Горение топлива
Среди процессов, происходящих в двигателе, ключевую роль играет сгорание рабочей смеси. Если оно протекает неэффективно или с отклонениями от нормы, то неизбежно ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя, а в иных случаях возможно и аварийное разрушение его деталей.
О сущности процесса горения и его аномалиях, о возможности диагностировать эти явления и делать необходимые выводы рассказывает кандидат технических наук В. БАСС.
Как протекает горение
Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива. От первичного очага пламя начинает распространяться на окружающую рабочую смесь; фронт этого пламени имеет вид ламинарного (ровного, незавихренного) слоя толщиной меньше миллиметра, движущегося вначале с небольшой скоростью. Однако она быстро нарастает, поскольку остающиеся за фронтом сгоревшие газы, имеющие температуру около 2000°К, расширяются. Удаляясь от свечи, где рабочая смесь относительно спокойна (пристеночная зона), и приближаясь к центру камеры сгорания, пламя достигает турбулизованной (завихренной) зоны топливного заряда. Здесь фронт пламени начинает дробиться и приобретает ячеистую структуру, где участки горения перемежаются со свежей смесью и продуктами сгорания. Толщина такого турбулентного слоя становится равной нескольким сантиметрам, а скорость его распространения измеряется десятками метров в секунду, находясь в прямой зависимости от скорости движения газов внутри камеры.
Нужно заметить, что нормальная работа двигателя в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала обеспечивается именно тем, что скорость турбулентного пламени возрастает пропорционально увеличению скорости движения поршня. Когда же пламя проходит через весь объем камеры, горение в ней постепенно прекращается, а образовавшиеся горячие газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз и тем самым, совершая полезную работу. Чем выше температура и давление этих газов, тем больше отдача мощности.
Этот процесс обеспечивает наибольшую эффективность двигателя, расчетный уровень расхода топлива и токсичности отработавших газов. Но, к сожалению, так бывает не всегда. При определенных условиях ход процесса может нарушаться, вызывая разные по тяжести последствия - от неприятных ощущений у водителя до серьезного повреждения двигателя.
Что влияет на процесс горения
Прежде всего, конечно, бензин, его характеристики, соответствие данному двигателю. Современный товарный бензин представляет собой сложную смесь разных углеводородов, а также специальных присадок. Кроме основного свойства — стойкости к детонации, что определяется октановым числом, бензин должен обладать и другим — не иметь склонности (разумеется, в определенных условиях и пределах) к самовоспламенению, к нагарообразованию и калильному зажиганию.
Процесс сгорания существенно зависит от состава горючей смеси. Общая зависимость (при наивыгоднейшем опережении зажигания) такова: наибольшая температура и давление газов в камере сгорания достигаются при слегка обогащенной смеси. Дальнейшее ее обогащение и обеднение снижает температуру.
Отклонение угла опережения зажигания от оптимальной величины тоже оказывает прямое влияние. Увеличение угла повышает температуру внутри камеры и может довести ее до уровня, опасного для расположенных там деталей. При позднем зажигании температура в камере снижается, но на выпуске - возрастает. Это, в частности, ужесточает тепловой режим работы выпускного клапана.
Любой перегрев деталей, расположенных в камере сгорания, может нарушить нормальное протекание процесса горения топлива.
Влияние нагара
Все было бы достаточно просто, если бы аномалии, о которых говорилось, существовали каждая сама по себе. Однако тот факт, что на стенках камеры сгорания в той или иной степени всегда есть нагар, существенно искажает "классическую" картину.
Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен, а во-вторых - увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, они создают условия для срыва нормального процесса горения. Более того, нагар может оказывать известное каталитическое действие и вызывать самовоспламенение рабочей смеси, а это во многом затрудняет диагностирование аномалий.
При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинает разрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт со стенкой, легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бывает и так, что чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камеры сгорания, а остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь в самый неопределенный момент даже на впуске. Так порождаются; "дикие" стуки, не поддающиеся никакой логике и классификации. Правильно учитывать все эти явления могут помочь только опыт и вдумчивый подход к вопросу.
Для борьбы с отложениями (нагаром) в мировой практике получили широкое распространение специальные добавки к бензину, которые периодически вливают в бак. Ведется работа по созданию такой добавки и у нас. Пока же наиболее доступным средством борьбы с нагаром без разборки мотора остается "прожигание" камер сгорания при форсированном движении по автомагистрали. В качестве профилактической меры полезно строить свои повседневные маршруты так, чтобы городская езда чередовалась со скоростным шоссе.
Детонация
Появление детонации происходит по следующей схеме. При распространении фронта пламени несгоревшая рабочая смесь подвергается сжатию: сгоревшие газы позади фронта пламени действуют на нее подобно поршню. Если при этом давление и температура превысят критические для данного топлива величины, создаются условия для самовоспламенения, которое называют детонационным. Его характерный признак - взрывная скорость распространения пламени. Принято считать, что это явление связано с образованием перекисей в каких-то участках камеры сгорания под действием высокого давления и температуры. Данный химический процесс требует определенного времени, поэтому, как правило, он происходит в зонах, наиболее удаленных от свечи и дольше всего подвергающихся действию сильного давления. Способствует этому, и прогрев рабочей смеси горячими стенками камеры, что сильнее всего сказывается в узких щелях. Понятно также, что детонация тем вероятнее, чем выше степень сжатия. Когда часть заряда детонирует, образуются ударные волны, которые распространяются со скоростью до 1000 м/с и "бьют" в стенки камеры сгорания. Напрямую разрушить их они не могут, но передают часть своей кинетической энергии, вызывая местные перегревы и вибрацию. Если детонационное сгорание происходит достаточно долго, обгорают или разрушаются металлические детали, чаще всего поршень, свеча или клапан.
Детонация наиболее вероятна, когда двигатель работает с полностью открытой дроссельной заслонкой, а частота вращения коленчатого вала мала. В этом случае наполнение цилиндров свежей смесью максимальное, остаточных газов мало, а время, в течение которого отдаленные от свечи части заряда подвергаются воздействию давления и температуры, наиболее велико и достаточно для образования перекисей. Наглядное проявление этого положения знакомо каждому водителю. Если во время разгона с малой начальной скорости при полностью открытой дроссельной заслонке отчетливо слышны звонкие детонационные стуки, то это лишь вначале, а при достижении определенной скорости они пропадают. Или наоборот, когда автомобиль движется на подъем с замедлением (дроссельная заслонка опять-таки полностью открыта), то вначале детонации нет, а при падении скорости до какой-то величины она может появиться. В подобных случаях для прекращения стуков достаточно прикрыть дроссель (уменьшить наполнение цилиндров) или перейти на пониженную передачу (ускорить вращение коленчатого вала).
Характерными внешними признаками детонации являются повышенное задымление двигателя - черный дым из выхлопной трубы и падение его мощности из-за того, что горение протекает не лучшим образом.
Калильное зажигание
В разговорах автомобилисты нередко путают его с детонацией, но это два совершенно разных явления. При калильном зажигании рабочая смесь воспламеняется накаленной поверхностью какой-то детали в камере сгорания. Теоретически различают два случая калильного зажигания: до возникновения искры в свече и после. Но дальше речь пойдет только о первом, поскольку именно с ним мы имеем дело на практике и именно он представляет реальную опасность для двигателя.
При калильном зажигании горение протекает нормально, но преждевременно; это равносильно тому, что угол опережения самопроизвольно увеличился по отношению к оптимальному. А такое положение, как мы уже говорили, ведет к недопустимому росту температуры деталей в камере сгорания. Вследствие этого фактический момент зажигания становится еще более ранним, иными словами, процесс самоускоряется. При появлении калильного зажигания мощность двигателя внезапно и резко падает и , если не отреагировать на это снижением нагрузки, перегретые детали будут повреждены.
Наиболее вероятно калильное зажигание от перегретой свечи; это бывает, когда свеча по тепловой характеристике не соответствует данному двигателю. Источником этого неприятного явления также могут быть выпускной клапан или поршень; им достаточна меньшая температура, чем у свечи, поскольку поджигающая способность зависит не только от степени нагрева, но и от величины поверхности детали. Чем больше площадь ее контакта со смесью, тем при меньшей температуре возникает калильное зажигание.
Самые благоприятные условия для появления калильного зажигания - режим максимальной мощности, когда дроссель полностью открыт, а обороты предельные. Но для обычной эксплуатации это нетипично, с таким режимом в основном имеют дело спортсмены.
Факторами, способствующими повышенному нагреву деталей в камере сгорания и, следовательно, возникновению калильного зажигания, являются: чрезмерно раннее искрообразование; мощностной, обогащенный состав рабочей смеси; плохое охлаждение цилиндров. Здесь же нужно упомянуть о вреде заусенцев в камере сгорания, особенно на электродах свечи.
Вспышки при выключенном зажигании
Если калильное зажигание присуще работе двигателя в режиме максимальной мощности, то совершенно очевидно, что этим явлением нельзя объяснить его самопроизвольную работу в течение некоторого времени после выключения зажигания. В данном случае имеет место самовоспламенение топлива, подобно тому, как это происходит в дизелях. Наиболее характерна следующая цепочка обстоятельств. Автомобиль двигался в условиях, способствующих повышенному нагреву деталей двигателя.
После остановки дроссельную заслонку закрыли, зажигание выключили. Коленчатый вал по инерции еще поворачивается, и в один из цилиндров попадает рабочая смесь, которая при медленном сжатии успевает прогреться до температуры самовоспламенения. За этим, естественно, следует рабочий ход, который вызывает протекание такого же цикла в другом цилиндре. Подобная медленная и дерганая, неравномерная работа двигателя продолжается от нескольких секунд до двух-трех минут (такие предельные сроки наблюдались), то есть до тех пор, пока остывание мотора не ликвидирует условия для самовоспламенения топливного заряда.
Только ли нагрев камеры сгорания повинен в возникновении этого "дизельного процесса"? Нет, большую роль здесь играют нагретые отработавшие газы, в изобилии остающиеся в цилиндре от предыдущего цикла, ибо при очень небольшой частоте вращения очистка цилиндров крайне плоха. Эти газы смешиваются со свежей смесью, и сильно прогревают ее, способствуя самовоспламенению. Кстати, столь большое разбавление заряда остаточными газами исключает появление детонации, поэтому описываемый процесс, несмотря на всю свою неупорядоченность, для мотора безопасен. Но на водителя, как мы знаем, производит гнетущее впечатление.
Радикальный способ борьбы с данным явлением - установка в карбюраторе электромагнитного клапана, отключающего подачу топлива через систему холостого хода при выключенном зажигании. Такие клапаны серийно устанавливаются на многих моделях "Жигулей". Другие, более простые способы основаны на самой сути процесса. Так, если после выключения зажигания ненадолго и глубоко нажать на педаль газа, то в цилиндры поступит полновесный заряд свежей смеси, который охладит стенки и устранит условия самовоспламенения. Примерно того же эффекта иногда достигают изменением регулировки холостого хода, но при этом нельзя отклоняться от пределов, обеспечивающих нормы токсичности выхлопных газов при обычной работе двигателя на холостом ходу.
Что следует из теории
Если во время форсированной езды по автомагистрали в двигателе прослушиваются какие-то непонятные стуки - это не детонация. Логичнее объяснить их самовоспламенением топлива из-за перегрева двигателя или обильного нагара в камерах сгорания.
Если стуки появляются на переменных режимах, скажем, при городской езде, то не калильное зажигание тому виной.
И, наконец, не нужно панически бояться вспышек в моторе после выключения зажигания. Но и терпимо относиться к ним не следует, способы прекратить их, были перечислены в тексте.
