Czynniki wpływające na spalanie stukowe

Spalanie stukowe jest bardzo skomplikowanym zjawiskiem.

Jakie czynniki mają wpływ na występowanie oraz intensywność spalania stukowego w silnikach o zapłonie iskrowym?

Poniżej wymieniłem kilka najważniejszych powodów:

1. Stopień sprężania.
2. Kształt komory spalania.
3. Kąt wyprzedzenia zapłonu.
4. Skład mieszanki.
5. Wymiary i liczba cylindrów.
6. Materiał głowicy.
7. Prędkość obrotowa wału korbowego.
8. Obciążenie silnika.
9. Opory wydechu.
10. Stan cieplny silnika.
11. Sposób tworzenia mieszanki.

Poniżej zamieściłem szczegółowy opis wpływ każdego czynnika na spalanie stukowe.

1. Stopień sprężania.
   Wzrost stopnia sprężania powoduje zwiększenie ciśnienia i temperatury mieszanki w chwili zapłonu (zobacz Wzrost temperatury podczas sprężania), co sprzyja wystąpieniu detonacji. Jeśli zwiększamy stopień sprężania silnika, to trzeba pamiętać, że równocześnie rośnie minimalna liczba oktanowa paliwa.
2. Kształt komory spalania.
   Olbrzymie znaczenie ma tutaj położenie świecy zapłonowej. Powinna ona być położona w w pobliżu najgorętszej części komory spalania (w okolicy zaworu wydechowego). Pozwala to na uniknięcie możliwości samozapłonu od najgorętszych części komory spalania, oraz powoduje, że w końcowym okresie spalania spala się mieszanka najsłabiej podgrzana.
   Drugim ważnym czynnikiem jest chłodzenie komory spalania które powinno być możliwie jak najbardziej równomierne.
3. Kąt wyprzedzenia zapłonu.
   Zwiększenie kąta wyprzedzenia zapłonu (przyśpieszenie zapłonu) sprzyja wystąpieniu spalania stukowego, gdyż mieszanka jest jest sprężana podczas spalania. Jeśli liczba oktanowa paliwa jest zbyt mała, to zmniejszenie kąta wyprzedzenia zapłonu (opóźnienie zapłonu) może spowodować ustąpienie objawów spalania stukowego.
   Wiele silników z zapłonem iskrowym obecnie posiada czujnik spalania stukowego, który po wystąpieniu detonacji opóźnia nieco kąt wyprzedzenia zapłonu.
   Zbyt późny kąt wyprzedzenia zapłonu powoduje jednak spadek mocy i wzrost zużycia paliwa, oraz przegrzewanie silnika.
4. Skład mieszanki.
   Obecnie w silnikach z zapłonem iskrowym stosuje się wyłączenie współczynnik nadmiaru powietrza λ=1 (ze względu na optymalną toksyczność spalin), co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia spalania stukowego.
   Patrząc historycznie największe prawdopodobieństwo wystąpienie detonacji odpowiadało współczynnikowi nadmiaru powietrza λ=0.8÷0.9, dla którego prędkość spalania mieszanki była największa.
5. Wymiary silnika i liczba cylindrów.
   Zwiększenie średnicy cylindra znacznie powiększy prawdopodobieństwo wystąpienia spalania stukowego, ponieważ wzrośnie długość drogi płomienia od świecy do najodleglejszej części komory spalania.
   Jeśli natomiast zmniejszamy średnicę cylindra, to skracamy drogę, rośnie wysokość komory spalania oraz powierzchnia chłodzenia, co znacznie zmniejsza możliwość wystąpienia spalania stukowego.
   Dawniej w silnikach wielocylindrowych mógł był stosowany jeden gaźnik, lub wtrysk jednopunktowy co powodowało nierównomierny skład mieszanki na poszczególnych cylindrach, co zwiększało prawdopodobieństwo wystąpienia spalania stukowego.
6. Materiał głowicy.
   Główne znaczenia ma przewodność cieplna materiału głowicy. Zmiana materiału z żeliwa na aluminum pozwoliło na podniesienia stopnia sprężania ε o około 0.5, przy tej samej liczbie oktanowej.
7. Prędkość obrotowa wału korbowego.
   Wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika zaobserwowano zanikanie spalania stukowego.
   Przy większej prędkości obrotowej mieszanka wiruje szybciej oddając więcej ciepła do układu chłodzenia, oraz zwiększa się ilość spalin z poprzedniego cyklu spalania. Spaliny posiadają duże ciepło właściwe, zmniejszą więc temperaturę spalania.
   Zjawisko to (obecność spalin w komorze spalania) wykorzystano także do redukcji tlenków azotu - EGR.
   
8. Obciążenie silnika.
   Duże obciążenie silnika (otwarta przepustnica) sprzyja spalaniu stukowemu, ponieważ zwiększa się ilość mieszanki na początku sprężania, a więc ciśnienie i temperatura końca sprężania. Szczególne odczuwalne jest to zjawisko przy mniejszych prędkościach obrotowych.
9. Opory wydechu.
   Im większe opory wydechu tym zwiększa się zawartość spalin w mieszance, i obniżenie skłonności do spalania stukowego. Niemniej opory wyechu nie są pożądanym zjawiskiem, ponieważ obniżają moc silnika.
10. Stan cieplny silnika.
    Przegrzanie silnika np. zaworów wydechowych, denka tłoka znacznie zwiększa ryzyko detonacji.
11. Sposób tworzenia mieszanki.
    Zasilanie wtryskowe wielopunktowe, a najwięcej wtrysk paliwa bezpośrednio do cylindra (temperatura w cylindrze obniża się wskutek parowania paliwa) zmniejsza skłonność do spalania stukowego.