Главная
Статьи
Форум
Детонация. Взрыву вопреки

По материалам Авторевю

Александр ТЫЧИНИН
Фото и иллюстрации компаний-производителей

Что позволяет современным бензиновым двигателям работать без особых проблем на топливе с разным октановым числом? Откуда такая всеядность — и почему нынешние двигатели почти равнодушны к детонации?

Детонация стала самым страшным врагом инженеров сразу после изобретения двигателя внут­реннего сгорания в XIX веке. Для большей отдачи увеличивали степень сжатия, вслед за которой росли давление и температура смеси в цилиндре в конце такта сжатия, — и после подачи искры топливовоздушная смесь детонировала. То есть воспламенялась практически мгновенно по всему объему камеры сгорания: этакий мини-взрыв, разрушающий детали двигателя.

Проблему усугубило появление наддува: сперва на авиационных моторах (в годы Первой мировой войны), а затем и на автомобильных. Чем выше давление в цилиндре, тем больше мощность — но и склонность к детонации тоже возрастает. Конструкторам пришлось уменьшать степень сжатия и применять высокооктановый бензин, но этого было недостаточно.

Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года — первый серийный легковой автомобиль с турбомотором: степень сжатия у двигателя V8 объемом 3,5 л уменьшать не стали, но применили систему впрыска воды (схема справа). Мощность по сравнению с атмосферником увеличилась со 188 до 218 л.с., крутящий момент — с 312 до 408 Нм

Оставалось регулировать угол опережения зажигания. Ведь чем позже проскакивает искра, тем медленнее растет давление в цилиндре, да и его пик меньше — а значит, снижается вероятность детонации.

Но вот незадача: мощность двигателя при этом тоже уменьшается. Так что в предельных режимах — например, на взлете, когда необходима максимальная отдача, — с детонацией боролись… с помощью обычной воды! Ее впрыскивали во впускной коллектор, она испарялась в камере сгорания, снижая температуру топливовоздушной смеси, — и предотвращала детонацию.

Тем временем химики тоже не сидели без дела. В 1921 году сотрудники компании General Motors Чарльз Кеттеринг и Томас Мидгли обнаружили, что добавление химического соединения под названием тетраэтилсвинец в бензин существенно повышает его антидетонационную стойкость — иными словами, увеличивает октановое число. Через пару лет в GM вместе с компанией DuPont наладили промышленное производство этой добавки к бензину под маркой Этил — намеренно не упоминая слова «свинец». Ведь этот тяжелый металл вызывает опасные отравления.

Экологи начали бить тревогу с конца 60-х годов, а в 1973 году в американском Агентстве по защите окружающей среды (EPA) подготовили первый акт о запрете этилированного топлива. Но его дешевизна и усилия лоббистов химичес­кой и автомобильной промышленнос­ти были настолько велики, что заметно уменьшить использование тетраэтил­свинца в Штатах удалось только к началу 90-х. Помогло то, что тетраэтилсвинец «отравлял» каталитическое покрытие сот нейтрализаторов и препятствовал их внедрению в качестве систем очистки отработавших газов.

Toyota Crown Turbo 1980 года с системой контроля детонации при помощи резонансного пьезодатчика. Рядная двухлитровая «шестерка» M-TEU с турбонаддувом и впрыском топлива развивала 147 л.с. и 211 Нм

В конце концов тетраэтилсвинец запретили. В США — с 1996 года, в Евросоюзе — с 2000. У нас этилированный бензин нельзя производить и распространять с 2003 года. К сожалению, в слаборазвитых государствах, таких, как Алжир, Ирак, Северная Корея и Афганистан, это ядовитое топливо все еще в ходу.

Да и не был этилированный бензин панацеей — двигателисты не оставляли попыток придумать иное средство для борьбы с детонацией. Например, на купе Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года турбомотор (!) V8 3.5 мощностью 218 л.с. с высокой даже по нынешним меркам степенью сжатия 10,25:1 был оснащен сис­темой впрыска смеси воды и метанола! Спирт был нужен, для того чтобы защитить систему от замерзания в холодное время года. В 1978 году аналогичный впрыск воды применила и шведская компания Saab, выпустившая ограниченной серией трехдверку 99 Turbo S.

Но эти модели были настоящим эксклюзивом, а большинство автолюбителей в 60-е и 70-е годы боролись с детонацией самостоятельно.

Как? Прислушиваясь. Зазвучал знакомый «металлический» детонационный звон — значит, либо на улице стало очень жарко (высокая температура окружающего воздуха — верный союзник детонации), либо бензин в баке ненадлежащего качества. Нужно было открыть капот и подкрутить специальное регулировочное колесико на трамблере — так называемый октан-корректор — в сторону уменьшения угла опережения зажигания. Если водитель все делал правильно, то детонация исчезала. А заводская настройка угла опережения зажигания, разумеется, была очень мягкой: чтобы даже в тяжелых условиях, например, в жарком климате и при полной загрузке автомобиля, исключить риск детонации.

В 1970-х начался массовый переход с карбюраторного смесеобразования на впрыск топлива, а контактные системы зажигания приготовились уступить место электронным. И вскоре появилась возможность менять угол опережения зажигания оперативно: то есть воспламенять смесь каждый раз как можно раньше, но не переходить границу, за которой возникает детонация.

Но как нащупать эту грань? Точно так же, как это делали водители, — услышать!

Одной из первых компаний, которой удалось это сделать, оказалась Toyota. В 1980 году японские инженеры закрепили на блоке цилиндров двухлитровой «шес­терки» с турбонаддувом серийного седана Crown датчик детонации — своего рода микрофон. В основе его работы и по сей день лежит пьезоэффект — появление разности потенциалов между поверхностями пьезоэлектрика при его деформации. При детонации в камере сгорания образуются волны давления, вызывающие вибрацию стенок блока, а значит, и деформацию пьезоэлектрика.

Беда в том, что при работе двигатель издает множество других шумов, из которых нужно вычленить именно детонационный. Оказалось, что частота пагубных вибраций зависит от диаметра цилиндра, то есть на конкретном моторе она является относительно постоянной величиной, находящейся в диапазоне 5—7 кГц. А пьезодатчик подбирался таким образом, чтобы при детонации в нем возникал резонанс — и блок управления узнавал об этом по увеличению напряжения. Такой датчик назвали резонансным.

Так блок управления двигателем регулирует угол опережения зажигания по сигналам датчика детонации. Обратите внимание на то, что шаг увеличения угла всегда мельче, чем шаг его уменьшения. Если детонация продолжается длительное время, то система управления двигателем переходит на так называемые низкооктановые карты зажигания и подает искру позднее

Итак, инженеры научились определять детонацию, причем сразу же индивидуально в каждом цилиндре, — на небольших рядных моторах для этого достаточно иметь всего один пьезодатчик. Осталось «зашить» в блок управления алгоритм, по которому при возникновении детонации будет изменяться угол опережения зажигания. Как он работает?

Представим, что после очередной искры в камере сгорания возникла детонация. Тогда в следующем для этого цилиндра цикле искра будет подана на определенное количество градусов позже. Если детонация продолжается, то угол опережения зажигания уменьшается еще раз. Наконец, когда «звон» удалось побороть, выбранный угол удерживается в течение некоторого количества циклов. А затем он начинает увеличиваться, но с меньшим шагом: как бы аккуратно подбираясь к той самой границе, за которой вновь начнется детонация.

На моторах с наддувом ключевое влияние на детонацию оказывает не только угол опережения зажигания, но и давление наддува. Интересно, что на первом европейском автомобиле с системой контроля детонации — Saab 900 Turbo APC 1982 года — осуществлялась именно регулировка «буста», а не угла.

Шло время, и у датчиков детонации резонансного типа обнаружились недос­татки. Во-первых, инженеры были вынуждены подбирать их для каждого конкретного мотора. Во-вторых, частота детонации все-таки не постоянна: датчик резонансного типа настраивали на наиболее тяжелый режим работы двигателя. Но ведь смесь может детонировать в более широком диапазоне. Как бы выявить и эту детонацию?

Выход нашли: в конце 80-х появился универсальный широкополосный пьезодатчик. Он подходил практически к любому двигателю и «слушал» весь его шум, а блок управления путем хитрой обработки раскладывал сигнал датчика на гармоники и находил в них детонационные компоненты. Так моторы научили не бояться низкооктанового бензина. Например, большинство двигателей BMW рассчитано на работу в широком диапазоне октанового числа топлива — от 92 до 98: все благодаря современным датчикам детонации и высокопроизводительным процессорам блоков управления.

Конечно, меру нужно знать: нельзя залить в бак АИ-80 вместо АИ-95. Дело в том, что базовый угол опережения зажигания можно уменьшать лишь на 10—15 градусов по углу поворота коленвала, не более. Иначе большая часть смеси будет сгорать на такте расширения, из-за чего упадет мощность, и двигатель перегреется.

В 1994 году у пьезодатчиков появилась интересная альтернатива. На турбомоторах автомобилей Saab 9000 дебютировала система управления двигателем Trionic, в которой детонация определялась по величине ионного тока между электродами свечи зажигания, но широкого распространения такая система не получила, поэтому о ней — отдельный рассказ.

Сейчас большинство современных автомобилей, включая отечественные, оснащается именно широкополосными пьезодатчиками. Важно помнить: если на моторе имеется несколько таких датчиков, то ни в коем случае нельзя менять их местами на блоке цилиндров, поскольку двигатель не сможет нормально контролировать детонацию.

А что если датчик выйдет из строя? Ничего страшного: блок управления двигателем зафиксирует в памяти ошибку, на приборной панели загорится лампа «check engine», и контроль детонации прекратится. А угол опережения зажигания для безопасности «откатится» в позднюю сторону — мотор будет работать по аварийному алгоритму. Кстати, работоспособность датчика детонации легко проверить: нужно подключить к нему вольтметр, и если при постукивании по корпусу прибор показывает скачки напряжения, значит, датчик исправен.

Двигателисты меж тем и не думали­ останавливаться на достигнутом: они отодвигали дальше саму границу возникновения детонации. Как? Используя комплексный подход. Алюминий вместо чугуна в качестве материала для блоков цилиндров и головок: теплопроводность крылатого металла больше, а значит, детали мотора быстрее принимают на себя тепловую энергию сгорания — и температура в цилиндре уменьшается. В 2000-х начал набирать популярность непосредственный впрыск бензина: при испарении топлива прямо в камере сгорания температура внутри нее также снижается. Например, концерну Volkswagen при переводе атмосферного мотора 1.4 на модели Lupo (2000 г.) с распределенного впрыска на непосредственный удалось увеличить степень сжатия с 10,5:1 до 11,5:1.

Немаловажную роль в борьбе с дето­нацией играет и система охлаждения двигателя. Тот же Volkswagen на современных моторах использует сложнейшую систему терморегулирования, в которой работают два контура с разной температурой антифриза: тот, что холоднее, омывает головку блока цилиндров для лучшего отвода тепла.

Напоследок — любопытный факт: алгоритм, по которому регулируется угол опережения зажигания при возникновении детонации, практически не изменился с 80-х. Однако сами системы управления двигателем сделали гигантский шаг вперед. Но устройство и принцип работы электронных блоков управления — это отдельный вопрос, к которому мы как-нибудь вернемся.

Количество датчиков детонации на разных моторах
Число и расположение цилиндров Количество датчиков
3, в ряд 1
4, в ряд 1 или 2
4, оппозитно 2
5, в ряд 2
6, в ряд 2 или 3
6, оппозитно 2
6, V-образно 2
8, V-образно 2 или 4
10, V-образно 4
12, V-образно 6


Что происходит в цилиндре при детонации?

Детонацию часто путают с таким явлением, как калильное зажигание, которое означает, что смесь воспламеняется не от искры, а от перегретых элементов в камере сгорания. Но детонация возникает уже после подачи искры, причем в наиболее удаленном от свечи зажигания мес­те — у горячих стенок цилиндра. Пока фронт пламени распространяется по камере сгорания, смесь на периферии успевает слишком сильно нагреться, а затем она подвергается интенсивному сжатию фронтом пламени. И если давление и температура оказываются выше критических, то смесь на периферии самовоспламеняется и сгорает с огромной скоростью — фактически взрывается с резким местным повышением температуры и образованием мощной ударной волны. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна формирует новые очаги воспламенения. Локальные давления в цилиндре могут достигать величины 150—200 атмосфер, что грозит деталям двигателя серьезными повреждениями.


Факторы, способствующие детонации

— Высокая степень сжатия
— Слишком раннее зажигание
— Высокая нагрузка на двигатель
— Высокая температура воздуха на впуске
— Высокое давление наддува
— Низкое октановое число топлива
— Высокая температура деталей в камере сгорания
— Обильный нагар в цилиндрах


Датчик детонации резонансного типа

Датчик детонации резонансного типа соединяется с блоком управления двигателем с помощью одного провода — вторым контактом служит «масса»


Широкополосный датчик детонации

Широкополосный датчик детонации — двухпроводной и с «массой» автомобиля не связан. С 1988 года компания Continental произвела более 350 миллионов таких датчиков. Делают их и в России — продукция подмосковной компании Геатех поставляется на АвтоВАЗ


Ионный контроль

В 1991 году компания Saab разработала систему управления двигателем под названием Trionic, в которой контроль детонации осуществлялся без традиционных пьезокерамичес­ких датчиков, а спустя три года она пошла в серию на модели 9000 с турбомоторами. Для того чтобы определить, как проходит сгорание, шведы использовали… свечи зажигания.

Представьте себе рабочий процесс в цилиндре: конец такта сжатия, между электродами свечи проскакивает искра, смесь воспламеняется и сгорает. В это время горячие газы ионизированы — этот процесс заключается в отщеплении электрона от нейтральной молекулы и в присоединении некоторой части свободных электронов к другим нейтральным молекулам и атомам. То есть в газе образуется определенное количество положительно или отрицательно заряженных ионов, способных проводить ток.

Шведы придумали определять степень ионизации, подавая на электроды свечи зажигания определенное напряжение — и измеряя с помощью блока управления величину ионного тока. Ведь чем выше давление в цилиндре, тем больше ионов в газе. А значит, определить опасные скачки давления, возникающие при детонации, не составляет труда.

Такой способ позволяет избежать ложных сообщений о детонации, которые могут поступать на больших оборотах при использовании пьезокерамических датчиков (из-за сильного шума в двигателе). А еще чем больше количество цилиндров, тем больше традиционных датчиков детонации необходимо установить — и тем сложнее блоку управления отследить характер сгорания в каждом из цилиндров. При использовании ионного тока по понятным причинам такой проблемы не возникает. Поэтому некоторые производители применяют ионный контроль детонации на высокооборотных и многоцилиндровых моторах. В качестве примера можно вспомнить двигатель V10 на BMW M5 в кузове E60. Ко всему прочему, таким образом можно определять и пропуски зажигания, что важно для нормальной работы мотора и выполнения норм токсичности.

Но на гражданских автомобилях ионный контроль не нашел широкого применения из-за дороговизны — тот же мотор для M5 потребовал установки двух дополнительных блоков управления для измерения ионного тока.

Saab 9000 с системой Trionic



Более 2000 руководств
по ремонту и техническому обслуживанию
автомобилей различных марок
 








Рейтинг@Mail.ru