"О зажигании"

О зажигании и других малоприятных вещах, связанных с качеством бензина.

Поездка окончена, вы выключаете зажигание, но двигатель, только вошедший во вкус движения на высокой скорости, начинает трясти весь автомобиль и не думает останавливаться. А может быть, он возмущается, что залили низкооктановый бензин? «Калилка или детонация», — заявляют некоторые спецы. Нет, это самый безобидный вид аномального процесса сгорания, аналогичный дизельному процессу, — работа с самовоспламенением.

Отрицательные явления и как с ними бороться

С этим процессом легко справиться. Для этого в карбюраторах устанавливался электромагнитный клапан «антидизель», перекрывающий топливный жиклер холостого хода (карбюраторы ДААЗ-2103, 2106 и большинство зарубежных карбюраторов). Для снижения выброса токсичных веществ на двигатели автомобилей «УАЗ», «ВАЗ», «ЛуАЗ» и др. стали устанавливать карбюраторы с экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ), отключающим подачу топлива при торможении двигателем, а заодно и при выключении зажигания. Так что проверьте — действуют ли эти устройства, и не нужно будет включать скорость и нажимать на тормоз, чтобы «укротить» подпрыгивающий двигатель. И тем более нельзя без крайней необходимости отключать ЭПХХ. Но как быть с двигателем, не имеющим этих устройств? Иногда достаточно винтом количества уменьшить частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу: давление и температура заряда в конце сжатия снизятся и двигатель будет сам останавливаться. Теперь перейдем к более неприятному виду аномального процесса сгорания — детонации. Именно она ограничивает величину степени сжатия, а ведь повышение степени сжатия и приводит к увеличению индикаторного коэффициента полезного действия, а следовательно, к улучшению мощностных и экономических показателей. Детонация — это почти взрывное сгорание наиболее удаленной от свечи остаточной части топливовоздушного заряда в основном объеме камеры сгорания. После воспламенения рабочей смеси от искры фронт пламени распространяется по камере сгорания, давление и температура в этой части заряда растут до 50–70 бар и 2000–2500°С, в ней происходят предпламенные химические реакции. При невысокой частоте вращения коленчатого вала, особенно в двигателях с большим диаметром цилиндров, время на эти реакции иногда оказывается достаточным, чтобы остаточная часть заряда мгновенно сгорела с высокими скоростями (до 2000 м/с). Обычно детонация возникает в зоне наиболее нагретой части камеры сгорания, например у выпускного клапана. Детонационное сгорание вызывает появление ударных волн, распространяющихся по камере сгорания с высокой скоростью, объясняя появление металлических стуков, иногда неправильно называемых стуком пальцев. Ударная волна, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой, способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев. Работа с сильной детонацией приводит к общему перегреву двигателя, ухудшению мощностных и экономических показателей. При длительной езде с интенсивной детонацией начинаются эрозия стенок камеры сгорания, оплавление и задиры поршня, повышенный износ верхней части цилиндра из-за срыва масляной пленки, поломка перемычек между канавками поршневых колец и задиры зеркала цилиндра, прогар прокладки. При работе с детонацией происходит отслоение частиц нагара от стенок камеры сгорания. Смесь преждевременно воспламеняется от тлеющих частиц нагара, появляются глухие стуки. Этот вид аномального сгорания называется грохотом, и возникает он чаще при длительной эксплуатации двигателя на этилированном бензине. После непродолжительной работы с грохотом он прекращается и может опять появиться детонация.

О марках бензина и его составе

Наиболее частыми причинами появления детонации являются слишком раннее зажигание, применение низкооктанового бензина, не соответствующего данному двигателю, перегрев двигателя. Октановое число (ОЧ) бензина определяется при его производстве на специальных одноцилиндровых установках с изменяемой на ходу степенью сжатия. При испытании товарного бензина выбирается режим, соответствующий началу детонации. Затем подбирается смесь эталонных топлив, при которой детонация возникает при тех же условиях. Процент изооктана (100% октанового топлива) в этой смеси равен ОЧ выпускаемого топлива. Существуют два режима испытаний: по моторному и исследовательскому методам, которые отличаются частотой вращения (900 и 600 об/мин), углом опережения зажигания и режимом подогрева смеси (145° С и без подогрева). Поэтому ОЧ одного и того же бензина по моторному методу (например, А-76) получается ниже, чем по исследовательскому (АИ-80). В обозначении ОЧ бензина по исследовательскому методу добавляется буква «И». Разница между ОЧ по исследовательскому и моторному методам (чувствительность) зависит от химического состава топлива, определяемого технологией производства, и находится в пределах от 4 до 10 единиц октановой шкалы. Если ОЧ в производстве оказывается ниже заданного, в бензин добавляют высокооктановое топливо (алкилат, ароматические углеводороды) или антидетонационные присадки: тетраэтилсвинец (ТЭС), тетраметилсвинец (ТМС), марганцовистые присадки (ЦТМ), метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ) и др. Бензины с наиболее токсичными присадками ТЭС и ТМС запрещены в крупных городах РФ. Кроме того, на автомобилях с каталитическим нейтрализатором и кислородным датчиком достаточно проехать несколько сот километров на этилированном бензине (с присадкой ТЭС или ТМС), чтобы вывести их из строя. Этилированные должны выпускаться с добавкой красящего вещества. Однако это требование иногда нарушается. Для определения наличия свинца в бензине существует индикаторная бумага, при нанесении на которую бензина со свинцом в течение одной минуты появляется розово-малиновое пятно. При добавке ЦТМ даже после небольшого пробега (до 5000 км) может произойти шунтирование изолятора свечи и выход ее из строя. Внешне изолятор кажется чистым, но на нем появляется еле заметная полоска марганца. Слишком большая присадка МТБЭ (свыше 10%) иногда приводит к нарушению регулировочных параметров двигателя. Чаще всего используется добавка ароматических углеводородов — продукта переработки низкооктановых фракций топлива в высокооктановые. При использовании некоторых антидетонационных присадок неизвестного происхождения, имеющихся в продаже, могут появиться признаки нарушения рабочего процесса: уменьшение мощности, снижение давления наддувочного воздуха и др.

Конструктивные изыски

Одним из способов снижения требований к ОЧ топлива является повышение площади вытеснителя (объема, расположенного между днищем поршня и плоскостью головки цилиндров) с целью турбулизации заряда для увеличения скорости сгорания. Этот способ был использован на двигателях автомобилей «УАЗ», в которых удалось без изменения требований к ОЧ топлива поднять степень сжатия на 0,5, за счет чего расход топлива уменьшился на 5–7%, а мощность увеличилась на 4–5%. У двигателей УЗАМ-331 и у некоторых двигателей грузовых автомобилей для создания вихревого движения заряда перед впускным клапаном канал выполнялся улиткообразным. Однако при высоких скоростях смеси это приводило к увеличению сопротивления и соответственно снижению мощностных показателей. Поэтому последние модели двигателей УЗАМ выпускаются с обычным впускным каналом. У современных двигателей степень сжатия выбирается так, чтобы при низкой частоте вращения детонация начиналась не при оптимальных углах опережения зажигания, а при более поздних углах, соответствующих падению мощности до 10%. Зато на всех остальных режимах за счет повышенной степени сжатия достигаются снижение расхода топлива и увеличение мощности. При массовом производстве двигателей за счет отклонения размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и объема камеры сгорания фактическая степень сжатия двигателя одной модели может отличаться на значительную величину (в пределах одной единицы). Поэтому для автомобиля одной и той же модели часто требуются бензины с разным октановым числом. Фактическую степень сжатия приблизительно можно определить при помощи компрессометра.

Бензины бывают разные

Нет единообразия и в бензинах одной марки. Для водителя важно знать не заводское, а фактическое октановое число (ФОЧ) или лучше дорожное октановое число (ДОЧ), т. е. октановые числа товарного бензина, определяемые на каждом конкретном типе двигателя по сравнению с эталонным топливом. Обычно в зависимости от химического состава одной и той же марки его ФОЧ и ДОЧ изменяются в широких пределах. У бензинов, получаемых прямой гонкой и имеющих низкую удельную массу (0,72 т/куб. м), значение ФОЧ приближается к показателям по исследовательскому методу. Бензины с высоким содержанием ароматических углеводородов (до 35–40%) и высокой удельной массой (до 0,77 т/куб. м) имеют низкие значения ФОЧ и ДОЧ, близкие к данным моторного метода. При работе на таком бензине нередко возникает детонация, приходится часто переходить на понижающие передачи, увеличивается эксплуатационный расход топлива. Кроме того, скорость сгорания смеси зависит от химического состава топлива. Иногда даже топливо одной марки требует установки разных углов опережения зажигания. Обычно высокооктановое топливо прямой гонки имеет меньшую скорость сгорания и требует установки более ранних углов опережения зажигания. На скорость сгорания смеси влияет и состав смеси, а ведь каждая система питания даже в пределах производственных допусков имеет свою регулировку и, следовательно, требует корректировки установки прерывателя. Что же делать при такой нестабильности в октановых числах, составе топлива, различиях в регулировках карбюраторов и фактической степени сжатия? Не переставлять же после каждой заправки прерыватель для изменения угла опережения зажигания? Нужно устанавливать октан-корректор с ручным управлением переключателем, располагаемым на щитке приборов. Предположим, вы заправились бензином с низким ФОЧ. При появлении детонации, обычно во время разгона на полных нагрузках, водитель на ходу постепенно (по одному щелчку) перемещает характеристику автомата опережения зажигания в сторону более поздних углов до момента, когда во время разгона детонация будет появляться кратковременно. После заправки высокооктановым бензином необходимо вернуться на характеристику с более ранними углами опережения зажигания. Необходимо иметь в виду, что длительная езда со слишком поздним зажиганием приводит к повышению температуры отработавших газов, а следовательно, к перегреву выпускного коллектора и прогару выпускных клапанов. Поэтому предельная задержка углов опережения зажигания не превышает 12–16 градусов, причем с такой задержкой не допускается длительная эксплуатация. В настоящее время выпускается много различных моделей октан-корректоров ЭК-1, ЭК-2, КДД-1, «Мультитроникс SG», «Пульсар», «Сонар», «Импульс», VL-11 и др. Существуют системы, снижающие угол опережения зажигания только при малых и средних частотах вращения коленчатого вала, опасных с точки зрения возникновения детонации. Преимуществом этих систем является сравнительно небольшое ухудшение топливной экономичности при работе на бензине с пониженным октановым числом, однако при высоких частотах есть опасность возникновения калильного зажигания. Большинство октан-корректоров предусматривает предварительную установку более ранних углов опережения зажигания, чтобы иметь возможность регулировать углы не только в сторону запаздывания, но и опережения. Однако это может ухудшить пуск, т. к. вносимая корректором временная задержка при малом числе оборотов слишком мала. Помимо изменения характеристики угла опережения зажигания многие из них обеспечивают улучшение пусковых свойств путем перехода на многоискровый режим. В некоторых системах предусмотрена возможность отключения октан-корректора («Импульс», VL-11). Этим отключателем можно пользоваться при пуске двигателя или при выходе из строя октан-корректора. Применение октан-корректора на автомобилях, оборудованных системой питания на бензине и на сжиженном газе, позволяет при переходе с одного топлива на другое быстро устанавливать оптимальные углы опережения зажигания. Наибольшее количество дополнительных функций имеют комбинированная система зажигания «Октан» для контактных систем зажигания и «Октан-4» для бесконтактных систем зажигания. В них предусмотрены защита от пуска посторонним лицом, во время пуска увеличение энергии искры при пониженном напряжении аккумулятора, увеличение количества искровых разрядов до 14, подключение тахометра, динамическая коррекция характеристики центробежного автомата опережения зажигания. «Октан-4Е», кроме указанных выше функций, позволяет вносить коррекцию в программу управления ЭПХХ, а при превышении допустимого напряжения предупреждать водителя звуковым сигналом.

Работает электроника

При выборе электронной системы зажигания следует обращать внимание на то, чтобы его система соответствовала системе зажигания вашего автомобиля (контактная, бесконтактная, система с датчиком Холла или индукционным датчиком), числу цилиндров и другим показателям. Наибольший эффект обеспечивается при применении микропроцессорных систем зажигания с датчиком детонации. Это позволяет дополнительно увеличить степень сжатия, исключает потери, возникающие за счет необходимости создавать некоторый запас по величинам углов опережения зажигания для компенсации возможных отклонений в характеристиках опережения зажигания, изменениях атмосферных условий, температурного режима двигателя, величин ФОЧ и др. Фиксация появления детонации может производиться различными способами: по изменению уровня вибраций, по появлению высокочастотных колебаний в конце сгорания, по изменению ионизационных токов на электродах свечи и др. Основные проблемы при создании систем зажигания с датчиком детонации заключаются в исключении его срабатывания от посторонних шумов и вибраций (например, от посадки на седло выпускного клапана в другом цилиндре). Необходимо добиться фиксации детонации от всех цилиндров, возможности работы в условиях высоких температур (до 250°С) и уровне вибраций до 15g. Для современных двигателей преимущественно применяются пьезокварцевые датчики, закрепляемые шпилькой с гайкой или болтом на головке блока, на цилиндре или даже на впускном трубопроводе. Основными элементами являются пьезокварцевые кольца, в которых при появлении высокочастотных колебаний возникает электрический потенциал. Датчик — неразборный. При появлении детонации электронный блок производит постепенное ступенчатое смещение угла опережения зажигания (обычно на 4–5) до прекращения детонации. Затем угол опережения зажигания увеличивается до появления детонации. Величина угла опережения зажигания имеет пилообразный характер в зоне на пределе детонации. Максимальное смещение угла, так же как и при применении октан-корректора, не превышает 15–20. Если происходит отключение датчика детонации, то электронный блок автоматически переходит на заданную программу в зависимости от числа оборотов и нагрузки. В этом случае возможно появление детонации, как в обычном двигателе. Датчик детонации применяется в двигателях с микропроцессорными системами управления: в двигателях УМЗ автомобилей «УАЗ» с впрыском бензина, в 16-клапанных двигателях ЗМЗ-4062.10 и их модификациях автомобилей ГАЗ «Волга», «Газель», «Соболь» и ряде двигателей ВАЗ. В настоящее время на них устанавливается датчик детонации пьезоэлектрического типа БОШ-0261231046 или его аналоги. На двигателях УМЗ датчик детонации установлен между вторым и третьим цилиндрами, у двигателей ЗМЗ — на блоке цилиндров у четвертого цилиндра под впускным трубопроводом. Наиболее опасный вид аномального процесса сгорания — калильное зажигание, приводящее к прогару или задиру поршней, обгоранию электродов свечей.

Журнал «4×4 Club»