Ох уж эта детонация!

Вспомним для начала школьную скамью и то, как преподаватель красочно объяснял работу двигателя внутреннего сгорания: "...Сжатую в цилиндре смесь воздуха и паров бензина воспламеняет искра – и происходит взрыв". Понятно, яркий образ лучше запоминается. И кто-то, наверное, получал пятерки, отвечая так же. Но реальная картина, к счастью, сильно отличается от нарисованной, не то худо бы нам пришлось.

Дело в следующем. При нормальной работе происходит организованное, плавное сгорание каждого заряда рабочей смеси, поступающего в цилиндр в такте впуска, а не пресловутый "взрыв". Искра между электродами свечи создает очаг горения, от которого с определенной скоростью распространяется фронт пламени. Эта скорость по разным оценкам в двигателях разного типа может составлять 40–50 м/с, правда, иногда указывают чуть меньшую или большую величину. Существенно то, что это – далеко не взрыв. Исследования скорости протекания взрывных процессов (например, при детонации) дают величины, измеряемые километрами в секунду, то есть сопоставимые с космическими.

Именно с учетом "медлительности" нормального процесса сгорания для достижения требуемых характеристик мотора приходится воспламенять рабочую смесь раньше, чем поршень полностью ее сожмет в камере сгорания, подойдя к верхней мертвой точке. Это – всем знакомое опережение зажигания. Для каждого двигателя свое, но обязательное.

Итак, сгорание в цилиндре начинается до прихода поршня в ВМТ, а продолжается и затем завершается уже в конце рабочего хода. Когда же сгорание по каким-то причинам замедляется против нормы – времени рабочего хода не хватает и догорание происходит даже в выпускной системе. Тогда водитель слышит выстрелы в глушителе. Замедленно горит, например, смесь слишком богатого или бедного состава; примерно то же получается, когда используется бензин с неоправданно высоким октановым числом, не соответствующим степени сжатия. Любой опытный шофер знает, например, что эксплуатация "Волги" ГАЗ-21 на бензине АИ-93 чревата обгоранием выпускных клапанов.

В отличие от нормального процесса детонация – это взрывообразное сгорание рабочей смеси, возникающее при некоторых неблагоприятных условиях или их сочетании. Если не заниматься излишне тонкими оценками, можно сказать, что это процесс в основном для двигателей вредный, разрушительный. Сильная и продолжительная детонация, не замеченная водителем, может вывести мотор из строя.

Детонация разрушает двигатель двумя путями – механическим и тепловым. При ее появлении давление и температура в очаге резко, скачком нарастают до высоких, нерасчетных значений, перегружая детали. Прежде всего страдают поршни, кольца, перемычки между канавками, но и остальным деталям двигателя крепко достается, так как нагрузки на них имеют ударный характер. Вообразите себе, что вы бьете по краю поршня молотком, нанося сотни, тысячи ударов! Одновременно детали испытывают воздействие сильных вибраций (тогда разрушение поршня или, например, кольца имеет явно усталостный характер). Нередко перемычка между канавками разламывается на несколько примерно равных кусков, что говорит о предварительно развившихся трещинах, начинавшихся одновременно из нескольких очагов разрушения.

Для детонации характерны резкие "металлические" стуки, похожие на стук пальца при увеличенном зазоре во втулке шатуна, но никакого отношения к состоянию этих деталей не имеющие. Детонировать способен и совершенно новый, с малыми зазорами, и старый двигатель. Стуки же порождаются, в сущности, не механическими причинами. Поскольку скорость детонационного процесса превышает скорость звука, в сжатом заряде смеси процесс сопровождается ударными волнами, слышимыми даже сквозь металлические стенки.

Нагрузки, превышающие расчетные, приводят к тому, что рвется масляная пленка между трущимися деталями. Вслед за этим начинаются задиры, вырывы материала, резко ускоряется просто износ деталей. Словом, не грех повторить: детонация – режим нерасчетный. Даже самый прочный двигатель долго противостоять ей не способен, а потому задача водителя – избегать ее.

Теперь – о тепловых нагрузках от детонации. В ее очаге продукты реакции приобретают высокую, несвойственную нормальному процессу сгорания температуру, и лишь при слабой детонации, когда эпизодически слышны отдельные удары, отвод тепла от деталей еще обеспечивается. Но, если мотор детонирует сильно, продолжительно, если слышны сплошные "очереди" стуков, система охлаждения с этой задачей не справляется. Перегретые детали, в свою очередь, способствуют детонации. И возникает что-то похожее на цепную реакцию. В этой ситуации выход один: сделать все возможное, чтобы исключить опасность. Изменить скорость, перейти на пониженную передачу, а может быть и остановиться на несколько минут.

Известно, что в поршневом двигателе едва ли не трудней всего отвести избыток тепла от самого поршня, даже при нормальной работе. А при детонации так называемый прогар поршня – дело почти житейское, с этим сталкиваются многие, к сожалению!

Если в днище, чаще всего ближе к краю, обнаруживается свищ с оплавленными краями, значит, здесь поработала такая температура, что охлаждения поршню недоставало. То, что такой свищ чаще располагается с краю днища, а то и в зоне колец, не случайно. В реальной жизни мы обычно имеем дело с детонацией не по всему объему камеры сгорания, а в местах, наиболее удаленных от электродов свечи.

Обычно начальная фаза сгорания возле свечи протекает спокойно, однако образующиеся при этом газы с высокой температурой и давлением стремятся расшириться, соответственно дополнительно поджимая уже сжатую, но еще не вступившую в горение часть заряда. Если физико-химические показатели ее достигнут при этом неких критических величин, может начаться детонация – удаленная от свечи часть заряда смеси уже не горит, а именно взрывается.

По этой причине прокладка между цилиндром и его головкой чаще страдает в месте, удаленном от свечи; этим же объясняются и многие повреждения клапанов (особенно выпускного) в четырехтактных двигателях. Нередко неприятности преследуют небрежного хозяина, например, установившего прокладку так, что она выступает внутрь камеры и, естественно, еще больше перегревается, или не отрегулировавшего механизм газораспределения, из-за чего клапан не садится плотно в седло и опять-таки перегревается. Тут и без детонации положение не из лучших.

Заметим еще следующее. Если дело дошло до прогара поршня, значит, водитель не заметил тяжелого случая детонации и остается лишь пожалеть его. Особенно это касается мотоциклистов: они буквально сидят на моторе, и странно, что кое-кто, увлекшись, не слышит тут воплей двигателя о помощи. Впрочем, и в салоне наших автомобилей детонация двигателя обычно слышна – только умей слышать. Ведь всем нам приходится ездить на далеко не лучшем по качеству топливе с наших АЗС, ежедневно и ежечасно сталкиваясь с проявлением детонации. Тем более надо уметь узнавать ее в лицо! Ее нужно уметь слышать и потому, что непродолжительная детонация не только допустима, но и является своеобразным инструментом для уточнения регулировки двигателя.

Одним из показателей правильной регулировки зажигания является кратковременная детонация в самом начале разгона машины. Что значит "кратковременная"? Из собственного опыта скажем: это всего несколько легких ударов, менее секунды. Хороший двигатель быстро наращивает обороты – и детонация обязана прекратиться. Если же обороты растут, а стуки все еще продолжаются – значит опережение зажигания великовато. Напротив, если стуков нет вовсе, радоваться не надо – это говорит о недостаточном опережении и, значит, мощность, экономичность двигателя не выбраны до конца.

Но вот другая типичная ситуация, в которой новичок порой старательно ломает машину. Скажем, начинается подъем, перед которым разогнать ее почему-либо не было возможности, и наш водитель пытается упрямо взять его на четвертой передаче, хотя на спидометре всего 60 км/ч. Зачем? – спросите. Оказывается, еще живучи представления, будто езда на высшей передаче всегда экономит топливо.

Прибавив газ, водитель тут же слышит резкие стуки, но скорость не увеличивается, ведь для выбранной передачи подъем явно тяжел. А детонация резко снижает и без того недостаточную тут мощность. Как же быть? Казалось бы ясно: надо немедленно перейти на пониженную передачу. Но ясно, к сожалению, не всем. Вот и доставляет редакции почта непрекращающиеся жалобы на короткий век двигателя той или иной машины.

Детонационному горению способствует ряд факторов. Оценивая возможность его возникновения, обычно на первое место ставят степень сжатия двигателя и детонационную стойкость топлива. Чем выше степень сжатия – тем более вероятна при прочих равных условиях детонация и тем выше требования к детонационной стойкости топлива.

Последняя характеризуется так называемым октановым числом, – чем оно выше, тем выше стойкость топлива к детонации. Но однозначной зависимости октанового числа от степени сжатия нет. Здесь большую роль играют и конструктивные факторы, влияющие на детонацию, – форма камеры сгорания, рабочий объем одного цилиндра, материал (его теплопроводность), число оборотов и т. д. Поэтому не следует удивляться тому, что иной раз для двух двигателей с близкими степенями сжатия заводы-изготовители рекомендуют применение бензинов с разным октановым числом. Мнение же некоторых горе-мотолюбителей, будто бензин АИ-93 "вообще мощнее" того же А-76, просто наивно. В отношении теплотворной способности различий мало, но один двигатель прекрасно работает на А-76, а другому нужен АИ-93. И возможно, правы те, кто предлагает во избежание всевозможных махинаций вокруг бензина ввести единую цену на все его сорта.

Температура деталей, образующих камеру сгорания, также оказывает влияние на характер сгорания, и в частности на возможность детонации. Кое-что зависит и от владельца машины, например, температурное состояние двигателя с воздушным охлаждением может сильно ухудшаться у легкомысленного хозяина, не придающего значения чистоте. Грязь на картере сродни хорошей шубе, препятствующей отводу тепла. Не худо, однако, напомнить, что ничем не лучше и грязь внутри двигателя – наслоения нагара на днище поршня, в камере сгорания, в выпускной трубе, которые тоже резко ухудшают теплоотвод. К тому же слой нагара несет еще одну нежелательную функцию: уменьшая фактический объем камеры сгорания, существенно повышает реальную (в отличие от расчетной) степень сжатия. Вот пример. Если на днище поршня ЯВЫ-634 нарастает слой нагара толщиной 0,5 мм, это уже увеличит степень сжатия с 9,2 до 9,75! А надо учитывать еще и нагар в камере головки.

Состав рабочей смеси в цилиндре, как мы знаем, далеко не безразличен мотору. А это значит, что на первое место выступает правильная регулировка карбюратора.

Трудности с пуском горячего мотора летом или холодного зимой, когда смесь соответственно переобогащена или чрезмерно бедна, известны всем – и мы позволим себе на них не останавливаться. Для получения максимума мощности требуется смесь, немного обогащенная (иногда ее так и называют – смесь мощностного состава). Она сгорает с наибольшей скоростью, что и обусловливает возможность достижения высокой мощности, но... она же, оказывается, и наиболее склонна детонировать.

Правда, здесь следовало бы напомнить, что в реальном двигателе все сложней, чем иной раз кажется. Так, состав смеси оказывает немалое влияние на упомянутую выше температуру камеры сгорания, и потому (особенно в двухтактных двигателях, у которых смазка прямо связана с составом смеси) обеднение смеси до определенного момента может сопровождаться повышением температуры, что опять-таки способствует детонации. Из-за этого в некоторых книжках прямо рекомендовалось мототуристам для длительного движения обогащать смесь, что позволяет снизить температуру. Это понятно: богатая смесь обеспечивает лучшее охлаждение цилиндра (а в двухтактном моторе и лучшую смазку). Хуже то, что ее обычно обогащали настолько, что на средних скоростях двигатель, в сущности, работал с перебоями, как бы с хрипотцой. В этих условиях, понятно, детонация исчезала. Но в наше время подобные советы, надо считать, устарели, – не пора ли дорожить не только собственной машиной, но и внешней средой, в которой нам жить.

Последнее сегодня наиболее важно, поэтому карбюратор надо регулировать так, как это предусмотрено заводом-изготовителем, а с детонацией бороться иными, допустимыми средствами.

Режим работы двигателя – нагрузка, число оборотов коленвала – тоже влияет на склонность к детонации. Вероятно, многим приходилось решать такую задачу: на затяжном подъеме, сохраняя скорость, постепенно увеличивать газ. В этом случае обороты постоянны, нагрузка же растет, и в какой-то момент можно услышать начало детонационных стуков. Что же происходит?

При увеличении открытия дросселя улучшаются продувка цилиндра и его наполнение свежей смесью, растут давление и температура конца сжатия, что, как уже говорилось, способствует детонации. Похожий случай мы уже рассматривали: тут, если машина отказывается разгоняться, надо немедленно перейти на пониженную передачу. Впрочем, опытный водитель действует, исходя из реальной обстановки, – подъем так короток, что нет смысла лишний раз переключать передачи; тогда, чтобы не доводить дело до детонации, газ даже уменьшают: не всегда же потеря нескольких километров скорости так уж важна, невредно и мотор поберечь.

При разгоне, особенно в его начале, мотор может детонировать, когда обороты еще малы, но с их повышением детонация исчезает, даже в том случае, если дать полный газ. Обратный пример: на том же злополучном подъеме безграмотный водитель упрямо едет на четвертой передаче, хотя скорость явно падает, и, когда обороты окажутся достаточно низкими, появятся стуки. Итак – явная склонность мотора к детонации при сниженных оборотах?

Из теории известно, что с повышением числа оборотов остается все меньше времени на протекание любых реакций в рабочей смеси, в том числе и тех, что предваряют детонацию. Вместе с тем ухудшаются условия для наполнения цилиндра свежей смесью, уменьшаются давление и температура конца сжатия, в смеси растет содержание "балласта" – выхлопных газов, ухудшающих горение. Работоспособность такой смеси ниже, но это же обстоятельство сводит на нет и риск детонации.

Опережение зажигания, как уже отмечено, тоже влияет на детонацию. Не зря его уточняют на ходу, ориентируясь по детонационным стукам.

Чем раньше искра воспламенит смесь в цилиндре, тем большая ее доля сгорит к моменту прихода поршня в верхнее положение и тем выше окажутся давление и температура еще не вступившей в горение части заряда. Значит, ускорится ход реакций, приводящих к детонационному процессу. Поэтому, если после очередной заправки вы ощущаете, что октановое число бензина ниже требуемого, бывает полезно несколько уменьшить опережение зажигания. Насколько? Это определяется только практикой.

Детально рассматривать влияние на возможность детонации конструкции мотора, в частности числа цилиндров, рабочего объема, формы камеры сгорания, расположения свечи или клапанов, сейчас вряд ли имеет смысл, ибо каждый владелец машины практически не может вмешаться в конструкцию и довольствуется тем, что купил. Исключением является чрезвычайно популярное в наше время дефорсирование двигателя с целью применения в нем более доступных и дешевых марок бензина. Чаще всего с этой целью уменьшают степень сжатия.

Но вернемся к началу этой беседы. Что же происходит с двигателем у нашего читателя? Судя по описанию, это иное явление, а именно – воспламенение смеси без искры в свече, от контакта с сильно нагретыми деталями в камере сгорания. Источниками воспламенения могут быть электроды свечи, выступающая внутрь прокладка, нередко – наслоение нагара.

В местах с температурой около 800^оС и выше, независимо от наличия искры в свече, возникают самостоятельные очаги горения. При соответствующих условиях смесь может воспламеняться существенно раньше, отчего и говорят о преждевременном самовоспламенении. Явление это, безусловно, вредное, так как может значительно снижать мощность двигателя, одновременно повышая температуру, а то и провоцируя детонацию. Таким образом, хотя это и разные явления, они ходят бок о бок. Иногда при выключении зажигания двигатель продолжает работать от самовоспламенения, время от времени при этом раздаются отчетливые детонационные удары.

В ряде случаев, чаще всего при переходе от спокойного движения к резкому разгону, двигатель работает с ярко выраженным внутренним ревом, грохотом и, хотя тянет неплохо, таким шумом беспокоит владельца. Это – тоже результат самовоспламенения, но несколько иного характера. Здесь первая фаза горения, около свечи, идет нормально, но при полностью открытом дросселе от поверхности камеры сгорания и днища поршня отделяются частички перегретого нагара, отчего по всему объему несгоревшей части заряда возникают множественные очаги горения. Это резко ускоряет догорание заряда, из-за чего повышаются давление и температура в заключительной фазе процесса. Нагрузки на поршень, едва перешедший верхнюю мертвую точку, становятся пикообразными, напоминают удары, что и порождает характерный грохот.

В режиме самовоспламенения двигатель иногда может работать с завидной устойчивостью, внешне не хуже, чем от искрового зажигания. Однажды на редакционной ЯВЕ-634 при пуске двигателя заел дроссель в наполовину открытом положении – без нагрузки мотор сразу вышел на высокие, около 7 000 в минуту, обороты и, когда мы пытались выключить зажигание, продолжал угрожающе завывать. Опасаясь разноса, пришлось немедленно перекрыть подачу воздуха в карбюратор – закрывать кран было бесполезно, так как на остатке топлива мотор мог бы проработать слишком долго.

Как бороться с самовоспламенением? Прежде всего – устранять причины чрезмерного нагрева двигателя (это целый комплекс вопросов, который мы сейчас не рассматриваем). Далее – своевременно удалять с деталей камеры сгорания излишки нагара, избегать применения масел, не рекомендованных заводом-изготовителем. Наконец, даже в самые азартные моменты не забывать о двигателе, не допускать злоупотребления мощностью.

Если, прочтя статью, кто-то из мото- (да и авто) любителей станет ездить уверенней, автор будет считать свою задачу выполненной.