По мере распространения фронта пламени по объему камеры сгорания температура, давление и объем образующихся продуктов сгорания повышаются, что вызывает сжатие еще не сгоревшей горючей смеси. Фронт пламени в этом случае выполняет роль поршня, поджимающего расположенную перед ним горючую смесь, находящуюся в наиболее удаленных от свечи зажигания объемах камеры сгорания (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Развитие процесса сгорания в цилиндре с последующим возникновением детонации: 1 - свеча зажигания; 2 - образовавшиеся продукты сгорания; 3 - фронт пламени; 4 - несгоревшая горючая смесь; 5 - очаг взрывного воспламенения
Благодаря повышению давления и температуры в несгоревшей части горючей смеси активно развиваются предпламенные химические реакции, максимально подготавливая ее к самовоспламенению.
Дальнейшее развитие процесса сгорания может заканчиваться различно, в зависимости от сочетания множества случайных факторов. Например, при работе двигателя на бензине, содержащем устойчивые к распаду ароматические углеводороды, образование неустойчивых органических соединений, склонных к самовоспламенению, в массе свежего заряда не достигает критических значений, и сгорание заканчивается нормально, без отклонений.
Однако если используется топливо, содержащее в основном парафиновые и нафтеновые углеводороды, более склонные к распаду с образованием неустойчивых органических соединений, то их образование сопровождается чрезвычайно быстрым их окислением с образованием очага пламени. В этом очаге происходит настолько бурное выделение теплоты, что давление по всей массе газа не успевает выравняться. Наблюдается микровзрыв небольшой части горючей смеси, и нормально начавшийся процесс сгорания переходит в детонационное сгорание.
При микровзрыве небольшой части горючей смеси образуются первичные, относительно слабые ударные волны, распространяющиеся от очага воспламенения во все стороны по несгоревшему свежему заряду. Во фронте ударной волны в результате ударного сжатия мгновенно повышаются давление и температура горючей смеси, что может быть достаточно для самовоспламенения оставшейся горючей смеси, предельно подготовленной к самовоспламенению.
Воспламенение горючей смеси в результате ударного сжатия во фронте ударной волны сопровождается выделением значительного количества теплоты, которая расходуется на поддержание ударной волны от затухания и на сжатие очередных слоев свежего заряда. В результате процесс распространения ударной волны превращаются в детонационную волну с усилением ударной волны за счет теплоты, выделяющейся при сгорании горючей смеси по пути распространения ударных волн. Во фронте детонационной волны происходит скачкообразное повышение давления (в 1,5-2 раза) и температуры, причем сжатый газ, расположенный непосредственно за фронтом волны, движется в направлении движения фронта со скоростью, превышающей скорость звука. Скорость распространения детонационной волны по камере сгорания достигает 1500-2000 м/с.
Сверхзвуковая скорость распространения детонационной волны определяется термодинамическими характеристиками исходной горючей смеси (теплотой реакции, плотностью горючей смеси, теплоемкостью горючей смеси) и практически не зависит от скорости химических реакций окисления исходных компонентов.
При детонационном сгорании в цилиндре двигателя догорание последних частей свежего заряда завершается в процессе неоднократного повторного прохождения по реагирующей смеси детонационной волны, периодически отражающейся от стенок камеры сгорания. Повторное прохождение детонационной волны по горючей смеси образует новые очаги воспламенения и новые детонационные волны, приводящие к развитию процессов диссоциации газов.
Вследствие выделения теплоты во фронте детонационной волны затухание ударных волн происходит относительно медленно, так что процесс детонации распространяется на значительную часть такта расширения. Индикаторная диаграмма процесса сгорания с детонацией представлена на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Индикаторная диаграмма процесса сгорания с сильной детонацией
Анализ индикаторной диаграммы показывает, что в конце основной фазы быстрого сгорания и на фазе завершения сгорания топливовоздушной смеси на такте расширения наблюдаются резкие колебания давления газов в виде ряда постепенно затухающих острых пиков. Частота этих колебаний давления зависит от скорости распространения детонационной волны и проходимого детонационной волной пути между двумя последовательными отражениями от стенок камеры сгорания. При скорости распространения детонационной волны порядка 1500-2000 м/с и диаметре цилиндра D=100 мм частота колебаний составляет порядка f=6 кГц.
При благоприятных для интенсивной детонации условиях резкие колебания давления газов в цилиндре наблюдаются в каждом рабочем цикле в одном или нескольких цилиндрах многоцилиндрового двигателя.
Комментарии посетителей