Проекты

«Звонкие пальцы», или Как оно горит

Двигатель внутреннего сгорания имеет довольно простой принцип работы: топливо горит, газы расширяются, поршень идет вниз, совершается работа. Это даже в школе проходят, на уроке физики. Однако при всей кажущейся простоте механики-мотористы вовсе не даром едят свой хлеб, а хорошие мастера так и просто на вес золота. Дело в том, что основной жизненный процесс мотора (то самое внутренне сгорание) — довольно хитрая штука, и зачастую правильная диагностика невозможна без понимания происходящих в цилиндре процессов.

Вот стоят на старте автомобили. Мотор ровно работает на холостых, шины прогреты, пилот в боевой готовности. Судья старта показывает табличку «5 сек», пилоты выжали сцепление и нажали на газ — над стартовым полем разносится мощный рык. Моргнул стартовый светофор, первая передача, сцепление брошено, газ втоптан в пол, тон мотора на секунду падает, но тут же взрывается победным ревом — помчались! Обратите внимание, что опытный пилот никогда не станет стартовать с низких оборотов — только на раскрученном моторе, несмотря на ударные нагрузки в трансмиссии и риск пробуксовки ведущих колес. А если попробовать иначе?
Включаем передачу, отпускаем сцепление и выжимаем до отказа газ — дроссельная заслонка открыта, но машина не спешит ускоряться, более того — из мотора доносятся неприятные металлические стуки, постепенно исчезающие при наборе оборотов. «Пальчики-то звенят!» — усмехнется механик старой школы. «При чем тут пальцы?» — удивится водитель и будет, в общем, прав: к поршневым пальцам данное явление отношения не имеет. Просто так (хотя, по сути, ошибочно) принято называть явление детонации. Что такое эта самая детонация? А просто неправильное горение в цилиндрах. К подробному разбору причин этого явления мы еще вернемся, а пока давайте рассмотрим, как происходит горение правильное.


На старт!

Нормальный процесс сгорания в цилиндре происходит следующим образом: поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь быстро сжимается, давление растет. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом всего несколько кубических миллиметров. Из этой точки ровный фронт пламени начинает разбегаться к стенкам камеры сгорания — сначала небыстро, но потом ускоряясь под воздействием стремительно расширяющихся газов с температурой около 2000 К. Попадая в зону завихряющихся (турбулентных) газов возле стенок, фронт дробится на участки пламени, окруженные смесью и продуктами горения, и в этот момент его скорость достигает десятков метров в секунду. 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.


Даешь правильное горение!

Увы, далеко не всегда процесс сгорания в цилиндре происходит точно по описанной схеме — слишком уж много факторов на него влияет. Прежде всего, конечно, это сам бензин — сложное углеводородное соединение, в котором вдобавок намешаны целые букеты разнообразных присадок. Качество изготовления бензина, а также его применимость для конкретного мотора, к сожалению, остаются на совести производителей. Далее, процесс сгорания зависит от состава смеси бензина и воздуха. Общая зависимость такова: наибольшие температура и давление газов в камере сгорания достигаются при слегка обогащенной смеси. Дальнейшее ее обогащение или обеднение снижает температуру, а значит, и эффективность горения. Для обеспечения оптимального состава придумано множество хитрых устройств — от примитивного карбюратора до управляемого компьютером впрыска.

Следующий фактор — угол опережения зажигания. Свеча обязана поджечь смесь точно в нужный момент, а отнюдь не раньше или позже. Слишком раннее зажигание повышает температуру внутри камеры и может довести ее до уровня, опасного для расположенных там деталей, а при позднем — температура в камере снижается, но на выпуске — возрастает. Это, в частности, ужесточает тепловой режим работы выпускного клапана, вплоть до прогара его седла.

И вот теперь, поняв, как должно происходить горение и какие факторы на него влияют, вернемся к пресловутому «звону пальцев» — детонации. Появление детонации происходит следующим образом: при распространении фронта пламени несгоревшая рабочая смесь подвергается сжатию: сгоревшие газы давят на нее интенсивней поршня. Если при этом давление и температура превысят критические для данного топлива величины (детонационная стойкость, определяемая октановым числом), создаются условия для самовоспламенения. Этот процесс самовоспламенения под огромным давлением напоминает взрыв. Сила такого взрыва не настолько велика, чтобы разрушить прочные стенки камеры сгорания, но, когда до них вместо фронта пламени докатывается ударная волна (которая распространяется со скоростью до 1000 м/с), появляется тот самый звук — как будто в моторе стучат молоточками гремлины. Это и называют почему-то звоном пальцев, хотя, повторю, поршневой палец в этом процессе никак не участвует. Если продержать мотор в режиме детонации сколько-нибудь значительное время, то последствия будут неприятны: перелом поршневых колец, осыпание перегородок между ними, оплавление днища поршня, разрушение изолятора свечи — в общем, ничего хорошего.


Последствия детонации — поршень оплавлен

Детонация легче всего возникает, когда дроссельная заслонка открыта, а обороты еще малы. В этом случае горючей смеси много, остаточных газов мало, а время, в течение которого смесь подвергается сжатию, максимальное. Поэтому разгон на полном дросселе с малых оборотов опасен для двигателя, но по мере раскручивания мотора детонационные стуки пропадают. Обратная ситуация — автомобиль едет в гору на высокой передаче, дроссельная заслонка открыта, но мощности не хватает. Обороты постепенно падают, и в какой-то момент появляется детонация. Внешними признаками детонации будут черный дым из выхлопной трубы и падение мощности из-за того, что горение происходит не оптимально.

Для прекращения детонации достаточно прикрыть дроссель (то есть уменьшить наполнение цилиндров) или перейти на более низкую передачу (то есть увеличить частоту вращения коленвала), однако, когда речь идет о быстром старте, оба эти метода неприемлемы. Вот поэтому-то гонщики стартуют с уже раскрученным мотором. Обычному же водителю, которому не нужно любой ценой выиграть старт, стоит просто не усердствовать, пиная педаль газа, и не загонять мотор в критические режимы — ремонт нынче дорог. Для предотвращения детонации при нормальном движении (когда нужно ускориться для обгона, например) в двигателе существуют специальные системы, увеличивающие угол опережения зажигания в моменты больших нагрузок. В карбюраторном моторе эту роль выполняет вакуум-корректор, который поворачивает внутреннюю часть трамблера под воздействием разрежения во впускном коллекторе, а во впрысковом эту работу выполняет электроника, часто снабженная датчиком детонации. Этот датчик, кстати, использует для своей работы пресловутый «звон пальцев» — специальный пьезоэлемент, установленный на блоке, ловит, как микрофон, детонационные стуки и подает команды процессору управления увеличить УОЗ. Поэтому современные моторы часто допускают использование бензинов с более низким, чем расчетное, октановым числом (например, 92 вместо 95). Однако не стоит думать, что такая «экономия» пройдет для мотора вовсе не замеченной — кроме детонации существуют и другие режимы неправильного горения.


Температурный режим двигателя очень жесткий

С детонацией часто путают калильное зажигание — а зря, эти процессы сходны лишь тем, что происходят в цилиндре. При калильном зажигании рабочая смесь воспламеняется не от искры на свече, а от высокой температуры. Горение в этом случае происходит нормально, да вот беда — не вовремя. Это равносильно тому, что угол опережения зажигания резко увеличился — само собой, о нормальной работе мотора речь уже не идет. Причем такой режим приводит к еще большему перегреву деталей камеры сгорания, калильное зажигание нарастает, и процесс принимает лавинообразный характер.


Калильное зажигание, отгоревший клапан — поршень на свалку

С калильным зажиганием хорошо знакомы спортивные механики. Ведь наилучшие условия для него возникают при максимальной мощности, когда дроссель полностью открыт, а обороты предельные. Обычный водитель не будет так насиловать свой мотор, а вот для гонщика это — норма жизни. Трудно описать словами ощущение, когда ты летишь к победе, обогнав весь пелетон, осталось полкруга, мотор поет, газ зажат в пол, уже виден финишный флаг — и вдруг двигатель резко сдыхает, тяга падает, загораются красные лампочки на панели. А мимо пролетают, пролетают более удачливые соперники... Обидно, да? Сразу хочется сказать своему механику что-нибудь доброе и светлое. Да он и сам уже ждет тебя на парк-стоянке, чтобы высказать нечто вроде: «Ну что, нехороший человек, убил мотор?» Поэтому, чтобы снизить риск калильного зажигания, в автоспорте используют специальные свечи, а также тщательно полируют камеры сгорания. Ведь несоответствие тепловой характеристики свечи и раскаленные заусеницы в камере повышают вероятность калильного зажигания в разы.


Гоночная свеча очень «холодная», ее изолятор упрятан под юбку и защищен от детонации

Калильным зажиганием иногда по ошибке называют такое явление, как дизелинг. Это загадочное для непосвященного поведение двигателя, когда он как ни в чем не бывало продолжает работать после выключения зажигания. Между тем никакого чуда в этом нет, а есть определенная цепочка событий, которая привела к таком эффекту: двигатель работал в тяжелых, способствующих перегреву режимах, 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. Так, неровно подергиваясь, мотор может агонизировать иной раз до пары минут, пока не остынет настолько, что перестанет происходить самовоспламенение смеси. Кстати, никакого вреда мотору это явление не приносит, но выглядит неприятно. Впрочем, чтобы погасить дизелинг, достаточно нажать от души на педаль газа — большая порция бензина охладит цилиндры, и мотор остановится. На большинстве же современных автомобилей этот эффект и вовсе невозможен — при выключении зажигания подача топлива перекрывается, и воспламеняться от температуры нечему.


Спортивный мотор — дорогая и капризная штука

Естественно, в этой статье описаны далеко не все процессы, происходящие в цилиндре автомобиля. Впрочем, о работе двигателя внутреннего сгорания написаны сотни томов научных и технических книг — если есть желание, можно разбираться глубже. Однако надеюсь, что этот материал поможет читателю не путать детонацию с калильным зажиганием и перестать, наконец, употреблять совершенно безграмотный термин «звон пальцев»!

3 комментария к записи «Звонкие пальцы», или Как оно горит

  1. Павел 02.04.2009 в 19:53 #

    Спасибо! Толково написано.

  2. Banshee 03.04.2009 в 20:51 #

    Вот спасибо! «На пальцах» объяснили, почему движение «внатяг» вредно для двигателя. А то спрашиваешь — отвечают: да, вредно. А почему — непонятно.

    Пишите побольше таких статей, чтобы помочь гуманитариям лучше понять автомобиль 🙂

    • Semiurg 03.04.2009 в 21:26 #

      На здоровье 🙂

      Не переключайтесь — таких материалов будет еще много 🙂