Аккумуляторы тепла (АТ). Они устроены по принципу термоса и представляют собой пакет герметичных медных капсул, наполненных легкоплавким веществом с большой теплоемкостью. Пакет размещен в герметичном сосуде из нержавеющей стали с двойными стенками, пространство между которыми заполнено высокоэффективной вакуумно-порошковой изоляцией.

Для зарядки такого теплового аккумулятора, подключенного к системе охлаждения, через него прокачивается разогретая жидкость (антифриз). Под действием высокой температуры «начинка» капсул плавится, что сопровождается накапливанием тепла за счет перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Полная «зарядка» АТ происходит за 10-15 минут, а запас тепла в них может сохраняться практически без потерь до двух суток даже при температуре окружающего воздуха – 40°С.

Перед запуском холодного двигателя с пульта управления, расположенного в салоне машины, включается электрический насос. При прокачке холодной жидкости через тепловой аккумулятор она нагревается за 3–5 минут за счет отдачи тепла веществом капсул, которое при этом снова переходит в твердое состояние. Разогретая таким способом жидкость циркулирует по системе охлаждения и нагревает блок двигателя, его детали и масло до температуры +45…+55°С. Затем электронасос выключают и производят запуск уже прогретого двигателя стартером.

Для нормальной работы такой системы подогрева «мощность» теплового аккумулятора, зависящая от общей массы капсул, должна соответствовать объему двигателя, на который он устанавливается. Размеры АТ позволяют разместить его в моторном отсеке легкового автомобиля или в салоне микроавтобуса (например, тепловой аккумулятор для двигателя с объемом 3,5 – 4 л имеет диаметр 210 мм и длину 400 мм).

При всей своей оригинальности системы предпускового подогрева с аккумулятором тепла широкого распространения не получили. Их применение оправдывает себя только в холодное время года при регулярном использовании автомобиля (каждый день или через день). При более длительных интервалах между поездками АТ неэффективны, так как начинают быстро остывать.

Комплект подогревателя с АТ стоит около 1000 грн., а его установка обойдется еще в 500-600 грн.

Снижение экономичности автомобиля в зимний сезон – вполне нормальное явление. Оно обусловлено множеством причин, из-за которых в цилиндрах двигателя сжигается большее количество топлива. Вот основные из них:

1. Чем ниже температура, тем выше вязкость масла (особенно минерального), из-за чего оно не только плохо прокачивается насосом системы смазки, но и является источником дополнительного сопротивления вращению и перемещению деталей. При таких условиях для успешного запуска мотора и обеспечения его устойчивой работы в режиме прогрева в цилиндры необходимо подавать значительно больше топлива.

2. Практически сразу же после запуска включаются дополнительные потребители электроэнергии – система отопления, подогрев стекол и зеркал, наружное освещение (которое в короткий световой день работает больше). Из-за этого повышается нагрузка на генератор. Для вращения его ротора двигателю нужно прикладывать заметно большее усилие, а это дополнительные затраты энергии мотора, которые компенсируются подачей дополнительной порции топлива.

3. Масло в агрегатах трансмиссии (КПП, редукторе) также застывает и становится очень вязким. Следовательно, повышается сопротивление вращению шестерен, а это еще один «повод» сжигать в цилиндрах больше топлива. На двигатель данный недостаток масла оказывает негативное воздействие только в режиме прогрева. А вот в трансмиссии в зимний сезон масло практически постоянно сохраняет повышенную вязкость, поскольку из-за постоянного охлаждения картеров потоком холодного встречного воздуха оно не может разогреться до нормальной рабочей температуры.

4. У зимних шин с их эластичными протектором и боковиной, а также плотной нарезкой ламелей показатель сопротивления качению выше, чем у летних. Это тоже способствует увеличению расхода топлива.

5. Потребление энергии двигателя возрастает также из-за необходимости преодолевать дополнительное сопротивление качению шин по снегу, а также из-за пробуксовки ведущих колес.

Многие, впервые сталкиваясь с дизельными моторами на легковых иномарках, удивляются, что и на дизелях используются свечи. Но они отличаются от «бензиновых» – это свечи накаливания. При их поломке дизель способен работать, но запускается с большой неохотой, а в зимний период вообще отказывается заводиться. Почему так происходит и как работает свеча накаливания, мы и поговорим сегодня.
Назначение

Принцип работы двигателя, изобретенного немцем Рудольфом Дизелем, основан на самовоспламенении горючей смеси при высокой температуре – і7000С, которую получают в камере сгорания в результате повышения давления на такте сжатия. При пуске холодного дизеля, особенно зимой – из-за низкой температуры всасываемого воздуха и его охлаждения при контакте с остывшими стенками трубопроводов и камеры сгорания – температура в конце такта сжатия оказывается ниже требуемой для самовоспламенения смеси. Двигатель при этом, безусловно, не запускается. Поэтому в камеру сгорания или реже – во впускной тракт дизелей установили электрический нагревательный элемент – свечи накаливания, на спирали которых подается электричество.

В зависимости от характеристики нагревательного элемента на режим рабочей температуры (850-11500С) свечи накаливания выходят в период от нескольких секунд до одной минуты. О протекании этого процесса водителя информирует желтая сигнальная лампа с символом спирали на щитке приборов. Лампа гаснет, когда свечи разогрелись, что является сигналом к включению стартера. Хотя свечи накала в некоторых системах предварительного разогрева продолжают работать и после запуска двигателя в фазе прогрева, что повышает устойчивость работы дизеля, ускоряет его прогрев, а также снижает токсичность выхлопа и уровень шумности.
Устройство и разновидности

Конструктивно свеча накаливания узел несложный. Ее основные детали – корпус, спираль, защитная оболочка, электрический вывод. В зависимости от наличия защитного кожуха спирали свечи накаливания делятся на два типа – открытые и закрытые. Последние получили наибольшее распространение. Спираль у них находится внутри оболочки, которая заполнена изолятором – керамическим порошком (например, оксидом магния) с высокой теплопроводностью. В качестве материала спирали свечей накала используют никель и различные сплавы – железокобальтовые (Co8Fe), железохромалюминиевые и т.д. Из-за формы нагревательного элемента эти свечи иногда называют «штифтовыми» или «стержневыми». В камеру сгорания они устанавливаются таким образом, чтобы конус струи топлива попадал только на раскаленную часть.

Свечи накаливания открытого типа сегодня встречаются редко. Ими оснащались в основном старые дизели Mercedes. Кстати, для увеличения срока службы топливо в этих двигателях на спиральный элемент не распылялось.

Свечи разных производителей отличаются и характером работы. Например, у некоторых современных конструкций сопротивление спирали при нагревании увеличивается, что позволяет быстрее выходить на рабочую температуру. Этим обеспечивается уменьшение времени прогрева, что сокращает период ожидания до момента запуска двигателя. Свойством ускоренного прогрева – до 8500С всего за 4 с – обладают свечи Duraterm фирмы Bosch. Более того, после пуска двигателя их конструкция обеспечивает сохранение требуемой температуры накала без электропитания. В некоторых свечах накаливания фирмы «Champion» имеются две последовательно соединенные спирали. Верхняя никелевая не только быстро нагревается, но и по мере повышения температуры снижает свое электрическое сопротивление (в 10-12 раз). Нижняя железохромалюминиевая спираль с малым электрическим сопротивлением при этом очень быстро нагревается. Суммарное время выхода такой «двухэтапной» свечи на рабочую температуру (8500С) – 3,5-4 с. После выключения свеча сохраняет свою температуру на протяжении трех минут. Свойство перечисленных свечей сохранять температуру при отсутствии электропитания обеспечивает их долговечность.

Свечи накаливания могут соединяться последовательно и параллельно. Первая схема имеет один существенный недостаток – при поломке хотя бы одной свечи из-за обрыва электрической цепи система подогрева оказывается полностью неработоспособной. Индикатор на щитке приборов при этом не загорается. Отличаются свечи накаливания и способом подключения электропитания – с одним выводом, т.е. когда «массой» является корпус, и с двумя выводами – с изоляцией от «массы» двигателя. Свечи, подключаемые параллельно, имеют обычно один вывод.

Неисправности и их выявление

При параллельном соединении поломка одной свечи не вызывает обрыва всей электрической цепи, поэтому исправные свечи остаются в работе, что позволяет запускать дизель, хотя и с трудом. В некоторых системах предварительного разогрева выявить данную неисправность можно по изменению характера работы индикации контроля свечей накаливания – при повороте ключа зажигания желтая лампочка не загорается. Срабатывает она только после запуска двигателя и горит в течение 15-20 с.

Если у неисправной свечи накаливания рабочий стержень имеет обгоревший вид, причиной этого чаще всего является некачественное распыление топлива форсункой. Поэтому необходимо ремонтировать топливную аппаратуру. Обгореть может и установленная при замене несоответствующая по размеру, так называемая, «длинная» свеча.

Свечи накаливания могут отличаться временем нагрева до рабочей температуры (мощностью), поэтому при выходе из строя одной свечи следует заменить ее на такую же, но исправную. В противном случае они будут разогреваться лишь частично или вообще не будут работать. При большой наработке, если выходит из строя всего одна свеча, менять желательно все, так как ресурс остальных уже исчерпан, долго они не прослужат и придется еще один раз раскошеливаться на диагностику и ремонт. Свечи накаливания – достаточно хрупкий элемент, поэтому снимать их желательно только с целью замены, а при установке затяжку следует проводить аккуратно, не превышая требуемое усилие – 20 Нм. Перед установкой новой свечи нужно обязательно удалить нагар в отверстии головки блока, а также использовать новую силиконовую прокладку.

Проверяют свечи накаливания омметром. У исправной свечи показания будут около нуля, так как сопротивление спирали очень мало – 0,235 Ом. Проверить исправность системы подогрева в целом можно и с помощью вольтметра, который подключают между кабелем питания свечи и массой. После включения зажигания вольтметр должен показать напряжение источника питания (реле 11 В и выше). По истечении 5-10 секунд после запуска двигателя величина напряжения обычно снижается наполовину.

Проверяют свечи и с помощью амперметра и специального зажима-клеммы («прищепки»). При его креплении к изолированному кабелю питания значение тока в режиме прогрева измеряется с помощью явления индукции. Ток должен составлять 8-15 А. Если с помощью приборов выявить дефект свечи не удалось, проверить ее работоспособность в некоторых дизелях можно визуально. Для этого снимают форсунки и через их установочные отверстия в головке по изменению цвета стержня контролируют разогрев свечи при включенном зажигании. Во всех случаях проверки следует помнить, что система подогрева работает только на холодном двигателе – до 60 0С.

Причина затрудненного запуска может быть скрыта и в других составляющих системы предварительного разогрева. Свечи могут не работать из-за поломки реле времени или одного из датчиков (температуры охлаждающей жидкости, скорости движения, оборотов двигателя). Проверку этих узлов лучше доверить специалистам.

За более чем столетний жизненный путь двигатель внутреннего сгорания (ДВС) настолько преобразился, что от родоначальника остался только принцип действия. Почти все этапы модернизации были направлены на повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Показатель КПД можно назвать универсальным. В нем скрыты многие характеристики — расход топлива, мощность, крутящий момент, состав выхлопных газов и т.д. Широкое применение новых технических идей — впрыск топлива, электронные системы зажигания и управления двигателем, 4, 5 и даже 6 клапанов на цилиндр — сыграло положительную роль в повышении КПД двигателей.

Тем не менее, как показал Женевский автосалон, до завершения процесса модернизации ДВС еще далеко. На этом популярном международном автошоу компания SAAB представила результат своего 15-летнего труда — опытный образец нового двигателя с изменяемой степенью сжатия — SAAB Variable Compression (SVC), ставший сенсацией в мире моторов.

Технология SVC и ряд других передовых и нетрадиционных с точки зрения существующих понятий о ДВС технических решений позволили снабдить новинку фантастическими характеристиками. Так, пятицилиндровый двигатель объемом всего 1,6 л, созданный для обычных серийных машин, развивает немыслимую мощность 225 л.с. и крутящий момент 305 Н·м. Превосходными оказались и другие, особенно важные сегодня, характеристики — расход топлива при средних нагрузках снижен на целых 30%, на столько же уменьшен показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН и NОx и т.д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. В дополнение к этому переменная степень сжатия дает двигателю SVC возможность работать на различных марках бензина — от А-76 до Аи-98 — практически без ухудшения характеристик и исключая появление детонации.

Безусловно, существенная заслуга таких характеристик — в технологии SVC, т.е. в возможности изменять степень сжатия. Но перед тем, как познакомиться с устройством механизма, позволившим изменять эту величину, вспомним некоторые истины из теории конструкции ДВС.

Степень сжатия

Степень сжатия — это отношение суммы объемов цилиндра и камеры сгорания к объему камеры сгорания. С увеличением степени сжатия в камере сгорания повышаются давление и температура, что создает более благоприятные условия для воспламенения и сгорания горючей смеси и повышает эффективность использования энергии топлива, т.е. КПД. Чем степень сжатия выше, тем КПД больше.

Проблем с созданием бензиновых моторов с высокой степенью сжатия нет и не было. А не делают их по следующей причине. При такте сжатия у таких двигателей давление в цилиндрах повышается до очень больших величин. Это, естественно, вызывает повышение температуры в камере сгорания и создает благоприятные условия для появления детонации. А детонация, как мы знаем (см. стр. 26) — явление опасное. Во всех созданных до этого времени двигателях степень сжатия была постоянной и определялась в зависимости от давления и температурного режима в камере сгорания при максимальной нагрузке, когда расход топлива и воздуха максимальны. Работает двигатель в таком режиме не всегда, можно сказать, даже очень редко. На трассе или в городе, когда скорость практически постоянна, мотор работает при малых или средних нагрузках. В такой ситуации для более эффективного использования энергии топлива неплохо бы иметь и большую степень сжатия. Эту проблему решили инженеры SAAB — создатели технологии SVC.

Технология SVC

Прежде всего необходимо отметить, что в новом двигателе вместо традиционной головки блока и гильз цилиндров, которые отливались непосредственно в блоке или запрессовывались, имеется одна моноголовка, объединившая головку блока и гильзы цилиндров. Для изменения степени сжатия, а точнее, объема камеры сгорания моноголовка сделана подвижной. С одной стороны она посажена на вал, выполняющий функцию опоры, а с другой — опирается и приводится в движение отдельным кривошипно-шатунным механизмом. Радиус кривошипа обеспечивает смещение головки относительно вертикальной оси на 40. Этого вполне достаточно, чтобы изменять объем камеры для получения степени сжатия от 8:1 до 14:1.

Необходимую степень сжатия определяет электронная система управления двигателем SAAB Trionic, которая следит за нагрузкой, скоростью, качеством топлива и на основании этого управляет гидроприводом кривошипа. Так, при максимальной нагрузке устанавливается степень сжатия 8:1, а при минимальной — 14:1. Объединение гильз цилиндров с их головкой, кроме всего прочего позволило инженерам SAAB придать каналам рубашки охлаждения более совершенную форму, что повысило эффективность процесса отвода тепла от стенок камеры сгорания и гильз цилиндров.

Подвижность гильз цилиндров и их головки потребовали внесения изменений в конструкцию блока двигателя. Плоскость стыка блока и головки стала ниже на 20 см. Что касается герметичности стыка, то она обеспечивается резиновой гофрированной прокладкой, которая сверху защищена от повреждений металлическим кожухом.
Мал, да удал

Для многих может стать непонятным, как в двигатель с таким небольшим объемом «зарядили» больше двухсот «лошадей» — ведь такая мощность может отрицательно сказаться на его ресурсе. Создавая двигатель SVC, инженеры руководствовались совсем другими задачами. Доведение моторесурса до требуемых норм — дело технологов. Что касается малого объема двигателя, то сделано в полном соответствии с теорией ДВС. Исходя из ее законов наиболее благоприятный режим работы двигателя с точки зрения повышения КПД — при большой нагрузке (на повышенных оборотах), когда дроссельная заслонка полностью открыта. В этом случае он максимально использует энергию топлива. А так как двигатели с меньшим рабочим объемом работают в основном при максимальных нагрузках, то и КПД у них выше.

Секрет превосходства малолитражных двигателей по показателю КПД объясняется отсутствием так называемых насосных потерь. Возникают они при небольших нагрузках, когда двигатель работает на малых оборотах и дроссельная заслонка лишь немного приоткрыта. В этом случае при такте впуска в цилиндрах создается большое разряжение — вакуум, оказывающий сопротивление движению поршня вниз и соответственно снижающий КПД. При полностью открытой дроссельной заслонке таких потерь нет, так как воздух поступает в цилиндры практически беспрепятственно.

Чтобы избежать насосных потерь на все 100%, в новом двигателе инженеры SAAB также использовали «наддув» воздуха под высоким давлением — 2,8 атм., с помощью механического нагнетателя — компрессора. Предпочтение компрессору было отдано по нескольким причинам: во-первых, ни один турбонагнетатель не способен создать такое давление наддува; во-вторых, реакция компрессора на изменение нагрузки практически мгновенная, т.е. нет замедления, характерного для турбонаддува. Наполнение цилиндров свежим зарядом в двигателе SAAB улучшили и с помощью популярного сегодня современного газораспределительного механизма, в котором на каждый цилиндр приходится по четыре клапана, и благодаря применению промежуточного охладителя воздуха (Intercooler).

Опытный образец двигателя SVC, по оценке немецкой компании по разработке моторов FEV Motorentechnie в Aachen, является вполне работоспособным. Но несмотря на положительную оценку, в серийное производство он будет запущен спустя некоторое время — после его доработки и доводки под запросы покупателей.

Реальная жизнь нередко преподносит «сюрпризы». Трудно, наверное, поверить, что на пути из Тулы в Москву (около 200 км) обыкновенные «Жигули» способны почти полностью опустошить бак. Но когда хозяин-рекордсмен пустил двигатель, мы увидели тот самый, густо-черный дым из выхлопной трубы. Мотор, понятно, «троил», еле-еле работал…

Видели, как горит лужа бензина? Яркое пламя первой вспышки тотчас сменяется густым, темным дымом. А замечали – никогда лужа не горит красивым голубым пламенем, как бензиновая горелка, хороший примус или паяльная лампа, потому что после вспышки продукты сгорания мешают притоку свежего воздуха, она настолько богата топливом, что последнее горит медленно, сгорает плохо, не полностью. Не случайно в ветреную погоду любой пожар намного опасней, а при загорании в быстро движущемся поезде или автомобиле, летящем самолете некоторые элементы конструкции успевают сгореть в считанные минуты, приводя к катастрофе!

В отличие от лужи с ее «неорганизованным» пламенем, состав смеси, сгорающей в примусе, паяльной лампе, отопителе «Запорожца», во всех двигателях внутреннего сгорания, а также газотурбинных, ракетных и так далее, регулируемый: бензин, керосин, дизельное или ракетное топливо смешивается с окислителем (кислородом воздуха, жидким кислородом, азотной кислотой и др.) в строго определенных соотношениях.

Мы в автомобилях имеет дело с бензином и воздухом. Смесь, в которой на 1 кг паров бензина приходится 15 кг воздуха (со стандартным содержанием в нем кислорода), принято называть нормальной. Если на ней работает двигатель вашего автомобиля, его мощность достаточно высока при неплохой экономичности.

Уменьшим поступление воздуха до 12,5-13 кг. Смесь, как принято говорить, обогатится (бензином) – станет так называемой мощностной, потому что, сгорая в цилиндрах наиболее быстро, создает максимальное давление на поршни, а значит, высокую мощность. Правда, экономичность ухудшается довольно ощутимо, на 15-20% в сравнении с «идеалом». Каким? Если стремиться к экономичности, воздуха к смеси следует немного добавить – до 16 кг на 1 кг бензина. Такую смесь и называют экономичной. Расход бензина становится минимальным, правда, ценой некоторых потерь мощности – до 8-10% в сравнении с «мощностной». Смесь такого состава принято называть обедненной. Если при сгорании на 1 кг бензина затрачивается лишь 11-12 кг воздуха, смесь называют богатой. Дальнейшее обогащение 5-6 кг воздуха на 1 кг топлива приводит к тому, что способность смеси к воспламенению ухудшается настолько, что двигатель вообще может остановиться.

Нельзя обеднять смесь беспредельно: когда воздуха больше 20 кг на 1 кг бензина, воспламенение от искры станет ненадежным и может вообще прекратиться. А пока он хоть как-то работает на бедной смеси, нечего ждать не только достаточной мощности, но и, как ни странно, экономичности. Ведь тяговые характеристики машины ухудшаются настолько, что водитель вынужден ее «подхлестывать» – например, переходя на пониженную передачу там, где вчера легко ехал на высшей.

Не каждый обладает необходимым опытом, чтобы без каких-либо приборов, просто по ощущению, правильно оценить состав смеси, поступающей в цилиндры двигателя на различных режимах работы. Правда, ему может «посодействовать» в этом ГАИ, остановив для проверки «на СО». Тогда приобретенный таким образом опыт становится – буквально! – очень дорогим…

Положим, однако, что вы наблюдательны и своевременно заметили: в теплый летний день выхлопные газы отчетливо видны невооруженным глазом. Дым, дымок… Есть о чем подумать! Выхлопные газы исправного двигателя – по крайней мере, внешне – выглядят чистыми, прозрачными. Откуда же дым?

Основных причин две. Первая – износ деталей двигателя, о чем мы говорили неоднократно. В цилиндры проникает масло и, сгорев, создает красивый голубой шлейф за кормой и довольно неприятный запах гари в салоне. Подышав ею неделю-другую, вы поймете, что с мотором пора что-то делать: заменять детали, растачивать и т. п. Ситуация, действительно, неприятная, но никогда не путайте ее с другой – когда неполадки возникают в системе питания.

Двигатель, расходующий много масла, можно отрегулировать так, что окиси углерода (СО) в выхлопе почти не будет (хотя даже голубой дымок не пахнет французскими духами). Но серый или, еще хуже, черный дым из трубы – позор для настоящего автолюбителя! Тут – вина только ваша или того «дяди», которому вы доверили регулировку карбюратора. Как мы уже говорили, это признак богатой смеси. Ни на каких режимах его быть не должно, поскольку содержание «СО» в выхлопе может превысить допустимое в несколько раз!

Но и это не все. На слишком богатой смеси, как было сказано, мощность мотора существенно снижается, а расход бензина увеличивается. А значит, тотчас и мнение о вас сложится как о беспомощном «чайнике» – ну, кому это понравится?

Казалось бы, что проще: давайте регулировать карбюратор так, чтобы смесь на любых режимах оставалась бедной – не будет ни «СО», ни черного дыма! На деле не все так просто. Карбюратор, даже простейший, должен позволять двигателю приемлемо работать на самых разнообразных режимах, согласовать которые иногда трудно. Зачастую, обеспечивая работу на одном режиме, жертвуют какими-то характеристиками на другой – тем самым оптимизируют работу машины как целого. Например, холодный пуск (зимой) требует сильного обогащения смеси, при горячем же (когда двигатель достиг максимальной эксплуатационной температуры) такое обогащение, наоборот, недопустимо, – и карбюратор должен готовить смесь, соответствующую каждой из этих ситуаций. Другой пример: когда мотор не связан с колесами (передача выключена), вы имеете дело с «нормальным» холостым ходом двигателя. Но если сбросить газ на высокой скорости, не разъединяя связи мотора и колес, – это тоже холостой ход, «принудительный». Понятно, здесь режимы существенно различны! И снова карбюратор должен готовить то, что нужно для каждого.

Нагрузочных режимов – великое множество. Если максимальная мощность достигается при определенных условиях – скажем, полный газ при 5500 об/мин, то промежуточные значения мощности можно получить (и реализовать на ведущих колесах) по-разному: меняя обороты коленвала, степень открытия дросселей и передачу.

Не забудем и о всевозможных переходных режимах, когда меняются и скорость движения, и открытие дросселей карбюратора, наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью, ее состав, давление, температура.

Реальная жизнь нередко преподносит «сюрпризы». Трудно, наверное, поверить, что на пути из Тулы в Москву (около 200 км) обыкновенные «Жигули» способны почти полностью опустошить бак. Но когда хозяин-рекордсмен пустил двигатель, мы увидели тот самый, густо-черный дым из выхлопной трубы. Мотор, понятно, «троил», еле-еле работал…

Беглое ознакомление сразу выявило замечательный «букет» неисправностей: игольчатый клапан позволял уровню топлива повышаться как угодно; воздушный фильтр был забит жирной грязью (видно, что его не меняли давным-давно!), зажигание работало кое-как (сильно обгорели контакты прерывателя), свечи – сильно закопченные и замасленные (давно пора менять уплотнения!).

Для сегодняшнего разговора нам важны первые два факта. Не раз говорилось: из-за неисправного игольчатого клапана состав смеси может меняться произвольным образом – от нормальной до богатой и даже переобогащенной, когда мотор работает плохо или вообще останавливается. Не менее важно состояние фильтра (на него многие не обращают внимания, пока машина худо-бедно движется). Проделайте на исправном автомобиле такой опыт: когда двигатель полностью прогрет, закройте воздушную заслонку, вытянув кнопку «подсоса». Смесь обогатится настолько, что мотор, как правило, перестает тянуть и глохнет (кстати, такую ошибку часто допускают неопытные водители, забывая вовремя убрать «подсос»).

Забитый пылью, а еще хуже – замасленный воздухоочиститель все равно, что закрытая заслонка: разрежение в диффузорах карбюратора намного больше, чем нужно для нормальной работы, поэтому истечение бензина из жиклеров резко увеличивается. Поступление же воздуха уменьшается. Вывод вам ясен – фильтр нужно вовремя заменять.

Что касается зажигания, важно понять, что при неисправной системе питания и переобогащении смеси скорость ее сгорания становится намного ниже требуемой, а характеристики центробежного и вакуумного регуляторов выбраны исходя из предположения, что карбюратор работает нормально! Для медленно горящей смеси опережение зажигания становится, таким образом, недостаточным: как при классическом «позднем» зажигании, еще больше падает мощность, смесь догорает в выпускной системе. Кто-то удачно сравнил мотор с хорошо сыгранным оркестром, – но здесь инструменты играют не в лад. Встречаются и другие причины переобогащения. Как правило, жиклеры первой и второй камер различаются производительностью, порой весьма сильно. Путать их нельзя, но люди это делают – по неопытности, невнимательности. Так, в карбюраторе 2105-1107010-10 диаметры отверстий главных топливных жиклеров равны 1,09 мм для первой камеры и 1,62 мм для второй. Главные воздушные жиклеры одинаковы.

Если перепутать местами топливные жиклеры, то при работе первой камеры расход бензина окажется почти вдвое больше положенного, резко ухудшится тяговая характеристика, упадет мощность. Расход через жиклер второй камеры (если она вступит в работу) будет, наоборот, малым, а смесь – крайне бедной, что лишь усугубит падение мощности. На деле вторая камера в работу может и не вступить: плохо работающая первая просто не позволит двигателю выйти на режим, при котором включится пневмопривод второй камеры.

Итак, богатая или, хуже, переобогащенная смесь – это всегда избыток бензина или недостаток кислорода воздуха. Кстати, для старого двигателя со сниженной компрессией и повышенным давлением картерных газов, что сопровождается выбросом в полость воздухофильтра копоти и капель масла, засорение воздушных жиклеров – дело обычное!

С крайне бедными смесями мы сталкиваемся, когда по каким-либо причинам поступление бензина в карбюратор или отдельные его системы резко ухудшается, – мотор реагирует на это или провалами мощности (не тянет) или вообще глохнет при попытках дать ему даже небольшую нагрузку. Если, например, забит грязью уже упоминавшийся игольчатый клапан, возможна такая картина: пуск и работа на холостом ходу – нормальные, но тронуться с места и проехать десяток метров машина отказывается!

Если подача бензина ослаблена, но не в такой мере, возможны другие «фокусы»: при низких и средних нагрузках мотор работает нормально, но при попытке интенсивно разогнаться на полной мощности он вдруг «проваливает» – машина движется словно прыжками, пока не снизится нагрузка. В этом случае нужно искать помеху на пути бензина: забитый грязью бензофильтр, плохо работающий бензонасос, пробки грязи в топливной магистрали, включая игольчатый клапан, и т. д. Такая же картина получится, если плохо вентилируется бензобак, например, дренажная трубка засорена или смята. Знатоки иногда вот так «шутят» над своими приятелями! Небольшая пробочка в трубке – и ваш коллега надолго лишится покоя: машина у него не едет! Если при чистке карбюратора забудете вернуть на свои места воздушные жиклеры, смесь, понятно, станет бедной. Мотор кое-как будет работать, но прокатиться вам вряд ли позволит.

Современные катализаторы (правильное название – каталитические нейтрализаторы), устанавливаемые в выпускных системах автомобилей, впервые появились за границей после введения жестких норм выбросов токсичных веществ с отработавшими газами. В Украине ввоз и продажа автомобилей, не оборудованных катализаторами, будут запрещены с 1 января 2003 г.

Катализатор представляет собой металлическую емкость, в которой находится пористый керамический материал со множеством сот. На их поверхность нанесен тонкий слой активного каталитического материала (благородных металлов – платины, родия, иридия). Изначально каталитические нейтрализаторы работали «в одиночку», однако позже выяснилось, что для максимальной эффективности им необходимо создать определенные условия: обеспечить рабочую температуру в 750-850 °С и подавать в двигатель рабочую смесь определенного качества (соотношение топливо:воздух 1:14,7).

Реализовать это на практике удалось в автомобилях с электронным впрыском, оснащенных системой управления топливоподачей с обратной связью. Электроника, анализируя состав отработавших газов, определяет эффективность сгорания топлива в цилиндрах и корректирует процесс приготовления горючей смеси во впускном коллекторе мотора. Поэтому такую связь назвали обратной.

Оказалось, что качество смеси, поступающей в цилиндры двигателя, удобнее всего определять по количеству остаточного кислорода в отработавших газах, поэтому для контроля за составом «выхлопа» был разработан специальный датчик – лямбда-зонд (другое название – кислородный датчик). Лямбда-зонд измеряет содержание кислорода в выхлопе и дает команды электронному блоку управления (ЭБУ), который поддерживает нужный состав топливовоздушной смеси, изменяя количество подаваемого форсункой топлива.

Состав смеси определяется коэффициентом l, который имеет значение 1,0 при соотношении топливо:воздух, равном 1:14,7. В современных силовых агрегатах преимущественно используется система с обратной связью, которая поддерживает значение l=1 с высокой точностью (±1%). При этом состав топливной смеси близок к оптимальному. Такая система обеспечивает минимальную концентрацию токсичных веществ в отработавших газах.

В большинстве систем используется один лямбда-зонд, установленный перед каталитическим нейтрализатором. Существуют также системы с двумя лямбда-зондами. Второй кислородный датчик располагается за катализатором, что позволяет контролировать работоспособность последнего.

Нарушения правил эксплуатации турбированных моторов действительно снижают их ресурс. Поэтому необходимо соблюдать следующие правила. После запуска мотора нельзя резко «газовать». Нужна пауза в 15 – 30 сек, чтобы «прогреть» турбокомпрессор. После окончания поездки не рекомендуется сразу выключать двигатель – стоит дать мотору поработать несколько минут на холостом ходу, чтобы обороты турбины снизились при включенных системах смазки и охлаждения. Если пренебрегать этими простыми правилами, наступает перегрев и коксование масла, а затем выходит из строя турбокомпрессор. Чтобы избежать подобных явлений, в некоторых моделях автомобилей устанавливается турбо-таймер – электронное устройство, не позволяющее в течение 1 – 2 мин. выключить двигатель машины сразу после снятия ноги с педали газа.

Компания Beru разработала свечу зажигания – Ultra X Platin, предназначенную для бензиновых двигателей последних поколений (с послойным смесеобразованием). Характерные особенности свечи – четыре боковых электрода с новой оригинальной геометрией; платиновый наконечник центрального электрода, отличающийся высокой износостойкостью; тепловой конус с расширенным «калильным числом»; медный сердечник с высокой теплопроводностью; долговечное хром-никелевое покрытие корпуса.

Принцип работы свечи совмещает два вида искрового разряда – короткий воздушный и длинный поверхностный. В первом случае пробой искры происходит в воздушном пространстве между электродами, во втором – по поверхности теплового конуса. Длинные искровые разряды способны воспламенить как обедненную, так и переобогащенную горючую смесь. Для пробоя искры есть восемь «маршрутов», благодаря чему обеспечивается большая надежность системы зажигания.

По утверждению создателей свечи Ultra X Platin, геометрия боковых электродов позволила улучшить доступ топливо-воздушной смеси в межэлектродные зазоры, благодаря чему повысилось качество сгорания топлива, что, в свою очередь, снизило токсичность отработавших газов.

Тепловой конус с незначительной термической «массой» и низкой теплопроводностью быстро прогревается до рабочей температуры (4000 С), при которой обеспечивается самоочистка свечи. При этом конструкция и материал теплового конуса практически исключают его нагревание до 8000 С и выше, когда возможно появление калильного зажигания. Расширившийся диапазон рабочих температур свечи Ultra X Platin сделал ее более универсальной по калильному числу. Благодаря этому потребности 93% выпускаемых автомобилей перекрывают всего восемь разновидностей этих свечей.

При некоторых условиях в двигателях с искровым зажиганием возникают звенящие металлические стуки, которые являются признаком детонационного сгорания топлива. При слабой детонации они появляются через некоторые интервалы и похожи на стуки, возникающие при увеличении зазора между верхней втулкой шатуна и поршневым пальцем. С увеличением интенсивности детонации в цилиндре двигателя слышатся сильные непрерывные стуки. При этом работа двигателя становится неустойчивой, уменьшается число оборотов коленчатого вала, поршень, цилиндр и головка цилиндров перегреваются и появляется черный дым в отработавших газах.

В случае длительной работы двигателя с детонационным сгоранием возможно обгорание кромок поршня, прокладки между цилиндрами и головкой блока, а также электродов и изоляторов свечи зажигания. Местные высокие давления, возникающие при детонации, создают повышенные ударные нагрузки на кривошиппо-шатунный механизм и вызывают разрушения антифрикционного слоя в шатунных подшипниках. Из-за разрушения масляной пленки, а также под воздействием содержащихся в продуктах сгорания активных веществ усиливается износ гильз цилиндров в верхней части.

По указанным выше причинам длительная работа двигателя с детонацией недопустима.

Опыты показали, что в процессе сгорания перед фронтом пламени вследствие расширения продуктов сгорания несгоревшая рабочая смесь сжимается, и ее температура повышается. В результате повышения температуры и давления несгоревшей части рабочей смеси в ней возникают химические реакции окисления молекул топлива и образуются перекисные соединения. При достаточно высоких давлениях и температуре эти соединения воспламеняются еще до того, как к этой части рабочей смеси приблизится фронт пламени. Начавшийся процесс сгорания распространяется с весьма высокой скоростью на соседние слои рабочей смеси, где также произошли предварительные реакции окисления.

В результате такого развития процесса сгорания возникают ударные волны, которые распространяются с большой скоростью по всему объему камеры сгорания и, отражаясь от стенок, вызывают металлические стуки. Попадая в зоны, где указанные химические реакции близки к завершению, эти ударные волны вызывают детонационный взрыв. Распространение детонационной волны происходит со скоростью 2000—2300 м/сек.

Опытным путем установлено, что детонационное сгорание, как правило, возникает в зоне камеры сгорания, наиболее удаленной от свечи зажигания, где рабочая смесь сгорает в последнюю очередь и наиболее подвержена сжатию газами, образовавшимися от сгоревшего топлива, и воздействию высоких температур.

На возникновение детонации влияют различные факторы.

Степень сжатия. При увеличении степени сжатия температура и давление в конце процесса сжатия возрастают, что способствует возникновению детонации. Поэтому пределом увеличения степени сжатия является такое ее значение, при котором возникает детонационное сгорание. При прочих равных условиях возможное повышение степени сжатия зависит от октанового числа топлива и применяемой формы камеры сгорания. Поэтому степень сжатия для данного двигателя выбирают с учетом предназначаемого для него топлива и типа камеры сгорания.

Форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания. Форма камеры сгорания в известной мере определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре (см. рис. 57, б) так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допускаемую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации. При использовании камеры сгорания с вытеснителем (см. рис. 57, в, г и д), улучшается отвод теплоты от сгорающей в последнюю очередь части рабочей смеси, и склонность двигателя к детонации снижается.

Размер и число цилиндров. При больших диаметрах цилиндра путь пламени до наиболее удаленной точки камеры сгорания увеличивается, что способствует возникновению детонации. В этом случае для получения бездетонационного сгорания устанавливают две свечи зажигания, располагая их в диаметрально противоположных концах.

В многоцилиндровых двигателях с внешним смесеобразованием возможно возникновение детонации в отдельных цилиндрах из-за неравномерного распределения смеси по цилиндрам. Склонность к детонации появляется в тех цилиндрах, в которые поступает обогащенная горючая смесь (а = 0,8 -=- 0,9).

Материал головки цилиндров и поршня. Склонность двигателя к детонации можно уменьшить, улучшив отвод теплоты от деталей, образующих камеру сгорания. С этой целью для изготовления головки цилиндров и поршня следует применять материал, обладающий большой теплопроводностью. Использование алюминиевого сплава, имеющего по сравнению с чугуном большую теплопроводность, позволяет при том же топливе несколько-повысить допустимую степень сжатия.

Состав рабочей смеси. Наибольшую склонность к детонации имеет рабочая смесь при коэффициенте избытка воздуха а = = 0,8 ~г 0,9, так как при этом скорость сгорания, температура, и давление оказываются наибольшими, что способствует возникновению детонации.

Число оборотов коленчатого вала. При увеличении числа оборотов уменьшается время для химической подготовки топлива. Кроме того, из-за повышения сопротивления во впускной системе коэффициент остаточных газов возрастает. В результате этого температура и давление в процессе сгорания уменьшаются. Совместное действие этих факторов приводит к тому, что с увеличением числа оборотов склонность двигателя к детонации снижается.

Нагрузка двигателя. При уменьшении нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки увеличивается коэффициент остаточных газов, а давление и температура конца сжатия снижаются. Оба эти фактора уменьшают склонность двигателя к детонации.

Угол опережения зажигания. При увеличении угла опережения зажигания процесс сгорания развивается ближе к в. м. т., повышая давление и температуру во второй фазе процесса сгорания,чтоспособствуетвозникновению детонации.

Нагарообразование. При отложении нагара на днище поршня и поверхности головки цилиндров, обращенной к камере сгорания, отвод теплоты от них уменьшается и температура поверхности, ограничивающей камеру сгорания, повышается. Кроме того, по мере отложения нагара несколько увеличивается степень-сжатия.

Оба эти фактора приводят к повышению температуры и давления рабочей смеси, что способствует появлению детонационного-сгорания.

В случае необходимости эксплуатации двигателя с нагаром на деталях, следует уменьшить угол опережения зажигания.

Охлаждение двигателя. Часть теплоты отработавших газов-через стенки отводится в охлаждающую среду. При уменьшении отвода теплоты возникает перегрев внутренних поверхностей цилиндра, поршня и головки цилиндров, что приводит к возникновению детонационного сгорания.

В процессе сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую. Это превращение осуществляется в течение некоторого промежутка времени, когда поршень находится вблизи в. м. т.

Эффективность протекания процесса сгорания зависит от большого количества факторов и прежде всего от способа смесеобразования и воспламенения топлива. Поэтому в отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания необходимо рассматривать отдельно для двигателей с искровым зажиганием и дизелей.

Процесс горения топлива, его развитие и полное завершение в короткий срок представляют собой ряд сложных последовательных реакций.

Если температура рабочей смеси в начальный момент реакции сгорания низкая, то реакции кислорода с топливом практически не происходит. При высоких температурах скорость этой реакции возрастает и процесс сгорания происходит очень быстро 1.

Опыты показали, что скорость реакции зависит от состава горючей смеси, т. е. от коэффициента избытка воздуха, а воспламенение однородной горючей смеси возможно в определенных пределах изменения коэффициента избытка воздуха. За пределами этих значений коэффициента избытка воздуха воспламенить однородную смесь невозможно.

Наименьший коэффициент избытка воздуха ccmin, при котором можно воспламенить смесь, называют верхним концентрационным пределом распространения пламени. Наибольший коэффициент избытка воздуха amax, при котором еще можно воспламенить смесь, называют нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Показано изменение скорости распространения пламени ин при сгорании смеси некоторых топлив с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В применяемых для двигателей углеводородных топливах наибольшие скорости имеют смеси при а = 0,85 -=- 0,9. Дальнейшее обогащение или обеднение смеси приводит к плавному снижению скорости распространения пламени до такого значения, при котором смесь не воспламеняется. При повышении температуры в момент воспламенения топлива ин увеличивается (пропорционально квадрату температуры), при повышении давления — несколько снижается.

В двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючая смесь, состоящая из горючего газа или паров жидкого топлива и воздуха, практически однородна и ее воспламенить за пределами воспламеняемости невозможно.

При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. Поэтому в карбюраторных двигателях при изменении нагрузки необходимо одновременно изменять количество поступающего в цилиндр топлива и воздуха так, чтобы при всех нагрузках горючая смесь находилась в пределах воспламеняемости. Количество поступающей в цилиндр горючей смеси в карбюраторном двигателе регулируется изменением положения дроссельной заслонки при одновременном изменении в узких пределах (а = 0,85 н – 1,15) состава горючей смеси в зависимости от нагрузки. Такое количественное регулирование состава смеси, когда при прикрытой дроссельной заслонке приходится использовать богатую смесь,снижает экономичность двигателя.

В действительном цикле, где сгорание происходит за некоторыйпромежутоквремени(около0,001сек),поршень успевает несколько переместиться от в. м. т. За период сгорания коленчатый вал поворачивается на 15—25°.

Показана индикаторная диаграмма процессов сгорания и расширения четырехтактного карбюраторного двигателя с характерными точками цикла. Штриховыми линиями изображены процесс расширения, соответствующий случаю, когда электрическая искра в камеру сгорания не подавалась и топливо не воспламенялось, процесс подвода теплоты на участке cz (V= const) и начало расширения на участке zzxдиаграммы в теоретическом цикле.

Для быстрого сгорания рабочей смеси вблизи в. м. т., при котором достигается наилучшее использование теплоты, необходимо в камеру сгорания подать электрическую искру в тот момент, когда коленчатый вал на несколько градусов не доходит до в. м. т. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий проскакиванию искры до в. м. т., называют углом опережения зажигания и обозначают через фа. В зоне проскакивания искры она оказывает тепловое и электрическое воздействие на рабочую смесь. Если рабочая смесь находится в пределах воспламеняемости, возникает очаг воспламенения.

Опыты показали, что видимое пламя появляется не мгновенно в момент проскакивания искры, так как для его образования и химической подготовки смеси к сгоранию требуется некоторый промежуток времени, равный тысячным долям секунды. При проведенииэкспериментов,уголопережениябылвыбраннаивыгоднейший (20° до в. м. т.), который обеспечивает при данном скоростном режиме оптимальные показатели двигателя.

Несмотря на то, что электрическая искра иодавалась в камеру сгорания в точке 1, повышение давления от точки 1 до точки 2 происходит так, как если бы искра не проскакивала. При фотографировании камеры в этот период времени не обнаружено видимого процесса сгорания. В точке 2, соответствующей углу поворота коленчатого вала 8° до в. м. т. заметно начало резкого повышения давления. С этого момента в связи с расширением фронта пламени количество выделившейся теплоты резко увеличивается, что приводит к заметному повышению давления и температуры. Наибольшее давление было достигнуто при ф = 11° после в. м. т.

Анализ процесса сгорания по индикаторной диаграмме показывает, что максимальная температура цикла достигается не при наибольшем давлении, а несколько позже. Это объясняется тем, что интенсивный процесс сгорания продолжается еще после того, как давление достигнет максимального значения. Однако вследствие движения поршня с возрастающей скоростью и происходящего при этом расширения газов давление начинает уменьшаться, чему способствует также увеличивающаяся отдача теплоты от газов к стенкам.

Наблюдение за развитием процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием можно вести несколькими способами. Наиболее наглядным из них является фотографирование процесса через специально вмонтированные в головку цилиндров кварцевые окна, способные выдержать высокие давления и температуру.

При фотографировании различных периодов процесса сгорания в камере сгорания обнаружено наличие светящегося контура, отделяющего сгоревшую смесь от несгоревшей. Этот контур, называемый фронтом пламени, представляет собой тонкий слой смеси, в котором развиваются реакции сгорания.

Развитие процесса сгорания на основании обработки результатов фотографирования камеры сгорания через весьма короткие промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала примерно на 2°, показано на рис. 54, б.

Волнообразными линиями изображен фронт распространения пламени при соответствующем угле поворота коленчатого вала дляслучая,когдаотсутствует направленное движениезаряда.

Окончание процесса видимого сгорания было зафиксировано при повороте коленчатого вала на 14—16° после в. м. т.

Показано среднее значение скорости распространения пламени ин в зоне, где происходит наиболее интенсивное развитие процесса сгорания (средняя зона камеры сгорания). К концу процесса, развивающегося в пристеночных слоях и в зонах, где нет интенсивного движения заряда, скорость существенно снижается.

При наличии направленного движения заряда развитие процесса значительно ускоряется. В современных быстроходных автомобильных двигателях скорость распространения пламени в средней зоне камеры достигает 60 м/сек.

Процесс сгорания можно разделить на три фазы:

Первая фаза — от момента проскакивания электрической искры до начала резкого повышения давления по индикаторной диаграмме характеризуется углом 6jи называется начальной фазой сгорания. Она включает период, в течение которого возникает небольшой очаг горения в зоне высоких температур между электродами свечи (в момент разряда температура достигает примерно 10 000° К), и период появления видимого начального очага воспламенения. За время, соответствующее первой фазе, сгорает 6—8% горючей смеси.

Вторая — основная фаза сгорания характеризуется углом 6ц от момента начала резкого повышения давления до момента достижения максимального давления Рг]тах (от точки 2 до точки 3). В течение этого периода пламя распространяется в большей части объема рабочей смеси и выделяется наибольшее количество теплоты. За время второй фазы сгорает около 80% горючей смеси.

Вторую фазу сгорания при наличии индикаторной диаграммы оценивают по скорости нарастания давления на каждый градус угла поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины, называемой жесткостью процесса,определяется отношением.

При необходимости оценить величину наибольшего приращениядавления (-г^)учитывают толькопрямолинейныйучасток нарастания давления в процессе сгорания (от точки к до точки I).

Третья фаза, обозначаемая 6Ш, начинается в точке 3 индикаторной диаграммы и характеризует догорание топлива. Окончание этой фазы зафиксировать на индикаторной диаграмме затруднительно, поскольку не представляется возможным установить момент, когда сгорает все топливо. В двигателях с искровым зажиганием топлива продолжительность третьей фазы невелика, и процесс сгорания при правильном его осуществлении заканчивается полностью на первой половине хода поршня в процессе расширения.

Величина средней жесткости процесса в этих двигателях составляет 1—2 бар/град.