Меню сайта
Вход на сайт
Поиск
Мы в контакте
Друзья сайта
Качканарский историко-краеведческий музей
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Суббота, 20.10.2018, 22:03
Приветствую Вас Гость | RSS
Главная | Регистрация | Вход
ТО и ремонт автомобилей
Узнай всё про автомобиль
Главная » Статьи » Двигатель

Неправильное сгорание

Неправильное сгорание

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, канд. техн. наук, директор фирмы «АБ-Инжиниринг»

СЕРГЕЙ САМОХИН

Какие нарушения процесса сгорания действительно возможны в современ­ном массовом двигателе? Какие они могут иметь последствия и как их рас­познать?

Злободневность этой темы определяется отсутствием ее правильного понимания у большей части населения, имеющего отношение к автотехнике.

С рядовых автолюбителей, как говорится, спрос невелик. Хуже, когда понимание отсутствует и у некоторых специалистов, которые профессионально занимаются ремонтом и даже экспертной деятельностью и дают заключения о причинах отказов ДВС.

Для обоснования своей (или той, что устраивает клиента) точки зрения некоторые используют в работе техническую литературу, которая была написана лет сорок и более тому назад. Конечно, физические основы рабочих процессов в ДВС остались неизменными, но конструкция и условия эксплуатации моторов кардинально изменились. Поэтому теория частично устарела, в каком-то смысле даже оторвалась от реальности и все в большей степени не согласуется с практикой. Несмотря на это, классическая книга остается авторитетом, на который сплошь и рядом ссылаются, по делу и нет.

 

Апофеоз

Вышел из строя двигатель 2,0 V6 Nissan Maxima: мотор «запятерил» и потерял мощность.

Владелец обратился в мастерскую, где ему сказали, что прогорел выпускной клапан, а виной тому плохой бензин. В пробе, взятой из топливного бака, действительно обнаружились некие отклонения от стандарта для автомобильных топлив.

К делу подключились эксперты, которые в один голос принялись клеймить топливную компанию, цитируя авторитетные теоретические источники. Их заключения пестрели фразами: «нарушение процессов сгорания», «неуправляемый процесс воспламенения», «пятикратное увеличение давления», «троекратное увеличение температуры деталей». И тут же — «сильное нарушение испарения бензина», «снижение скорости сгорания» и прогар выпускного клапана вследствие «догорания топлива на выхлопе».

Дефектовка двигателя также показала небольшой износ двух шатунных вкладышей.

«Разжижение масла несгоревшим топливом», — отреагировали эксперты.

После этого был вынесен окончательный вердикт: «Причина неисправности — в использовании топлива несоответствующего качества».

Однако при ближайшем рассмотрении выяснилось, что концентрация обнаруженных в бензине примесей была всего 2%, что лишь незначительно превышало норматив. Их фракционный состав примерно соответствовал керосину, т. е. легкому авиационному топливу. Присутствие примесей чуть снизило октановое число бензина, но оно осталось в пределах допуска для данного типа двигателя.

На самом деле наличие таких примесей никакого вреда двигателю нанести не могло. И уж тем более вызвать в процессе что-то неуправляемое. Ведь керосин — это не легковоспламеняющийся эфир, не правда ли?

Ларчик открывался просто: пробег двигателя оказался более 200 000 км. Для маленького мотора тяжелой машины представительского класса это приличная цифра — он оказался банально изношен самым что ни есть естественным образом. И «умер» вполне прогнозируемой естественной «смертью»...

С подобными историями приходится сталкиваться довольно часто.

Не переводятся умные головы, которые, всякий раз ссылаясь на теорию, допускают, что действительно возможно, чтобы процесс воспламенения стал неуправляемым, в результате чего давление в камере сгорания поднялось в пять раз, а скорость сгорания при этом уменьшилась.

Это возможно только в случае вольной трактовки отдельных положений теории, оторванных от контекста.

 

Слово теории

Теория рабочих процессов ДВС отмечает три вида нарушений сгорания топливовоздушной смеси.

Первый и наиболее часто встречающийся на практике — детонационное сгорание, или просто детонация. Несмотря на то что этот термин у всех на слуху, напомним суть явления детонации.

Нормальное сгорание заряда топливовоздушной смеси происходит в режиме турбулентного горения.

Фронт пламени, сформировавшийся в результате поджига смеси искровым разрядом свечи зажигания, распространяется по заряду со скоростью до 60-80 м/с, расширяясь и захватывая все новые области смеси. Этот процесс сопровождается ростом давления и температуры в камере сгорания. Его основная фаза, в которой сгорает 80-85% топлива, завершается уже после прохождения поршнем ВМТ, к моменту, когда давление в цилиндре достигает максимума.

Оставшаяся часть смеси, которая располагается в пристеночных слоях, где температура и турбулентность меньше, сгорает в фазе догорания.

Вследствие начавшегося расширения продуктов сгорания и увеличения теплоотдачи в стенки камеры давление в цилиндре падает. А температура какое-то время продолжает расти, так что на некоторых режимах работы двигателя температура остатков смеси может превысить порог их самовоспламенения.

К счастью, самовоспламенению предшествует временная задержка, необходимая для протекания так называемых предпламенных реакций. При нормальном режиме сгорания этого оказывается достаточно, чтобы избежать самовоспламенения — фронт пламени успевает поджечь остатки смеси «естественным» образом. Другое дело, когда задержка самовоспламенения оказывается намного меньше времени распространения фронта пламени. Тогда в несгоревшей части смеси, расположенной на периферии камеры сгорания, возникают очаги объемного воспламенения. Сгорание в них носит взрывной характер, оно порождает ударные волны, которые распространяются по камере сгорания с огромной скоростью (до 1500 м/с), в десятки раз превышающей скорость распространения фронта турбулентного пламени.

Проходя по камере сгорания, ударные волны, в свою очередь, повышают температуру остатков смеси, чем способствуют их самовоспламенению, и, многократно отражаясь от стенок камеры, вызывают звонкий металлический стук.

Но внешнее проявление детонационного сгорания — пустяк в сравнении с его «внутренними» последствиями. Сильная и продолжительная детонация может привести к механическим и термическим повреждениям деталей двигателя, находящихся в камере сгорания.

Чаще от детонации страдают детали цилиндропоршневой группы — поршни и кольца.

Поломки поршней по перемычкам между канавками колец, пожалуй, самое распространенное последствие детонации.

Наряду с механическими поломками на поверхности деталей могут отмечаться и следы эрозии — характерные мелкие каверны на днище поршней и стенках камеры сгорания.

Возникновению детонации препятствуют различные факторы, увеличивающие задержку самовоспламенения и сокращающие время прохождения фронта пламени. Среди них можно отметить ограничение степени сжатия, уменьшение диаметра цилиндра, центральное расположение свечи зажигания или использование двух свечей, применение высокооктановых топлив, турбулизацию топливного заряда, улучшение охлаждения стенок камеры сгорания, увеличение частоты вращения и снижение нагрузки двигателя, а также уменьшение угла опережения зажигания. Последний успешно используют для борьбы с детонацией в системах  управления с обратной связью по сигналу датчика детонации.

Так что детонация сегодня — вполне контролируемый процесс, чтобы можно было ожидать от него чего-то сверхъестественного.

Подчеркнем главную особенность детонации — она возникает после воспламенения топлива искровым разрядом свечи зажигания. Так что «неуправляемый процесс воспламенения» — это не про нее.

Второй вид «неправильного» сгорания смеси — преждевременное воспламенение, или калильное зажигание.

Сам термин «калильное зажигание» говорит о том, что топливный заряд поджигается не искровым разрядом, а нагретыми (раскаленными) до высокой (более 700-800 °С) температуры участками поверхности камеры сгорания: электродом свечи, острыми кромками тарелки выпускного клапана, поршня, головки или частицами нагара.

Воспламененная калильным зажиганием смесь сгорает обычным образом. Беда лишь в том, что горение начинается преждевременно, как будто бесконтрольно увеличился угол опережения зажигания.

В результате пики давления и температуры в цилиндре смещаются по времени и могут наблюдаться еще до прихода поршня в ВМТ. При этом мотор теряет мощность, а детали цилиндропоршневой группы и камеры сгорания перегреваются, тем самым давая пищу для дальнейшего развития калильного зажигания — оно наступает все раньше и раньше.

Если не принять контрмер (не выключить зажигание), двигатель может в течение нескольких секунд выйти из строя — чаще всего из-за прогорания поршня.

Так вот оно — «нарушение процессов сгорания»? Значит, правы были эксперты?

Но не будем торопиться с выводами. Лучше вспомним то, о чем нередко забывают: калильное зажигание возникает только под нагрузкой, на высоких частотах вращения мотора. Именно на таких режимах в двигатель подается большое количество топлива, которое при сгорании выделяет значительное количество тепла. Иначе откуда взяться энергии, достаточной, чтобы не только накалить внутренности камеры сгорания, но и расплавить днище поршня?

Если же преждевременное воспламенение смеси происходит без нагрузки, калильное зажигание здесь ни при чем. Скорее всего, в этом виноват третий вариант нарушения сгорания.

В англоязычных источниках его называют dieseling, то бишь «дизеление». В отечественной технической литературе он носит более длинное название — «воспламенение от сжатия при выключенном зажигании».

Этот термин трудно произносимый, но точно отражающий суть явления.

Оно состоит в том, что хорошо прогретый двигатель после выключения зажигания не останавливается, а продолжает конвульсивно работать. Камера сгорания сильно разогрета, а частота вращения невысока — этого оказывается достаточно, чтобы смесь воспламенялась от сжатия.

В отличие от калильного зажигания «дизелинг» хотя и не очень приятен, но практически безопасен для двигателя. В цилиндр поступает настолько мало топлива, что прогореть ничего не может в принципе. Да и конвульсии мотора быстро прекращаются после нажатия на педаль газа... 

Если рассудить здраво, дизелинг может происходить только при одном условии — после выключения зажигания в цилиндр должно поступать топливо.

Такое было возможно только в «доисторических» карбюраторных двигателях или в карбюраторных моторах с неисправным электромагнитным клапаном холостого хода. Отсюда следует вывод: дизелинг давно канул в Лету. В современных впрысковых двигателях с электронным управлением такое явление имеет мизерную вероятность. Разве что активно «текут» несколько форсунок — случай весьма маловероятный, если не сказать, сомнительный.

Выходит, что этот раздел теории сегодня не имеет никакого практического значения.

 

Мертвое зажигание

Раз уж мы начали критиковать теорию с конца, далее в списке нарушений сгорания значится калильное зажигание. Насколько оно опасно для современного массового автомо-бильного мотора — 4-цилиндрового атмосферного двигателя среднего литража и степени форсированности?

Во всех теоретических изданиях в качестве «классических» провокаторов калильного зажигания упоминаются слишком «горячие» свечи зажигания и большое количество нагара на поверхностях камеры сгорания. Но насколько они актуальны?

Беремся утверждать, что сегодня при выборе свечей зажигания совершить фатальную ошибку, грозящую калильным зажиганием, практически невозможно. Даже если не иметь понятия о калильном числе и установить в двигатель первые попавшиеся под руку свечи.

Во-первых, в последнее время свечи зажигания стремительно эволюционировали в направлении расширения теплового диапазона. Это значит, что температура наиболее горячих частей свечи (кончика юбки изолятора и электродов) остается в допустимых пределах в случае значительного изменения температурного режима в камере сгорания.

Во-вторых, современные двигатели имеют весьма совершенную систему охлаждения камеры сгорания, обеспечивающую невысокую температуру стенок и практически исклю-чающую их перегрев.

В-третьих, все массовые моторы теперь в общем и целом одинаковые — и по степени сжатия, и по литровой мощности. Поэтому применяющиеся в них свечи имеют примерно одинаковые калильные числа, что отражается на ассортименте магазинов. Максимум, что можно найти в продаже из свечей определенного конструктивного исполнения, — это модели с калильным числом, на единицу больше или меньше рекомендованного. Если ошибешься — температура кончика изолятора свечи изменится на несколько десятков градусов. А для некоторых двигателей и это невозможно — особая конструкция свечи вообще не оставляет выбора.

Значит, вероятность того, что свеча станет причиной калильного зажигания в массовом двигателе, произведенном в XXI веке, близка к нулю.

Если механическая часть двигателя современной конструкции исправна, примерно такова же вероятность накопления критического количества нагара. Качество моторных масел и бензина сегодня несоизмеримо лучше, чем было полвека назад. Да и нагар при тепловой напряженности теперешних моторов способен безболезненно выгорать с поверхностей.

Не стояли на месте и системы управления двигателем — следуя требованиям экологических стандартов, они придирчиво контролируют параметры зажигания и качество смеси, а «в случае чего» незамедлительно сигнализируют о неисправностях.

Напрашивается вывод: сегодня владелец автомобиля с массовым мотором едва ли может реально столкнуться с калильным зажиганием. Разве что откопает «доисторические» свечи в дедушкином гараже. Или начнет самостоятельно модернизировать свой двигатель — тюнинг, понимаете ли.

Этот вывод подтверждают многие специалисты-практики, которые знают эту тему не из теории.

Да, калильное зажигание случается, но... в другой технике.

К примеру, при эксплуатации турбодвигателей и двухтактных моторов с воздушным охлаждением. Особенно на спортивных соревнованиях.

Получается, что единственным злом современного мотора, вызванным нарушением сгорания смеси, остается детонация.

 

Слышали звон...

Теория отмечает множество факторов, неблагоприятное сочетание которых может спровоцировать детонацию.

Если сделать поправку на современные реалии и абстрагироваться от нештатных ситуаций (отказ датчика детонации, ошибка в установке датчика положения коленвала, неэффективная работа системы охлаждения и т. д.), можно утверждать, что основная причина детонации — заправка бензином, октановое число которого значительно ниже рекомендованного для данного двигателя.

Именно «значительно ниже» — если октановое число окажется меньше на одну-две единицы, с двигателем ничего страшного не случится. У современного мотора есть запас по этому параметру, а диапазон регулирования системы управления достаточен, чтобы компенсировать это отклонение.

В последнее время контроль качества топлива худо-бедно налаживается. Топливные компании следят за соответствием октанового числа бензина норме. Так что количество повреждений двигателей в результате детонационного сгорания год от года уменьшается.

И все же они случаются.

Детонационные процессы оказывают воздействие на все детали камеры сгорания, но больше всего «достается» поршню. Следы детонации проявляются там, где она происходит: на периферии камеры сгорания, по краям днища поршня. Если сила и продолжительность детонации были невелики, здесь можно обнаружить лишь характерную эрозию поверхности, подвергавшейся действию ударных волн. Эрозия практически не влияет на работоспособность двигателя, но уже дает серьезный повод задуматься — вспомнить о коварстве детонации.

Оно — коварство — заключается в том, что детонация может оказывать отложенное воздействие.

Единичный пик давления во фронте ударной волны не может разрушить поршень, но действующая подобно отбойному молотку детонация снижает порог усталостной прочности металла. И чем больше циклов нагружения испытал поршень, тем в большей степени в зонах концентрации напряжений (как правило, в углах канавок под поршневые кольца) накапливаются дефекты и образуются микротрещины. Со временем они растут, расширяются и в один прекрасный момент поршень может «дрогнуть» от обычных эксплуатационных нагрузок.

В результате чаще всего происходит разрушение перемычки между первым и вторым компрессионными кольцами. Иногда повреждения затрагивают зону огневого пояса поршня и перемычку под вторым кольцом.

Интенсивная и длительная детонация ничего не откладывает «на потом» и быстро повреждает уплотнительный пояс поршня.

Разрушение перемычки — опасная штука, которая редко ограничивается только лишь выкрашиванием небольшого куска поршня.

Поломка перемычки нарушает уплотнение поршня и ощутимо увеличивает расход масла из-за возросшего выноса его капель в камеру сгорания. Одновременно с этим вследствие нештатного контакта деталей повреждается стенка цилиндра.

Дальнейший ход событий — дело случая.

В одном случае (когда мотор работает на низких и средних нагрузках) оставшиеся в теле поршня трещины вскоре могут привести к тому, что поршень развалится на части.

В другом, если двигатель продолжительное время поработает в мощностном режиме, поршень начнет плавиться.

Напомним, что следующая за уплотнением важнейшая функция компрессионных колец — отвод тепла от поршня. Так, через первое кольцо сбрасывается до 70%, а через второе — до 20% тепла, воспринимаемого поршнем. Поэтому, как только часть кольца «повисает в воздухе», теплосъем с днища поршня уменьшается. Температура в зоне повреждения резко увеличивается и на мощностном режиме достигает точки плавления.

 

...да не знают, где он

Косвенное термическое последствие детонации в виде расплавленного поршня, скорее всего, и вводит многих в заблуждение.

Кто-то приписывает этот результат калильному зажиганию, кто-то начинает думать, что сам процесс детонации сопровождается «троекратным увеличением температуры деталей». Ни то, ни другое неверно.

В результате калильного зажигания поршень чаще прогорает, как и следует ожидать, в центре, т. е. вблизи свечи зажигания.

При нарушении теплового контакта компрессионного кольца он оплавляется по периметру — там, где термическое воздействие детонации максимально, а отвод тепла затруднен.

Детонация коварна еще и потому, что ее проявления в разных цилиндрах могут быть неодинаковыми. Например, перемычка может быть повреждена только на одном из поршней. В таком случае нужно иметь в виду, что детонация «в отдельно взятом цилиндре», как и коммунизм в отдельно взятой стране, — штука мало-вероятная.

Если один из поршней двигателя поврежден детонацией, то, скорее всего, остальные также не избежали ее воздействия — просто дефекты пока не заметны глазу. Значит, чтобы вскоре снова не разбирать двигатель, нужно заменить всю поршневую группу.

По идее, детонационные удары передаются не только на поршень, но и на «нижестоящие»детали КШМ, но для них это комариные укусы. На практике никаких повреждений поршневых пальцев, шатунов, вкладышей и т. д. от детонации не наблюдается, а если они и обнаруживаются, то с детонацией никак не связаны.

В заключение еще раз подчеркнем, что в явлении детонации нет ничего сверхъестественного и мистического, способного ни с того ни с сего вызвать «пятикратное увеличение давления» или «троекратное увеличение температуры деталей». Сегодня это вполне объяснимый и контролируемый процесс.

Причины, механизм воздействия и последствия детонации понятны, известно, как с ней бороться — в конце концов, достаточно просто ослабить давление ноги на педаль газа. Но самое главное — к детонации нужно относиться с пониманием. Причем нужно это всем: и автовладельцам, и сервисменам, и экспертам.

Категория: Двигатель | Добавил: ivan29 (12.01.2017)
Просмотров: 538 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar
Copyright avtomeh.ucoz.net © 2018