал князь Андрей.
Пьер покраснел так же, как он краснел всегда при этом, и торопливо сказал:
– Я вам расскажу когда нибудь, как это всё случилось. Но вы знаете, что всё это кончено и навсегда.
– Навсегда? – сказал князь Андрей. – Навсегда ничего не бывает.
– Но вы знаете, как это всё кончилось? Слышали про дуэль?
– Да, ты прошел и через это.
– Одно, за что я благодарю Бога, это за то, что я не убил этого человека, – сказал Пьер.
– Отчего же? – сказал князь Андрей. – Убить злую собаку даже очень хорошо.
– Нет, убить человека не хорошо, несправедливо…
– Отчего же несправедливо? – повторил князь Андрей; то, что справедливо и несправедливо – не дано судить людям. Люди вечно заблуждались и будут заблуждаться, и ни в чем больше, как в том, что они считают справедливым и несправедливым.
– Несправедливо то, что есть зло для другого человека, – сказал Пьер, с удовольствием чувствуя, что в первый раз со времени его приезда князь Андрей оживлялся и начинал говорить и хотел высказать всё то, что сделало его таким, каким он был теперь.
– А кто тебе сказал, что такое зло для другого человека? – спросил он.
– Зло? Зло? – сказал Пьер, – мы все знаем, что такое зло для себя.
– Да мы знаем, но то зло, которое я знаю для себя, я не могу сделать другому человеку, – всё более и более оживляясь говорил князь Андрей, видимо желая высказать Пьеру свой новый взгляд на вещи. Он говорил по французски. Je ne connais l dans la vie que deux maux bien reels: c'est le remord et la maladie. II n'est de bien que l'absence de ces maux. [Я знаю в жизни только два настоящих несчастья: это угрызение совести и болезнь. И единственное благо есть отсутствие этих зол.] Жить для себя, избегая только этих двух зол: вот вся моя мудрость теперь.
– А любовь к ближнему, а самопожертвование? – заговорил Пьер. – Нет, я с вами не могу согласиться! Жить только так, чтобы не делать зла, чтоб не раскаиваться? этого мало. Я жил так, я жил для себя и погубил свою жизнь. И только теперь, когда я живу, по крайней мере, стараюсь (из скромности поправился Пьер) жить для других, только теперь я понял всё счастие жизни. Нет я не соглашусь с вами, да и вы не думаете того, что вы говорите.
Князь Андрей молча глядел на Пьера и насмешливо улыбался.
– Вот увидишь сестру, княжну Марью. С ней вы сойдетесь, – сказал он. – Может быть, ты прав для себя, – продолжал он, помолчав немного; – но каждый живет по своему: ты жил для себя и говоришь, что этим чуть не погубил свою жизнь, а узнал счастие только тогда, когда стал жить для других. А я испытал противуположное. Я жил для славы. (Ведь что же слава? та же любовь к другим, желание сделать для них что нибудь, желание их похвалы.) Так я жил для других, и не почти, а совсем погубил свою жизнь. И с тех пор стал спокойнее, как живу для одного себя.
– Да как же жить для одного себя? – разгорячаясь спросил Пьер. – А сын, а сестра, а отец?
– Да это всё тот же я, это не другие, – сказал князь Андрей, а другие, ближние, le prochain, как вы с княжной Марьей называете, это главный источник заблуждения и зла. Le prochаin [Ближний] это те, твои киевские мужики, которым ты хочешь сделать добро.
И он посмотрел на Пьера насмешливо вызывающим взглядом. Он, видимо, вызывал Пьера.
– Вы шутите, – всё более и более оживляясь говорил Пьер. Какое же может быть заблуждение и зло в том, что я желал (очень мало и дурно исполнил), но желал сделать добро, да и сделал хотя кое что? Какое же может быть зло, что несчастные люди, наши мужики, люди такие же, как и мы, выростающие и умирающие без другого понятия о Боге и правде, как обряд и бессмысленная молитва, будут поучаться в утешительных верованиях будущей жизни, возмездия, награды, утешения? Какое же зло и заблуждение в том, что люди умирают от болезни, без помощи, когда так легко материально помочь им, и я им дам лекаря, и больницу, и приют старику? И разве не ощутительное, не несомненное благо то, что мужик, баба с ребенком не имеют дня и ночи покоя, а я дам им отдых и досуг?… – говорил Пьер, торопясь и шепелявя. – И я это сделал, хоть плохо, хоть немного, но сделал кое что для этого, и вы не только меня не разуверите в том, что то, что я сделал хорошо, но и не разуверите, чтоб вы сами этого не думали. А главное, – продолжал Пьер, – я вот что знаю и знаю верно, что наслаждение делать это добро есть единственное верное счастие жизни.
– Да, ежели так поставить вопрос, то это другое дело, сказал князь Андрей. – Я строю дом, развожу сад, а ты больницы. И то, и другое может служить препровождением времени. А что справедливо, что добро – предоставь судить тому, кто всё знает, а не нам. Ну ты хочешь спорить, – прибавил он, – ну давай. – Они вышли из за стола и сели на крыльцо, заменявшее балкон.
– Ну давай спорить, – сказал князь Андрей. – Ты говоришь школы, – продолжал он, загибая палец, – поучения и так далее, то есть ты хочешь вывести его, – сказал он, указывая на мужика, снявшего шапку и проходившего мимо их, – из его животного состояния и дать ему нравственных потребностей, а мне кажется, что единственно возможное счастье – есть счастье животное, а ты его то хочешь лишить его. Я завидую ему, а ты хочешь его сделать мною, но не дав ему моих средств. Другое ты говоришь: облегчить его работу. А по моему, труд физический для него есть такая же необходимость, такое же условие его существования, как для меня и для тебя труд умственный. Ты не можешь не думать. Я ложусь спать в 3 м часу, мне приходят мысли, и я не могу заснуть, ворочаюсь, не сплю до утра оттого, что я думаю и не могу не думать, как он не может не пахать, не косить; иначе он пойдет в кабак, или сделается болен. Как я не перенесу его страшного физического труда, а умру через неделю, так он не перенесет моей физической праздности, он растолстеет и умрет. Третье, – что бишь еще ты сказал? – Князь Андрей загнул третий палец.
– Ах, да, больницы, лекарства. У него удар, он умирает, а ты пустил ему кровь, вылечил. Он калекой будет ходить 10 ть лет, всем в тягость. Гораздо покойнее и проще ему умереть. Другие родятся, и так их много. Ежели бы ты жалел, что у тебя лишний работник пропал – как я смотрю на него, а то ты из любви же к нему его хочешь лечить. А ему этого не нужно. Да и потом,что за воображенье, что медицина кого нибудь и когда нибудь вылечивала! Убивать так! – сказал он, злобно нахмурившись и отвернувшись от Пьера. Князь Андрей высказывал свои мысли так ясно и отчетливо, что видно было, он не раз думал об этом, и он говорил охотно и быстро, как человек, долго не говоривший. Взгляд его оживлялся тем больше, чем безнадежнее были его суждения.
– Ах это ужасно, ужасно! – сказал Пьер. – Я не понимаю только – как можно жить с такими мыслями. На меня находили такие же минуты, это недавно было, в Москве и дорогой, но тогда я опускаюсь до такой степени, что я не живу, всё мне гадко… главное, я сам. Тогда я не ем, не умываюсь… ну, как же вы?…
– Отчего же не умываться, это не чисто, – сказал князь Андрей; – напротив, надо стараться сделать свою жизнь как можно более приятной. Я живу и в этом не виноват, стало быть надо как нибудь получше, никому не мешая, дожить до смерти.
– Но что же вас побуждает жить с такими мыслями? Будешь сидеть не двигаясь, ничего не предпринимая…
– Жизнь и так не оставляет в покое. Я бы рад ничего не делать, а вот, с одной стороны, дворянство здешнее удостоило меня чести избрания в предводители: я насилу отделался. Они не могли понять, что во мне нет того, что нужно, нет этой известной добродушной и озабоченной пошлости, которая нужна для этого. Потом вот этот дом, который надо было построить, чтобы иметь свой угол, где можно быть спокойным. Теперь ополчение.
– Отчего вы не служите в армии?
– После Аустерлица! – мрачно сказал князь Андрей. – Нет; покорно благодарю, я дал себе слово, что служить в действующей русской армии я не буду. И не буду, ежели бы Бонапарте стоял тут, у Смоленска, угрожая Лысым Горам, и тогда бы я не стал служить в русской армии. Ну, так я тебе говорил, – успокоиваясь продолжал князь Андрей. – Теперь ополченье, отец главнокомандующим 3 го округа, и единственное средство мне избавиться от службы – быть при нем.