Pukanie silnika - Engine knocking

„Pingowanie” przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz Ping (ujednoznacznienie) .

W silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym stukanie (również stukanie , detonacja , iskrzenie , pingowanie lub różowe zabarwienie ) występuje, gdy spalanie części mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze nie wynika z propagacji czoła płomienia zapalanego przez świecę zapłonową , ale jedna lub więcej kieszeni mieszanki paliwowo-powietrznej eksploduje poza obwiednią normalnego czoła spalania. Ładunek paliwowo-powietrzny powinien być zapalany tylko przez świecę zapłonową i dokładnie w określonym punkcie skoku tłoka. Pukanie występuje, gdy szczyt procesu spalania nie występuje już w optymalnym momencie dla cyklu czterosuwowego . Fala uderzeniowa wytwarza charakterystyczny metaliczny dźwięk „pingowania”, a ciśnienie w cylindrze gwałtownie wzrasta. Skutki stukania silnika wahają się od nieistotnych do całkowicie destrukcyjnych.

Pukanie nie powinno być mylone z przedwczesnym zapłonem — są to dwa oddzielne zdarzenia. Jednak po przedwczesnym zapłonie może nastąpić pukanie.

Zjawisko detonacji zostało opisane w listopadzie 1914 roku w liście od Lodge Brothers (producentów świec zapłonowych i synów Sir Olivera Lodge'a ) rozstrzygającego dyskusję na temat przyczyny „pukania” lub „pingowania” w motocyklach. W liście stwierdzili, że wczesny zapłon może spowodować detonację gazu zamiast zwykłego rozprężenia, a dźwięk wytwarzany przez detonację jest taki sam, jak w przypadku stukania w metalowe części młotkiem. Został on dalej zbadany i opisany przez Harry'ego Ricardo podczas eksperymentów przeprowadzonych w latach 1916-1919 w celu odkrycia przyczyn awarii silników lotniczych .

Normalne spalanie

W idealnych warunkach zwykły silnik spalinowy spala mieszankę paliwowo-powietrzną w cylindrze w uporządkowany i kontrolowany sposób. Spalanie rozpoczyna świeca zapłonowa około 10 do 40 stopni wału korbowego przed górnym martwym punktem (TDC), w zależności od wielu czynników, w tym prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Ten postęp zapłonu daje czas, aby proces spalania wytworzył ciśnienie szczytowe w idealnym czasie dla maksymalnego odzyskania pracy z rozprężających się gazów.

Iskra na elektrodach świecy zapłonowej tworzy małe jądro płomienia w przybliżeniu wielkości szczeliny świecy zapłonowej. Wraz ze wzrostem rozmiaru wzrasta jego moc cieplna, co pozwala mu rosnąć w przyspieszonym tempie, szybko rozszerzając się przez komorę spalania. Wzrost ten jest spowodowany przemieszczaniem się czoła płomienia przez samą palną mieszankę paliwowo-powietrzną oraz niestabilnością Rayleigha-Taylora (wynikającą z gorących gazów spalinowych o niskiej gęstości, które rozszerzają się do stosunkowo zimnej i gęstej niespalonej mieszanki paliwowo-powietrznej ), który gwałtownie rozciąga strefę spalania do kompleksu paluszków palącego się gazu, które mają znacznie większą powierzchnię niż zwykła kulista kula płomienia (ten ostatni proces jest wzmacniany i przyspieszany przez wszelkie wcześniej istniejące turbulencje w paliwie-powietrzu mieszanina). W normalnym spalaniu front płomienia porusza się w całej mieszance paliwowo-powietrznej z szybkością charakterystyczną dla danej mieszanki. Ciśnienie rośnie płynnie do wartości szczytowej, ponieważ prawie całe dostępne paliwo jest zużywane, a następnie ciśnienie spada, gdy tłok opada. Maksymalne ciśnienie w cylindrze osiągane jest kilka stopni wału korbowego po przejściu przez tłok w GMP, dzięki czemu siła działająca na tłok (z rosnącego ciśnienia przyłożonego do górnej powierzchni tłoka) może najmocniej naciskać dokładnie wtedy, gdy prędkość i przewaga mechaniczna tłoka na wale korbowym zapewnia najlepsze odzyskiwanie siły z rozprężających się gazów, maksymalizując w ten sposób moment obrotowy przenoszony na wał korbowy.

Nieprawidłowe spalanie

Główny artykuł: Chłodny płomień

Gdy niespalona mieszanka paliwowo-powietrzna poza granicami czoła płomienia jest poddawana działaniu kombinacji ciepła i ciśnienia przez pewien czas (poza okresem opóźnienia zastosowanego paliwa), może nastąpić detonacja . Detonacja charakteryzuje się niemal natychmiastowym, wybuchowym zapłonem co najmniej jednej kieszeni mieszanki paliwowo-powietrznej poza frontem płomienia. Wokół każdej kieszeni powstaje lokalna fala uderzeniowa, a ciśnienie w butli gwałtownie wzrośnie – i prawdopodobnie przekroczy granice projektowe – powodując uszkodzenia. (Detonacja jest w rzeczywistości bardziej wydajna niż deflagracja, ale zazwyczaj unika się jej ze względu na jej niszczący wpływ na elementy silnika).

Jeśli detonacja będzie trwała w ekstremalnych warunkach lub przez wiele cykli silnika, części silnika mogą zostać uszkodzone lub zniszczone. Najprostszymi szkodliwymi skutkami są zazwyczaj zużycie cząstek spowodowane umiarkowanym stukiem, które może dalej przechodzić przez układ olejowy silnika i powodować zużycie innych części, zanim zostaną uwięzione przez filtr oleju. Takie zużycie daje wrażenie erozji, ścierania lub wyglądu „piaskowanego”, podobnego do uszkodzeń spowodowanych kawitacją hydrauliczną. Silne stukanie może prowadzić do katastrofalnej awarii w postaci przetopionych i wypchniętych otworów przez tłok lub głowicę cylindra (np. pęknięcie komory spalania ), z których każda obniża ciśnienie w dotkniętym cylindrze i wprowadza duże fragmenty metalu, paliwo i produkty spalania do układu olejowego. Wiadomo, że tłoki hipereutektyczne łatwo pękają od takich fal uderzeniowych.

Detonacji można zapobiec za pomocą dowolnej lub wszystkich następujących technik:

  • opóźnienie zapłonu
  • zastosowanie paliwa o wysokiej liczbie oktanowej , co zwiększa temperaturę spalania paliwa i zmniejsza skłonność do detonacji
  • wzbogacenie stosunku powietrze-paliwo, które zmienia reakcje chemiczne podczas spalania, obniża temperaturę spalania i zwiększa margines do detonacji
  • zmniejszenie szczytowego ciśnienia w butli
  • zmniejszenie ciśnienia w kolektorze poprzez zmniejszenie otwarcia przepustnicy lub ciśnienia doładowania
  • zmniejszenie obciążenia silnika

Ponieważ ciśnienie i temperatura są ze sobą ściśle powiązane, stukanie można również złagodzić poprzez kontrolowanie szczytowych temperatur komory spalania poprzez zmniejszenie stopnia sprężania , recyrkulację spalin , odpowiednią kalibrację harmonogramu zapłonu silnika oraz staranne zaprojektowanie komór spalania silnika i układu chłodzenia jak kontrolowanie początkowej temperatury powietrza wlotowego.

Dodatek pewnych materiałów, takich jak ołów i tal , bardzo dobrze tłumi detonację, gdy stosowane są określone paliwa. Dodanie tetraetyloołowiu (TEL), rozpuszczalnego związku ołowioorganicznego dodawanego do benzyny, było powszechne, dopóki nie zaprzestano go z powodu toksycznego zanieczyszczenia. Pył ołowiowy dodany do wsadu wlotowego zmniejszy również stukanie w przypadku różnych paliw węglowodorowych. Związki manganu są również stosowane w celu zmniejszenia spalania stukowego przy paliwie benzynowym.

Pukanie jest mniej powszechne w zimnym klimacie. Jako rozwiązanie na rynku wtórnym można zastosować system wtrysku wody w celu zmniejszenia szczytowych temperatur komory spalania, a tym samym stłumienia detonacji. Para (para wodna) tłumi stukanie, nawet jeśli nie jest dostarczane dodatkowe chłodzenie.

Pewne zmiany chemiczne muszą najpierw nastąpić, aby nastąpiło stukanie, stąd paliwa o pewnych strukturach mają tendencję do łatwiejszego stukania niż inne. Rozgałęzionych parafin zazwyczaj odporne na pukanie podczas parafiny o łańcuchu prostym wbić łatwo. Wysunięto teorię, że ołów, para wodna itp. zakłócają niektóre z różnych zmian oksydacyjnych zachodzących podczas spalania, a tym samym zmniejszają stukanie.

Jak już wspomniano, turbulencja ma bardzo istotny wpływ na stukanie. Silniki z dobrą turbulencją mają tendencję do mniejszego stukania niż silniki ze słabą turbulencją. Turbulencje występują nie tylko podczas wdechu silnika, ale także podczas sprężania i spalania mieszanki. Wiele tłoków zaprojektowano tak, aby wykorzystywały turbulencje „zgniatane” do gwałtownego mieszania powietrza i paliwa podczas ich zapalania i spalania, co znacznie zmniejsza stukanie, przyspieszając spalanie i chłodzenie niespalonej mieszanki. Jednym z przykładów są wszystkie nowoczesne silniki z zaworami bocznymi lub z płaską głowicą . Znaczna część przestrzeni nad głowicą jest zbliżona do denka tłoka, co powoduje duże turbulencje w pobliżu GMP. We wczesnych dniach głowic zaworów bocznych nie robiono tego i dla każdego paliwa trzeba było stosować znacznie niższy stopień sprężania. Również takie silniki były wrażliwe na wyprzedzenie zapłonu i miały mniejszą moc.

Stukanie jest mniej lub bardziej nieuniknione w silnikach wysokoprężnych , w których paliwo jest wtryskiwane do silnie sprężonego powietrza pod koniec suwu sprężania. Między wtryskiem paliwa a rozpoczęciem spalania występuje krótkie opóźnienie. W tym czasie w komorze spalania znajduje się już pewna ilość paliwa, która zapali się najpierw w obszarach o większej gęstości tlenu przed spaleniem całego ładunku. Ten nagły wzrost ciśnienia i temperatury powoduje charakterystyczne „stukanie” lub „klekot” silnika Diesla, z których część musi być uwzględniona w konstrukcji silnika.

Staranne zaprojektowanie pompy wtryskowej, wtryskiwacza paliwa, komory spalania, denka tłoka i głowicy cylindrów może znacznie zredukować stukanie, a nowoczesne silniki wykorzystujące elektroniczny wtrysk Common Rail mają bardzo niski poziom stukania. Silniki z wtryskiem pośrednim mają zazwyczaj niższy poziom stuków niż silniki z wtryskiem bezpośrednim , ze względu na większe rozproszenie tlenu w komorze spalania i niższe ciśnienia wtrysku zapewniające pełniejsze mieszanie paliwa i powietrza. Diesle w rzeczywistości nie cierpią dokładnie tak samo jak silniki benzynowe, ponieważ wiadomo, że przyczyną jest tylko bardzo szybki wzrost ciśnienia, a nie niestabilne spalanie. Paliwa do silników wysokoprężnych są w rzeczywistości bardzo podatne na stukanie w silnikach benzynowych, ale w silnikach wysokoprężnych nie ma czasu na powstawanie stuków, ponieważ paliwo utlenia się tylko podczas cyklu rozprężania. W silniku benzynowym paliwo cały czas powoli się utlenia, podczas gdy jest sprężane przed iskrą. Pozwala to na zajście zmian w strukturze/składaniu cząsteczek przed bardzo krytycznym okresem wysokiej temperatury/ciśnienia.

Wykrywanie pukania

Ze względu na duże zróżnicowanie jakości paliwa, ciśnienia atmosferycznego i temperatury otoczenia oraz możliwość wystąpienia awarii, każdy nowoczesny silnik spalinowy zawiera mechanizmy wykrywania i zapobiegania stukaniu.

Pętla kontrolna stale monitoruje sygnał jednego lub więcej czujników stukowych (zwykle czujnik piezoelektryczny, który jest w stanie zamienić wibracje na sygnał elektryczny). W przypadku wykrycia charakterystycznego piku ciśnienia spalania stukowego, czas zapłonu jest opóźniany o kilka stopni. Jeżeli sygnał normalizuje się wskazując na kontrolowane spalanie, kąt wyprzedzenia zapłonu jest ponownie przyspieszony w ten sam sposób, utrzymując silnik w najlepszym możliwym punkcie pracy, tak zwanej „granicy stuku”. Nowoczesne systemy pętli kontroli spalania stukowego są w stanie dostosować czasy zapłonu indywidualnie dla każdego cylindra. W zależności od konkretnego silnika ciśnienie doładowania jest regulowane jednocześnie. W ten sposób osiągi są utrzymywane na optymalnym poziomie, eliminując przede wszystkim ryzyko uszkodzenia silnika spowodowanego stukaniem, np. podczas pracy na paliwie niskooktanowym.

Wczesnym tego przykładem są turbodoładowane silniki Saaba H , w których zastosowano system o nazwie Automatyczna Kontrola Osiągów w celu zmniejszenia ciśnienia doładowania w przypadku stukania silnika.

Przewidywanie pukania

Ponieważ unikanie spalania stukowego jest tak ważne dla inżynierów rozwoju, opracowano różne technologie symulacyjne, które mogą identyfikować konstrukcję silnika lub warunki pracy, w których można oczekiwać wystąpienia stukania. Umożliwia to inżynierom zaprojektowanie sposobów łagodzenia spalania stukowego przy zachowaniu wysokiej sprawności cieplnej.

Ponieważ początek stukania jest wrażliwy na ciśnienie w cylindrze, temperaturę i chemię samozapłonu związaną z lokalnym składem mieszanki w komorze spalania, symulacje, które uwzględniają wszystkie te aspekty, okazały się najbardziej skuteczne w określaniu granic pracy stukania i umożliwianiu inżynierom określić najbardziej odpowiednią strategię działania.

Kontrola pukania

Celem strategii kontroli spalania stukowego jest próba zoptymalizowania kompromisu między ochroną silnika przed szkodliwymi zdarzeniami stukania a maksymalizacją wyjściowego momentu obrotowego silnika. Zdarzenia typu Knock są niezależnym procesem losowym. Niemożliwe jest zaprojektowanie kontrolerów knock na platformie deterministycznej. Jednorazowa symulacja historii lub eksperyment z metodami kontroli stuków nie jest w stanie zapewnić powtarzalnego pomiaru wydajności sterownika ze względu na losowy charakter nadchodzących zdarzeń stukania. Dlatego pożądanego kompromisu należy dokonać w ramach stochastycznych, które mogą zapewnić odpowiednie środowisko do projektowania i oceny wydajności różnych strategii kontroli stukania o rygorystycznych właściwościach statystycznych.

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki