Аккумуляторы в Перми

Сгорание рабочей смеси

Среди процессов, происходящих в двигателе, ключевую роль играет сгораниерабочей смеси. Если оно протекает неэффективно или с отклонениями от нормы, тонеизбежно ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя, а в иныхслучаях возможно и аварийное разрушение его деталей.



Как протекает горение

Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующимобразом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (парыбензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. Внужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуетсяпервичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергиякоторого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зонетоплива.

От первичного очага пламя начинает распространяться на окружающую рабочуюсмесь; фронт этого пламени имеет вид ламинарного (ровного, незавихренного) слоятолщиной меньше миллиметра, движущегося вначале с небольшой скоростью. Однакоона быстро нарастает, поскольку остающиеся за фронтом сгоревшие газы, имеющиетемпературу около 2000°К, расширяются. Удаляясь от свечи, где рабочая смесьотносительно спокойна (пристеночная зона), и приближаясь к центру камерысгорания, пламя достигает турбулизованной (завихренной) зоны топливного заряда.Здесь фронт пламени начинает дробиться и приобретает ячеистую структуру, гдеучастки горения перемежаются со свежей смесью и продуктами сгорания. Толщинатакого турбулентного слоя становится равной нескольким сантиметрам, а скоростьего распространения измеряется десятками метров в секунду, находясь в прямойзависимости от скорости движения газов внутри камеры.

Нужно заметить, что нормальная работа двигателя в широком диапазоне частотвращения коленчатого вала обеспечивается именно тем, что скорость турбулентногопламени возрастает пропорционально увеличению скорости движения поршня. Когдаже пламя проходит через весь объем камеры, горение в ней постепеннопрекращается, а образовавшиеся горячие газы начинают расширяться, перемещаяпоршень вниз и тем самым, совершая полезную работу. Чем выше температура идавление этих газов, тем больше отдача мощности.

Этот процесс обеспечивает наибольшую эффективность двигателя, расчетный уровеньрасхода топлива и токсичности отработавших газов. Но, к сожалению, так бываетне всегда. При определенных условиях ход процесса может нарушаться, вызываяразные по тяжести последствия - от неприятных ощущений у водителя до серьезногоповреждения двигателя.

Прежде всего, конечно, бензин, его характеристики, соответствие данномудвигателю. Современный товарный бензин представляет собой сложную смесь разныхуглеводородов, а также специальных присадок. Кроме основного свойства -стойкости к детонации, что определяется октановым числом, бензин долженобладать и другим - не иметь склонности (разумеется, в определенных условиях ипределах) к самовоспламенению и калильному зажиганию, к нагарообразованию.

Процесс сгорания существенно зависит от состава горючей смеси. Общая зависимость(при наивыгоднейшем опережении зажигания) такова: наибольшая температура идавление газов в камере сгорания достигаются при слегка обогащенной смеси.Дальнейшее ее обогащение и обеднение снижает температуру.

Отклонение угла опережения зажигания от оптимальной величины тоже оказываетпрямое влияние. Увеличение угла повышает температуру внутри камеры и можетдовести ее до уровня, опасного для расположенных там деталей. При позднемзажигании температура в камере снижается, но на выпуске - возрастает. Это, вчастности, ужесточает тепловой режим работы выпускного клапана.

Любой перегрев деталей, расположенных в камере сгорания, может нарушитьнормальное протекание процесса горения топлива. Детонация.

Появление детонации происходит по следующей схеме. При распространении фронтапламени несгоревшая рабочая смесь подвергается сжатию : сгоревшие газы позадифронта пламени действуют на нее подобно поршню. Если при этом давление итемпература превысят критические для данного топлива величины, создаютсяусловия для самовоспламенения, которое называют детонационным. Его характерныйпризнак - взрывная скорость распространения пламени. Принято считать, что этоявление связано с образованием перекисей в каких-то участках камеры сгоранияпод действием высокого давления и температуры. Данный химический процесстребует определенного времени, поэтому, как правило, он происходит в зонах,наиболее удаленных от свечи и дольше всего подвергающихся действию сильногодавления. Способствует этому, и прогрев рабочей смеси горячими стенками камеры,что сильнее всего сказывается в узких щелях. Понятно также, что детонация темвероятнее, чем выше степень сжатия. Когда часть заряда детонирует, образуютсяударные волны, которые распространяются со скоростью до 1000 м/с и "бьют"в стенки камеры сгорания. Напрямую разрушить их они не могут, но передают частьсвоей кинетической энергии, вызывая местные перегревы и вибрацию. Еслидетонационное сгорание происходит достаточно долго, обгорают или разрушаютсяметаллические детали, чаще всего поршень, свеча или клапан.

Детонация наиболее вероятна, когда двигатель работает с полностью открытойдроссельной заслонкой, а частота вращения коленчатого вала мала. В этом случаенаполнение цилиндров свежей смесью максимальное, остаточных газов мало, а время,в течение которого отдаленные от свечи части заряда подвергаются воздействиюдавления и температуры, наиболее велико и достаточно для образования перекисей.Наглядное проявление этого положения знакомо каждому водителю. Если во времяразгона с малой начальной скорости при полностью открытой дроссельной заслонкеотчетливо слышны звонкие детонационные стуки, то это лишь вначале, а придостижении определенной скорости они пропадают. Или наоборот, когда автомобильдвижется на подъем с замедлением (дроссельная заслонка опять-таки полностьюоткрыта), то вначале детонации нет, а при падении скорости до какой-то величиныона может появиться. В подобных случаях для прекращения стуков достаточноприкрыть дроссель (уменьшить наполнение цилиндров) или перейти на пониженнуюпередачу (ускорить вращение коленчатого вала).

Характерными внешними признаками детонации являются повышенное дымлениедвигателя - 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 двасовершенно разных явления. При калильном зажигании рабочая смесь воспламеняетсянакаленной поверхностью какой-то детали в камере сгорания. Теоретическиразличают два случая калильного зажигания: до возникновения искры в свече ипосле. Но дальше речь пойдет только о первом, поскольку именно с ним мы имеемдело на практике и именно он представляет реальную опасность для двигателя.

При калильном зажигании горение протекает нормально, но преждевременно; эторавносильно тому, что угол опережения самопроизвольно увеличился по отношению коптимальному. А такое положение, как мы уже говорили, ведет к недопустимомуросту температуры деталей в камере сгорания. Вследствие этого фактическиймомент зажигания становится еще более ранним, иными словами, процесссамоускоряется. При появлении калильного зажигания мощность двигателя внезапнои резко падает и , если не отреагировать на это снижением нагрузки, перегретыедетали будут повреждены.

Наиболее вероятно калильное зажигание от перегретой свечи; это бывает, когдасвеча по тепловой характеристике не соответствует данному двигателю. Источникомэтого неприятного явления также могут быть выпускной клапан или поршень; имдостаточна меньшая температура, чем у свечи, поскольку поджигающая способностьзависит не только от степени нагрева, но и от величины поверхности детали. Чембольше площадь ее контакта со смесью, тем при меньшей температуре возникаеткалильное зажигание.

Самые благоприятные условия для появления калильного зажигания - режиммаксимальной мощности, когда дроссель полностью открыт, а обороты предельные.Но для обычной эксплуатации это нетипично, с таким режимом в основном имеютдело спортсмены.

Факторами, способствующими повышенному нагреву деталей в камере сгорания и ,следовательно, возникновению калильного зажигания, являются: чрезмерно раннееискрообразование; мощностной, обогащенный состав рабочей смеси; плохоеохлаждение цилиндров. Здесь же нужно упомянуть о вреде заусенцев в камересгорания, особенно на электродах свечи. Вспышки при выключенном зажигании

Если калильное зажигание присуще работе двигателя в режиме максимальноймощности, то совершенно очевидно, что этим явлением нельзя объяснить егосамопроизвольную работу в течение некоторого времени после выключениязажигания. В данном случае имеет место самовоспламенение топлива, подобно тому,как это происходит в дизелях. Наиболее характерна следующая цепочкаобстоятельств. Автомобиль двигался в условиях, способствующих повышенномунагреву деталей двигателя.

После остановки дроссельную заслонку закрыли, зажигание выключили. Коленчатыйвал по инерции еще поворачивается, и в один из цилиндров попадает рабочаясмесь, которая при медленном сжатии успевает прогреться до температурысамовоспламенения. За этим, естественно, следует рабочий ход, который вызываетпротекание такого же цикла в другом цилиндре. Подобная медленная и дерганая,неравномерная работа двигателя продолжается от нескольких секунд до двух-трехминут (такие предельные сроки наблюдались), то есть до тех пор, пока остываниемотора не ликвидирует условия для самовоспламенения топливного заряда.

Только ли нагрев камеры сгорания повинен в возникновении этого "дизельногопроцесса"? Нет, большую роль здесь играют нагретые отработавшие газы, визобилии остающиеся в цилиндре от предыдущего цикла, ибо при очень небольшойчастоте вращения очистка цилиндров крайне плоха. Эти газы смешиваются со свежейсмесью, и сильно прогревают ее, способствуя самовоспламенению. Кстати, стольбольшое разбавление заряда остаточными газами исключает появление детонации,поэтому описываемый процесс, несмотря на всю свою неупорядоченность, для моторабезопасен. Но на водителя, как мы знаем, производит гнетущее впечатление.

Радикальный способ борьбы с данным явлением - установка в карбюратореэлектромагнитного клапана, отключающего подачу топлива через систему холостогохода при выключенном зажигании. Такие клапаны серийно устанавливаются на многихмоделях "Жигулей". Другие, более простые способы основаны на самойсути процесса. Так, если после выключения зажигания ненадолго и глубоко нажатьна педаль газа, то в цилиндры поступит полновесный заряд свежей смеси, которыйохладит стенки и устранит условия самовоспламенения. Примерно того же эффекта иногдадостигают изменением регулировки холостого хода, но при этом нельзя отклонятьсяот пределов, обеспечивающих нормы токсичности выхлопных газов при обычнойработе двигателя на холостом ходу.
Влияние нагара
Все было бы достаточно просто, если бы аномалии, о которых говорилось,существовали каждая сама по себе. Однако тот факт, что на стенках камерысгорания в той или иной степени всегда есть нагар, существенно искажает"классическую" картину.

Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен, аво-вторых - увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, создаютболее благоприятные условия для срыва нормального процесса горения. Более того,нагар может оказывать известное каталитическое действие и вызыватьсамовоспламенение рабочей смеси, а это во многом затрудняет диагностированиеаномалий.

И еще. При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинаетразрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт состенкой, легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бываети так, что чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камерысгорания, а остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь всамый неопределенный момент даже на впуске. Так порождаются; "дикие"стуки, не поддающиеся никакой логике и классификации. Правильно учитывать всеэти явления могут помочь только опыт и вдумчивый подход к вопросу.

Для борьбы с отложениями (нагаром) в мировой практике получили широкоераспространение специальные добавки к бензину, которые периодически вливают вбак. Ведется работа по созданию такой добавки и у нас. Пока же наиболеедоступным 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.
Что следует из теории.
Вряд ли есть необходимость в каких-то развернутых выводах - они естественноследуют из самой сути рассмотренных положений. Но, видимо, краткое и пустьнесколько упрощенное резюме все же может быть полезным. Оно сводится кследующему.
Если во время форсированной езды по автомагистрали в двигателе прослушиваютсякакие-то непонятные стуки - это не детонация. Логичнее объяснить ихсамовоспламенением топлива из-за перегрева двигателя или обильного нагара вкамерах сгорания.
Если стуки появляются на переменных режимах, скажем, при городской езде, то некалильное зажигание тому виной.

И, наконец, не нужно панически бояться вспышек в моторе после выключениязажигания. Но и терпимо относиться к ним не следует, способы прекратить их,были перечислены в тексте.