ЕЕ НАЗЫВАЛИ "СТУКОМ ПАВ разговорах нередко и сейчас так "величают" детонацию - неприятное явление, наверняка знакомое владельцам автомобилей с бензиновым двигателем. На самом деле поршневые пальцы здесь ни при чем - от ударов детонационной волны звенят сами поршни, стенки камеры сгорания. Как возникает детонация, что предлагают и делают конструкторы для ее предупреждения, рассказывает Аркадий АЛЕКСЕЕВ. Еще на заре автомобилестроения было известно, что повышения мощности можно добиться, увеличивая степень сжатия двигателя, а наименьший расход топлива получается при работе мотора на бедных смесях. Тогда же обнаружилось и ограничение - при попытке таким образом улучшить работу двигателя возникало явление, приводившее зачастую к поломке агрегата. Звонкий стук в верхней части мотора, а также вид причиненных повреждений - пробитые поршни, сломанные кольца - дали основание назвать процесс, который являлся "виновником" происшедшего, детонацией (от французского "взрыв"). В нашей автомобильной литературе того времени рекомендации по борьбе с детонацией выглядели примерно так: "Для этого мотора желательно применять тяжелый бакинский бензин. При отсутствии такового можно добавить в топливо небольшое количество йода". Чем-то похоже на алхимию, не правда ли? С тех пор многое изменилось - появилась и развивается теория детонации, а в арсенале конструкторов немало решений, позволяющих избежать этого нежелательного явления. Детонация, так же как и горение процессы волновые. Рассмотрим схему перехода нормального "медленного" горения топлива, тем выше вероятность детонации. Понизить скорость сгорания можно, вводя в топливную смесь инертные (по отношению к горению) газы. Они, как говорится, под рукой - выходят из выхлопной трубы. Их и используют в известных системах с рециркуляцией газов, которые в двигателях с высокой степенью сжатия позволяют применять обедненные смеси, что снижает выброс в атмосферу вредных веществ. Попытки для этой цели ввести в камеру сгорания воду успехом пока не увенчались. Точное дозирование, зависящее от нагрузки, оборотов и температуры двигателя, задача нелегкая (по сути, специальный "водяной" впрыск!). Есть также другие разработки, позволяющие вводить воду непосредственно в состав бензина. Как известно, "просто так" эти вещества не смешиваются, поэтому изучают специальные комплексы присадок к бензину, создаютРис. 4. Схема подачи обогащенной смеси к свече ("Хонда"): 1 - форкамера; 2 - свеча зажигания; 3 - клапан форкамеры; 4 - канал вентиляции форкамеры; 5 - впускной клапан; 6 камера сгорания.Рис. 1. Схема детонационной волны.5ШКольцевой вытеснительРис. 2. Кольцевой вытеснитель на поршне ("Фольксваген-Гольф").в детонацию. Итак, перед движущимся от свечи фронтом пламени распространяются волны сжатия (поскольку давление горячих продуктов реакции выше давления смеси). Волну сжатия "гонит" перед собой также и движущийся вверх поршень. Взаимодействие этих волн, их отражение от стенок камеры сгорания формирует ударную волну, которая распространяется по несгоревшей еще смеси. При этом последняя прогревается настолько, что происходит воспламенение. И если при обычном горении скорость перемещения фронта пламени (20 - 30 м/с) определяется теплопроводностью смеси, то при детонации это - скорость распространения ударной волны (до 2000 - 3000 м/с), которую поддерживает энергия сгорания топлива. Собственно, этот сложный комплекс и называется детонацией (рис. 1). Повреждения, вызванные ударной волной, - а на ее фронте давление превышает 70 кгс/см 2 - не единственный вред от детонации. Кроме этого, двигатель перегревается из-за нарушения нормального процесса сгорания. Мощность падает, а энергия топлива используется не более чем наполовину, расход его возрастает. Возможность появления детонации в значительной мере связана со скоростью сгорания топлива, которая, в свою очередь, зависит от давления, температуры и состава смеси; при этом чем выше скорость сгорания и теплотворная способность данногоРис. 3. Камера сгорания в головке блока цилиндров ("Ягуар" V-12): 1 - свеча зажигания; 2 - впускной клапан; 3 - выпускной клапан. 42 ЗА РУЛЕМ 6/96ультразвуковые смешивающие установки и т.д. В ходе отечественных исследований подобного топлива (его представляли как "аквазин") было экспериментально выяснено, что обычный серийный двигатель с искровым зажиганием способен работать на водно-бензиновой эмульсии с содержанием воды до 50%. Но высокая температура замерзания и, особенно, коррозионная активность воды, сокращающая ресурс двигателя, - все еще не устраненные недостатки подобных разработок. Собственно, если уж браться за топливо, можно вообще заменить бензин, например, на газ или спирт. Октановое число газа превышает 98 единиц. Двигатели, предназначенные для работы на спирте, выпускаемые, в частности, в Бразилии, имеют степень сжатия около 12 и намного экономичней бензиновых собратьев. Например, "Фольксваген-Гол" с двигателем 1,6 л расходует 12,5 литра бензина, а со "спиртовым" мотором того же объема и той же мощности - 9,6 литра. И все же эти ТехникаПЬЦЕВ"...виды топлива проигрывают бензину в распространенности. Использовать газ сложнее, чем жидкие топлива, а для перевода автопарка Бразилии на спирт потребовалось бы занять плантациями сахарного тростника всю территорию страны. Применение в качестве топлива водорода, изучаемое некоторыми фирмами, также пока проблематично из-за сложностей с хранением, дозированием и подачей в цилиндры этого газа. Поскольку реальной альтернативы бензину пока нет, перейдем к поведению топливной смеси в цилиндре. Один из пионеров исследования процессов в двигателе, английский инженер Г. Рикардо определил несколько условий, снижающих риск детонации. В камере сгорания - это возможно меньшие линейные размеры и отсутствие зон, куда оттесняется несгоревшая смесь; достаточное охлаждение даль-Рис. 5. Схема сгорания смеси при непосредственном впрыске: 1 - горящий топливный заряд; 2 свеча зажигания; 3 форсунка впрыска топлива. Стрелкой указано направление вращения смеси.них от свечи частей камеры и, соответственно, расположение свечи в наиболее горячей зоне - вблизи выпускного клапана. Влияние формы камеры сгорания на рабочий процесс в двигателе можно пояснить на примере. Общеизвестна склонность к детонации двигателей УЗАМ, имеющих степень сжатия 9,5. Мотор ВАЗ-2108 со степенью сжатия 9,9 в тех же режимах и на том же бензине не детонирует. Дело, в частности, в том, что клиновая камера ВАЗ (кстати, доведенная на фирме "Порше") по сравнению с полусферической "москвичовской" отличается более мягким процессом сгорания. Большое значение имеет турбулизация смеси - придание ей интенсивного вращения, при котором давление выравнивается, а фронт пламени разбивается на участки. При этом воспламенение происходит в нескольких частях камеры сгорания и детонация не возникает. Некоторые изобретатели, восприняв эту идею чересчур буквально, принялись городить во впускном трубопроводе всевозможные "завихрители". И напрасно - это только дросселирует поток и обедняет смесь, поскольку капельки топлива отбрасываются к стенкам впускного трубопровода. Завихрение-то необходимо в цилиндре, а не вне его! А для этого в поршнях нередко делают специальныевытеснители (рис. 2). Иногда камеру сгорания небольшого диаметра выполняют в головке блока цилиндров (рис. 3), поскольку здесь проще охлаждать ее стенки. Отечественными изобретателями предложено несколько типов поршней, в которых головка и юбка являются отдельными деталями и соединены пружиной. В частности, подобная конструкция разработана и испытана рязанским изобретателем Николаем Егиным. Такие поршни адаптируются к процессу сгорания, уменьшая возможность детонации. Но вот изготовление их довольно сложно. Интересно, что похожая конструкция изучается в Институте нефтехимического синтеза АН, но только для дизелей - здесь аэродинамическая пружина сглаживает пиковые нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма, позволяя делать их гораздо меньшими по размеру и массе. Для надежного воспламенения смесь в районе свечи должна быть близка по составу к нормальной, а остальной объем камеры сгорания может заполняться бедной смесью. Например, в одном из двигателей фирмы "Хонда" есть дополнительный впускной канал с отдельным клапаном, через который и подается обогащенная смесь к свече (рис. 4). Для получения этой обогащенной смеси служит отдельная камера карбюратора. Еще более перспективен непосредственный впрыск топлива в цилиндры. Эксперименты с подобной системой питания велись последние годы на многих фирмах (в частности, на "Форде"). Пока ближе всех к решению проблемы подошла японская "Мицубиси", которая обещает в ближайшее время выпустить двигатель, работающий на сверхбедной смеси с массовым соотношением топлива и воздуха 1:40. Однако известно, что смесь такого состава не горит. Противоречие? Ничуть. Дело в том, что средняя величина "40" скрывает секрет распределения топлива по цилиндру. Впрыск начинается в конце такта сжатия, причем направлен в район свечи зажигания. Здесь находится смесь нормального состава, и она легко поджигается свечой. А вот остальная часть камеры сгорания при небольшой нагрузке заполнена не топливной смесью, а воздухом, и никакого горения здесь не происходит (рис. 5, для наглядности мы не учитываем турбулизацию смеси). Согласитесь, довольно похоже на процесс в обычном дизеле. Соответственно, и экономичность на уровне лучших дизельных моторов. Система зажигания также играет немалую роль для предупреждения детонации. Современные микропроцессорные системы управления двигателем определяют детонацию с помощью установленных вблоке пьезоэлектрических датчиков и автоматически корректируют состав смеси и опережение зажигания. Но речь, конечно же, не только о них. Создаются современные конструкции, в которых смесь поджигается сразу в достаточно большой области. Наиболее простая из таких систем применяется на некоторых моторах фирмы "Ниссан" (в частности, на автомобилях "Ниссан-Прерия"). Здесь в каждом цилиндре работает по две свечи. Как показывает практика, эти двигатели, действительно, достаточно терпимы к качеству топлива. Другое решение - форкамерно-факельное зажигание, скажем, в двигателе ГАЗ-3102. Богатая смесь поджигается свечой в отдельной полости - форкамере и, расширяясь, выталкивается через небольшое отверстие в камеру сгорания. При этом образуется множество очагов воспламенения и смесь, даже довольно бедная, сгорает без проблем. Одна из трудностей метода - обеспечить хорошее наполнение форкамеры. Например, в двигателях 'Тойота" конструкторы для лучшей ее вентиляции применили специальный "клюв",Рис. 6. Турбулизатор на входе в форкамеру ("Тойота"). Рис. 7. Свеча системы плазменного зажигания.буквально втягивающий в полость завихренную смесь (рис. 6). Наконец, нельзя не сказать о плазменном зажигании. Здесь дуговой разряд в специальной свече (рис. 7) продолжается дольше, чем в обычной системе, и имеет гораздо более высокую энергию. Воздух вблизи электродов при этом ионизируется и разогревается, по сути, до состояния плазмы, легко поджигая даже очень бедные топливные смеси до соотношения топливо - воздух 1:27. В таком двигателе, так же как ив моторе с непосредственным впрыском, нет необходимости в дроссельной заслонке, а управляют им только изменением количества топлива. Применение системы плазменного зажигания сдерживается, в частности, недостаточной надежностью и долговечностью свечей. Таким образом, борьба конструкторов с детонацией продолжается. Появляются все новые и новые технические решения, позволяющие использовать бедные смеси при высокой степени сжатия в цилиндрах. ЗА РУЛЕМ 6/96 43