Памятка артиллеристу

ДЕТОНАЦИЯ

Пришедшее из латыни красивое слово «детонация» (по-нашему – взрыв) охватывает множество явлений, без которых человечество и сегодня помаленьку воевало бы разве что холодным оружием. А мы, просвещенные, вон как продвинулись… Любой взрыв, даже мирный, в основе своей разрушительный процесс. Едва появились двигатели внутреннего сгорания, инженеры тут же столкнулись с печальным фактом: в некоторых случаях вместо обычного сгорания в цилиндрах происходят аномальные явления: он работает с резкими, высокого тона металлическими стуками, теряет мощность, перегревается. Такое отклонение от нормы назвали детонацией – ниже вы убедитесь, что неспроста.

ИЛЛЮЗИЯМ ВОПРЕКИ

Кто не встречал красочных описаний того, как в цилиндре от искры «взрывается» рабочая смесь! Не верьте любителям красного словца – при нормальной работе мотора никаких взрывов нет.

Когда сгорание идет «как по писаному» (в учебниках для студентов), давление газов на поршень меняется плавно, мягко – это показано зеленой кривой на рис. 1. Пламя от искры свечи разбегается своеобразным фронтом, постепенно захватывая весь объем камеры сгорания. Скорость движения фронта пламени в современных двигателях при интенсивной турбулизации (завихрении) рабочей смеси – до 50–80 м/с.

У спокойного сгорания свои достоинства: оно хорошо поддается расчету, с ним легче оптимизировать передачу энергии газов поршням, шатунам, коленвалу, трансмиссии, исключив перегрузку деталей, нарушение их смазки, быстрый износ, поломку, опасные колебания и т. д.

«Жесткость» процесса (отношение скорости нарастания давления к углу поворота коленвала) обычно не выше 1,5–2 бар/градус. На графике (рис. 1) об этом можно судить по наклону кривых к горизонтали.

Практически весь заряд в камере сгорания должен сгореть прежде, чем откроется выпускной клапан, а от того, как соотносится этот процесс с углом поворота коленвала, зависят мощность, крутящий момент, экономичность двигателя, поле температур и т. д. Поэтому искра между электродами свечи должна появиться несколько раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки, – это называют опережением зажигания (см. рис. 1). Оно не может быть одинаковым для совершенно различных режимов работы двигателя и должно изменяться в широких пределах. Оптимальный угол опережения зажигания устанавливает автоматика – от простейшей механической до современной электронной.

А теперь об аномальном процессе – детонации. Для острастки начнем с последствий. Они довольно многообразны, но больше всего достается поршням. Примеры – на фото. Механические и тепловые нагрузки, хотя и действуют локально, огромные. Кромки поршней нередко оплавляются, перемычки между кольцами ломаются, достается и кольцам. Детонация повреждает и другие детали: поршневые пальцы, шатунные вкладыши и т. д.

Одна из причин беды – недостаточная детонационная стойкость горючего. Например, бензин АИ-80 (А-76) даже прежним моторам ВАЗа со степенью сжатия всего 8,5 противопоказан. Вы это, конечно, знаете – и на АЗС зальете АИ-92. Для моторов с еще большей степенью сжатия (9,8–10,5) нужен АИ-95. Но кто гарантирует, что вас не надули? Порой в бензобак попадает тот еще коктейль!

Как мы уже отметили, смесь, воспламенившись от искры, сгорает не мгновенно. Фронт пламени постепенно приближается к дальнему углу камеры сгорания (зона 2 на рис. 2), и хотя там еще ничего не горит, давление и температура за счет «поджатия» уже сгоревшей частью заряда становятся выше, что ускоряет ход окислительных реакций. Если топливо не обладает достаточной детонационной стойкостью, в сжатой смеси образуются неустойчивые химические соединения, способные самовоспламениться от малейшего дополнительного «толчка». Но концентрация этих соединений по объему зоны 2 неодинакова: в точке, где они наименее устойчивы, происходит первый локальный взрыв, вокруг которого с огромной скоростью (до 2500 м/с) разбежится ударная волна, скачком поднимающая давление и температуру. Пробегая через другие части заряда, близкие к самовоспламенению, ударная волна легко «поджигает» их, рождая новые волны. За фронтом каждой ударной волны, как за локомотивом, движется детонационная волна, но процесс сгорания не мгновенен, после прохождения волн смесь какое-то время догорает. Тем не менее скорость детонационного сгорания в десятки раз больше обычного (его часто так и называют – «быстрым»).

Кстати, «частокол» на красной кривой (см. рис. 1) – это лишь результат реакции датчика давления на ударные волны и отражения их от стенок. Высокие значения давления действуют локально, а среднее эффективное давление в камере меньше, чем при нормальном сгорании. Результат примерно такой, как при очень резких ударах ювелирным молоточком по головке блока и поршню – следы останутся, а сдвинуть с места массивные детали трудно. Вот эти стуки ударных волн и слышны при детонации. При работе с высокой нагрузкой для некоторых двигателей допускается кратковременная (одна-две секунды) детонация. Длительная же приводит к такому перегреву поверхностей, образующих камеру сгорания, что поршень начинает оплавляться. Также вследствие перегрева может начаться самовоспламенение смеси до появления искры – так называемое калильное зажигание, еще больше подхлестывающее детонацию. В выхлопных газах вы заметите черно-зеленый дым (вылетают частицы металла) – двигателю конец! В лучшем случае его ждет очень дорогостоящий ремонт.

Детонационная стойкость бензина обозначена в его октановом числе. В то же время вероятность появления детонации зависит от конструкции двигателя, так что рекомендации завода-изготовителя по части применяемого топлива игнорировать не стоит. Например, для двигателя ЗМЗ-24-01 («Волга») со степенью сжатия 6,7 оптимальным оказывается бензин АИ-80. Но для двигателя 24Д со степенью сжатия 8,2 он уже неприемлем. Необходим, как минимум, АИ-92.

Но и обратная замена недопустима! При низкой степени сжатия сгорание высокооктанового топлива затягивается, это ведет к перегреву выпускных клапанов и даже их обгоранию. Щедрость здесь неуместна – мотору 24-01 бензины с октановым числом 91 и выше только во вред.

ПОМОГИ МОТОРУ

Как быть, если после заправки в пути началась сильная детонация, заменить дрянной бензин нечем, а доехать нужно?

Вспомним, что еще провоцирует детонацию. Во-первых, увеличенная нагрузка на двигатель: чем сильнее открыт дроссель, тем лучше наполнение цилиндров, больше масса смеси, сжатой в камере сгорания, выше ее давление и температура. Отсюда повышенный риск детонации. К тому же система питания устроена так (ЗР, 2004, № 2), что при больших нагрузках несколько обогащает смесь для получения максимума крутящего момента или мощности – такая горит быстрее и жарче, тоже способствуя детонации.

Каждому следует знать об особенностях двигателя. Неопытный водитель «Жигулей» штурмует подъемы «внатяг» и, даже заслышав стуки, не сбавляет газ. Это верный способ вызвать сильную детонацию и на хорошем бензине: у нее появляется больше времени для развития. Сделаем наоборот: прикроем дроссель, а обороты повысим, перейдя на пониженную передачу.

Но это верно, только если исправен центробежный регулятор распределителя зажигания, иначе детонация возможна и на повышенных оборотах! У моторов переднеприводных ВАЗов с высокой степенью сжатия (9,8–10,5) это бывает и при максимальной мощности – в реве мотора не каждый выделит посторонние стуки. Если услышал – сбавь нагрузку, мощность. Иначе говоря, поезжай медленней.

Следующий фактор – угол опережения зажигания. Уменьшив его, сдвинем максимум давления (синяя кривая на рис. 1) правее, не давая чрезмерно вырасти вблизи ВМТ. Часть мощности потеряем, но побережем двигатель! Электронные системы современных автомобилей по сигналу датчика детонации сами корректируют УОЗ. Естественно, пока исправны. И – в ограниченных пределах. Так, на VAZ 2110 многие сознательно используют АИ-92 вместо АИ-95. Но от опытов с АИ-80 лучше воздержаться.

А вот прием необычный, проверенный «бывалым» на 1,5-литровом моторе VAZ 21083: сместить зубчатый ремень относительно шкива распредвала на один зуб в сторону запаздывания газораспределения. Наполнение цилиндров ухудшается – и детонации нет.

Что еще ей способствует? Конечно, повышенная температура в камере сгорания. А она зависит от теплоотвода: немного перегрелся мотор – и уже отвечает звоном на открытие дросселя. Вывод: пора привести в порядок систему охлаждения.

Вероятность детонации выше, когда на поверхностях, образующих камеру сгорания, много нагара; он тоже ухудшает теплоотвод и несколько повышает степень сжатия. Обычный источник нагара – дешевые масла с высокой зольностью, а порой и бензин туманного происхождения. Надежно избавиться от нагара, не разобрав двигатель, трудно – выходит, ездить на высококачественном масле и бензине зачастую дешевле!