← О тактах и смеси | ← Такт сжатия | Такт выпуска →
Искра зажигания даёт начало рабочему ходу за много градусов до верхней мёртвой точки (ВМТ). Именно в этот момент начинается высвобождение химической энергии топливовоздушной смеси. Молекулярные структуры с более высоким запасом энергии разрушаются под воздействием тепла — первоначально тепла самой искры — и перестраиваются в более стабильные конфигурации. Разница в энергии высвобождается в виде резкого роста скоростей молекул, то есть тепла. Температура сжатой смеси стремительно возрастает, а давление увеличивается примерно в семь раз. Это и есть движущая сила двигателя.
Как и следует ожидать, сгорает не всё топливо. Часть смеси вытесняется в зазоры поршневых колец (1–2%), часть, оказавшись в непосредственной близости от более холодных металлических поверхностей, сгорает не полностью из-за так называемого эффекта «гашения» — теплоотвода стенками. В итоге эффективность сгорания составляет порядка 95–98%. Инженеры прилагают немало усилий, чтобы поднять её ещё выше, — это напрямую влияет на снижение выбросов несгоревших углеводородов (НСУ).
В общем случае горение продолжается после ВМТ примерно столько же градусов, за сколько до неё произошло зажигание. Так, если оптимальный момент зажигания для максимального крутящего момента находится в точке 36° до ВМТ, то весь процесс горения занимает приблизительно 36 × 2 = 72 градуса поворота коленвала. В двигателях с очень медленным горением — например, в первом железном XR компании Harley-Davidson 1970 года (угол опережения зажигания 50° до ВМТ) — весь процесс сгорания мог занимать 50 × 2 = 100 градусов.
Если построить график давления в цилиндре на протяжении рабочего хода, можно заметить, что в первые несколько градусов после поджига практически ничего не происходит: развитие очага горения поначалу ограничено его малой площадью. Затем давление начинает быстро расти, достигая максимума вскоре после ВМТ. По мере того как поршень движется вниз на рабочем ходу, давление падает — объём, в котором заперты горячие газы, стремительно увеличивается. Несмотря на снижение давления, плечо рычага, через которое оно действует на коленвал, возрастает. В ВМТ крутящий момент на коленвале равен нулю, поскольку эффективное плечо шатунной шейки равно нулю, — но по мере её бокового смещения при вращении коленвала это плечо удлиняется. Максимальный крутящий момент достигается примерно в 30° после ВМТ. Очень быстро давление в цилиндре падает настолько, что открыть выпускной клапан раньше становится выгоднее, чем продолжать расширение таких малых остаточных газов. К 80° после ВМТ поршню уже передано около 80% энергии давления сгорания.
Оптимальный угол опережения зажигания зависит от конструктивных особенностей двигателя, а в рамках одной конструкции — ещё и от частоты вращения и положения дросселя. Функционально оптимальным считается такой угол, при котором пиковое давление сгорания достигается примерно в 11° после ВМТ — примерно в тот момент, когда движение поршня вниз становится ощутимым.
Скорость сгорания и эффективность
Поскольку часть тепла горящих газов неизбежно уходит в поршень и стенки камеры сгорания, наилучший КПД достигается при более коротком, а не более длинном процессе горения. Именно это позволило легендарному двигателю Cosworth DFV — детищу Кейта Дакуорта для Формулы-1 — оставлять позади более высокооборотные двенадцатицилиндровые моторы с несравнимо большей суммарной площадью клапанов: угол опережения зажигания DFV для максимального момента составлял всего 27°. Это разительно отличается от 50° и даже 60°, которые стали нормой для двигателей с глубокими полусферическими камерами сгорания и высокими куполами поршней.
Почему тем конструкциям требовалось столь раннее зажигание? Пространство между высоким куполом поршня и глубокой камерой сгорания напоминает кожуру половинки апельсина — оно настолько узкое, что движение заряда быстро гасится по мере приближения поршня к ВМТ. Заряду попросту негде продолжать своё движение, а глубокие вырезы под клапаны в куполе поршня дополнительно подавляют турбулентность.
Помимо медленного сгорания, свою роль играла и чрезмерная площадь поверхности. Площадь глубокой полусферической камеры с углом между осями клапанов 90° ровно вдвое превышает площадь сечения цилиндра, а высокий купол поршня столь же ощутимо увеличивает площадь его донышка. Теплопотери в таких двигателях не только растянуты во времени из-за медленного горения, но и происходят через избыточно большую поверхность.
Здесь уместно вспомнить немецкий пулемёт MG42 времён Второй мировой войны: при интенсивной стрельбе ствол приходилось менять на свежий, холодный каждые 250 выстрелов. Почему? Потому что перегретый ствол мог вызывать самопроизвольный выстрел, сам по себе выступая источником воспламенения.
В поршневом двигателе аналогия прямая: избыточное тепло, поглощаемое чрезмерно большими поверхностями поршня и камеры сгорания, ненормально повышает их температуру — особенно в двигателях с воздушным охлаждением. Раскалённые поверхности быстро нагревают свежий заряд, соприкасающийся с ними, ускоряя предпламенные химические реакции, способные завершиться детонацией. Для компенсации в таких «горячих» двигателях приходится снижать степень сжатия, что оборачивается потерями мощности и топливной экономичности.
Детонация и калильное зажигание: в чём разница
Важно не путать два принципиально разных явления.
Калильное зажигание — это воспламенение смеси раньше искры от какого-либо раскалённого элемента в камере сгорания: как правило, перегретого электрода свечи или светящихся отложений нагара. Оно обычно происходит вблизи нижней мёртвой точки, вынуждая поршень сжимать уже горящую смесь. Температура и давление при этом нарастают настолько стремительно, что поршень разрушается практически мгновенно.
Детонация, напротив, возникает в самом конце нормального процесса сгорания. Небольшие объёмы «конечного газа» — несгоревшей смеси у стенок цилиндра — нагреваются до температуры около 510°C под действием тепла горящих газов и самовоспламеняются. Их сгорание распространяется со скоростью звука и выше, порождая ударные волны, повреждающие детали двигателя. Мы воспринимаем это как характерный «стук» или «звон».
Медленное сгорание влечёт за собой ещё одно нежелательное следствие — снижение того, что можно назвать «эффективной степенью сжатия». Заряд, сгорающий в ВМТ, использует полную степень сжатия. Заряд же, догорающий значительно позже ВМТ, расширяется в меньшей мере и отдаёт поршню меньше энергии.
Почему в жизни всё должно быть так сложно?
