Детонацией в двигателе внутреннего сгорания называют процесс очень быстрого завершения сгорания, в результате самовоспламенения рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью.
Внешние признаки проявляются, когда детонируют около 5% топливовоздушной смеси, такая детонация является слабой, средняя – 10…12%, сильная – 18…20 %.
 С явлением детонации впервые столкнулись после первой империалистической войны в связи с теоретически обоснованным стремлением увеличить степень сжатия и тем самым достигнуть увеличения экономичности и мощности карбюраторных двигателей. (Рис. 1) Однако при первых же опытах в этом направлении оказалось, что при повышении степени сжатия сверх некоторого предельного значения желаемый эффект не достигался, а наоборот, наблюдалось падение экономичности и мощности двигателя. Работа двигателя при этом сопровождалась частыми неритмичными стуками, иногда переходящими в звон, перегревом головки, стенок цилиндров, клапанов, электродов свечей, появлением черного дыма. Это ненормальное сгорание и было названо детонацией. (Рис. 2 Диаграмма цикла при различных степенях сжатия). 
Появляющееся при детонации резкое нарастание местных давлений в цилиндре, в некоторых случаях вдвое превышающих максимальное давление в цилиндре при нормальном сгорании топлива, ведет к появлению характерных стуков, ускоренному износу деталей кривошипного механизма и создает прямую угрозу механической прочности двигателя. (Рис.3 Индикаторная диаграмма при детонационном сгорании)
 Исследованию этого явления посвящено большое количество работ, имеющих целью объяснить его, определить параметры, влияющие на интенсивность детонации, и найти способы уничтожения детонации.
Причиной детонации является образование промежуточных продуктов окисления – нестойких пероксидов, которые накапливаются в несгоревшей части смеси. Реакция их образования носит цепной характер и при достижении критической концентрации они распадаются со взрывом и выделением большого количества тепла. Образование их начинается в конце такта сжатия, но особенно интенсивно после начала горения смеси, поэтому горение той части смеси, которая сгорает в последнюю очередь, примет детонационный характер. Скорость образования пероксидов зависит от ряда факторов. Основные из них: состав топлива, температура и давление смеси, время на образование пероксидов. (Рис. 4 распространение фронта пламени в камере сгорания). 
Все факторы, способствующие повышению температуры, роста давления, увеличению времени сгорания, повышают возможность возникновения детонации. Однако, чем ближе условия сгорания в двигателе к детонации, тем выше его КПД. Поэтому оптимальная регулировка двигателя соответствует его работе на границе детонации.
При проектировании каждого двигателя принимается ряд мер по предупреждению детонации. К ним относятся: выбор степени сжатия, диаметра цилиндра, формы камеры сгорания, способа смесеобразования, системы зажигания, расположения свечи зажигания, сорт применяемого топлива, максимальное охлаждение той части смеси, которая горит последней и др.
Система зажигания оказывает большое влияние на работу двигателя.
 1. Влияние угла опережения зажигания. Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала от момента появления искры между электродами свечи до ВМТ. Угол опережения зажигания оказывает влияние на величину скорости сгорания. При изменении угла опережения зажигания изменяются температура и давление начала сгорания, а также степень завихренности смеси. (Рис. 5 Влияние угла опережения зажигания).
При некотором наивыгоднейшем угле опережения зажигания наблюдается максимальная скорость сгорания, а в дальнейшем, при увеличении опережения зажигания, скорость сгорания уменьшается. Слишком раннее зажигание способствует также появлению детонации.
Определение оптимального угла опережения зажигания, при изменении эксплуатационных параметров двигателя, в современных двигателях осуществляется с помощью датчика детонации, данные которого обрабатываются блоком управления, а последний изменяет угол опережения зажигания при необходимости. Причем этот угол корректируется в каждом цилиндре индивидуально.
2. Энергия электрического разряда. Энергия электрического разряда оказывает влияние на скорость горения смеси на начальной фазе распространения пламени в камере сгорания, от чего зависит средняя скорость горения всей смеси, полнота ее сгорания и детонация.
Повышение энергии электрического разряда сейчас достигается за счет применения индивидуальной катушки зажигания на цилиндр, известны конструкции катушек зажигания объединенных со свечой зажигания, применение тонкого центрального электрода, а также за счет повышения напряжения бортовой сети. Переход на более сложные и мощные системы зажигания пока нерационален, однако, ужесточающиеся с каждым годом требования к токсичности отработавших газов предполагают такую перспективу.
3. Применение объемного зажигания. Возможность повышения интенсивности горения на начальном этапе за счет зажигания основной смеси в камере сгорания разрядом растянутым по длине или разбитым на несколько точечных, а также небольшой порцией быстро сгорающей смеси подожженной внутри электродов свечи положительно влияет на процесс сгорания всей смеси. Этим направлением занимается большинство ведущих фирм выпускающих свечи зажигания и ДВС.
4. Расположение свечи зажигания в головке двигателя. Свеча зажигания в головке двигателя устанавливается в соответствии со следующими требованиями:
1) расстояние от свечи до наиболее отдаленных полостей камеры сгорания должно быть наименьшим, по этой причине свечу надо располагать по возможности ближе к середине камеры для улучшения процесса горения, при применении двух свечей зажигания, их необходимо располагать диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости.
 2) по теории детонации должно быть обеспечено, в первую очередь, зажигание наиболее нагретой части смеси, а закончиться горение должно в самом холодном месте. По этой и другим причинам некоторое улучшение характеристик двигателя достигается ориентировкой открытой части электродов свечи в сторону клапанов, что широко применяется гонщиками; (Рис. 6 Варианты расположения свечи зажигания в вихревой Г-образной головке 1-е – наилучшее)
3) электроды свечи и изолятор должны быть защищены от сильных вихревых потоков, попадания масла и несгоревшего топлива. Этот параметр уменьшает вероятность пропусков зажигания и сильного нагарообразования на свече;
4) свечу следует располагать так, чтобы она не выступала сильно и не была углублена. В первом случае возможен перегрев свечи и ее забрасывание, во втором случае возможны перебои зажигания; (Рис. 7). 
5) расположение свечи должно обеспечить хорошее ее охлаждение;
6) применение непосредственного впрыска топлива в цилиндры двигателя и расслоения заряда, т.е. местного обогащения смеси, выдвигает требование размещения электродов свечи зажигания в месте наибольшего обогащения смеси.
Применяемые в современных двигателях системы зажигания предотвращают вредное воздействие на двигатель ненормального, детонационного сгорания топлива, но не позволяют в полной мере использовать энергию сгорающего топлива при данной конструкции двигателя и меняющихся эксплуатационных характеристиках ДВС, и качестве топлива, что в сумме с относительным несовершенством цикла Отто приводит к низкой экономичности и высокой токсичности двигателя. По этой причине усовершенствования системы зажигания, положительно влияющие на процесс сгорания топливовоздушной смеси, в настоящее время являются востребованными.
В данной статье использованы материалы:
1. Иноземцев Н. В. Курс тепловых двигателей М.:ОБОРОНГИЗ, 1952.-471с.
2. Цветков В. Т. Двигатели внутреннего сгорания М.:МАШГИЗ, 1953.-535с.
3. Бекман В. В. Конструкция и динамика гоночных автомобилей М.:МАШГИЗ, 1947. – 265с.
4. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2003, - 351с.
5. «За рулем»-№2-1998г.
Автор: Сериков Е.Н.
| 
En Головна | Мій профіль | Вихід