Целесообразно подразделять все виды калильного зажигания не по его внешнему проявлению, а по природе источника зажигания — на калильное зажигание нейтральными нагретыми телами (металлическими поверхностями) и активными поверхностями (нагарами).
Калильное зажигание металлическими поверхностями обычно изучают на двигателе, в камеры сгорания которого вставляется спираль, нагреваемая электрическим током. В качестве критерия оценки стойкости топлив принимают температуру спирали, при которой появляется калильное зажигание на рабочем режиме (tK() или на режиме прокрутки (Гкп), а также температуру саморазогрева спирали на рабочем режиме.
Результаты опытов свидетельствуют о том, что с повышением степени сжатия стойкость углеводородов к калильному зажиганию от металлических поверхностей уменьшается.
Большинство исследователей сходится на том, что повышение детонационной стойкости топлив сопровождается повышением их стойкости к калильному зажиганию от нагретых металлических поверхностей. Для смесей изооктана с гептаном имеется прямолинейная зависимость между этими показателями, но для других углеводородов и топлив строго закономерной связи не найдено, хотя и наблюдается общая тенденция повышения калильной стойкости с увеличением октановых чисел. Наличие антидетонационных присадок в бензине влияет на калильную стойкость лишь постольку, поскольку оно вызывает увеличение октанового числа.
Для оценки стойкости топлив к калильному зажиганию от нагретых металлических поверхностей предложен метод, базирующийся на лабораторной одноцилиндровой установке ИТ-9, предназначенной для определения октановых чисел. Калильыное зажигание вызывается спиратью, которая нагревается электрическим током. Определяется температура появления калильного зажигания на стандартном режиме (600 об/мин, а= 1, температура смеси 50°С) при степени сжатия, соответствующей стандартной интенсивности детонации согласно методу определения октановых чисел.
Величина калильной стойкости может быть выражена по этому методу через изооктановый эквивалент ИЭ.
Оценка некоторых топлив по этому показателю:
иэ
Изооктан 100
Бензол 106
Изопропилбензол 98
Диизобутилен 90
Метиловый спирт 75
Смеси изооктана и н-гептана
20% 95
40% 86
60% 83
80% 78
Смеси изооктана и нитропропана
95% 5% 93
90% 10% 87
80% 20% 80
Нитропропан 68
На основании полученных данных для оценки калильного зажигания разогретыми металлическими поверхностями в качестве высших эталонов могут быть рекомендованы изооктан и бензол, а в качестве низших — метиловый спирт, н-гептан и нитропропан [13].
За последние годы достигнуты большие успехи в борьбе с калильным зажиганием от металлических поверхностей путем конструктивного улучшения камер сгорания, использования «холодных» свечей, клапанов с натриевым охлаждением и т.д., однако вопросы калильной стойкости топлив и путей ее увеличения продолжают изучаться исследователями.
Калильному зажиганию от нагара посвящено значительно больше экспериментальных исследований, чем калильному зажиганию от металлических поверхностей. Но само явление калильного зажигания от нагара поддается изучению значительно труднее в связи со сложностью, нестабильностью и быстротечностью происходящих процессов.
К настоящему времени накоплен довольно обширный материал по влиянию различных режимных и эксплуатационных факторов на калильное зажигание от нагара.
Однозначно установлено, что увеличение степени сжатия вызывает повышение интенсивности калильного зажигания по всем оценочным показателям.
Интенсивность калильного зажигания повышается при некотором обогащении горючей смеси и установке более позднего зажигания. Появлению калильного зажигания способствуют все факторы, увеличивающие температурный режим двигателя. Сюда относится повышение числа оборотов, увеличение температуры воздуха и жидкости в системе охлаждения. Повышение влажности воздуха вызывает снижение интенсивности калильного зажигания.
На основании проведенных исследований схема возникновения калильного зажигания от нагара представляется следующим образом. Наиболее интенсивное нагарообразование наблюдается на режиме малых нагрузок. При переходе на полные нагрузки температура частиц нагара, укрепившихся на деталях камеры сгорания, а также отслоившихся и находящихся в надпоршневом пространстве, начинает повышаться вследствие увеличения теплонапряженности цикла. Температура частиц нагара непрерывно изменяется в результате теплообмена с окружающими газами. При сгорании и выпуске нагар разогревается горячими газами и температура его повышается, при впуске— частицы нагара охлаждаются свежей смесью. Но нагары не являются простыми «аккумуляторами» тепла, поступающего от горячих газов. Установлено, что вещество нагара при определенных температурах способно химически взаимодействовать с кислородом воздуха, выделяя тепло. Иными словами, при некоторых температурах нагар может саморазогреваться, вследствие чего температура его может достигать таких значений, которые превышают температуру окружающей среды. Эта особенность нагара существенно отличает его как источник воспламенения от «инертной» металлической поверхности. В отличие от последней нагар называют иногда «активной» поверхностью и его способность воспламенять горючую смесь связывают с «химической активностью» нагара.
Со способностью нагара к саморазогреву за счет экзотермических реакций с кислородом связаны некоторые особенности калильного зажигания от частиц нагара. Исследованиями установлено, что температура воспламенения, скорость горения и разогрева, а также максимальная температура зависят от состава и температуры нагара, формы и размера его частиц, их удельной теплоемкости, химической активности, условий теплообмена, а также состава и температуры среды.
Изучение калильных свойств нагаров показало, что наименьшими калильными числами обладают нагары изопарафиновых углеводородов. Нагары, образующиеся при сгорании нафтеновых и олефиновых углеводородов, проявляют несколько большую калильную активность. Ароматические углеводороды образуют нагары с высокой активностью. При этом установлено, что общее содержание ароматических углеводородов не всегда однозначно определяет калильную активность нагара. Решающее влияние оказывают строение ароматических углеводородов и их молекулярный вес. Высокомолекулярные ароматические углеводороды образуют наиболее активный нагар.
Составом нагара определяется не только температура его воспламенения, но и скорость его реагирования с кислородом, т.е. скорость саморазогрева. В последнее время это свойство нагара особенно детально исследуется с помощью специальных термографических методов. Установлена прямая зависимость между интенсивностью калильного зажигания и скоростью экзотермических реакций, протекающих в нагарах.
Склонность различных топлив к воспламенению от одного и того же «эталонного» нагара изменяется в более узких пределах, чем калильная активность нагаров. Наиболее быстрый разогрев нагара достигался при работе на бензоле, медленнее других росла температура при сгорании изооктана.
Таким образом, калильные свойства нагара оказывают решающее влияние на суммарную оценку склонности топлива к калильному зажиганию и определяют вероятность возникновения и интенсивность этого процесса в двигателе.
Изменение состава и свойств нагара может быть достигнуто за счет введения специальных присадок в топлива и масла. В качестве противокалильных присадок были исследованы различные фосфорные соединения (фосфаты, фосфиты, фосфонаты), соединения бора, брома, хлора, кремния, хрома, кобальта, бария, цинка, кальция и др. Наиболее эффективными для топлив оказались фосфорсодержащие соединения.
Действие фосфорных присадок связывают с их способностью реагировать с продуктами сгорания тетраэтилсвинца с образованием фосфатов свинца. Нагары, содержащие вместо окислов свинца фосфаты свинца, имеют более высокую температуру затлевания (воспламенения).