Причины не переходить на бензин А-76 с более высокооктанового топлива
А-76 ? Нет, АИ-93 !
Где-то не сработали плановики или снабженцы, и на самом оживленном летнем автомобильном маршруте на бензоколонках в разгар сезона появились очереди. В конце концов все заправились и уехали по домам, но не так быстро, как хотелось бы, и осталось скверное настроение и настороженность — не система ли это! Может «на семьдесят шестом» ездить лучше, его ведь больше! Кто-то еще рассудил, что пятикопеечная разница в цене А-76 и АИ-93 оборачивается крупными доходами для ездящих на «семьдесят шестом». Но забыл или просто не знал элементарных правил конструирования современных автомобильных моторов. А кто-то, пользуясь наивностью рядового автолюбителя, «разработал и изготовил» (уж не будем говорить каким путем) приспособления, «гарантирующие» безбедную эксплуатацию моторов на непригодном для них бензине. И... эпидемия «экономии» потянула за со бон солидные расходы. «Проверенные годами и тысячами километров пробега» проставки под свечи, прокладки, разборки и «спецрегулировки» двигателей, оцененные их авторами в десятки рублей и предлагаемые всевозможными возлеавтомобильными дельцами, через некоторое время превращаются в сотни рублей, затраченных простаками на ремонт двигателей. Находятся и люди поосторожнее, спрашивающие советов по установке всех этих сомнительных изобретений у редакции «За рулем». Ответить на поставленные читателями вопросы мы попросили специалистов научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, занимающихся двигателями внутреннего сгорания, кандидата технических наук А. ДМИТРИЕВСКОГО и инженера А. ТЮФЯКОВА.
Создавая автомобильный двигатель, конструкторы решают одновременно целый комплекс задач большого общественного значения. Мотор должен обе-
спечивать автомобилю необходимые в современном транспортном потоке тягово-динамические качества. Он должен быть экономичным, так как топливная промышленность, базирующаяся на естественных ресурсах, не может развиваться до бесконечности. Он обязан — сейчас это одна из важнейших общечеловеческих задач — быть малотоксичным, не загрязнять отравляющими веществами воздух, которым мы дышим. Существуют и другие задачи, связанные с его долговечностью, надежностью, металлоемкостью и себестоимостью в производстве, не менее серьезные, но все-таки отступающие сегодня на второй план.
Наиболее важные из этих задач лежат в основе конструирования тепловых двигателей — выборе наилучшего соотношения между запланированным топливом и конструкцией мотора в целом, отдельных его частей и деталей. Этим объясняется все большее производство и применение на транспорте высокооктановых бензинов, повышение степени сжатия двигателей, создание совершенных систем питания, газораспределения и зажигания, обеспечивающих наиболее полное и своевременное сгорание заряда топливной смеси. Естественно, что все конструктивные элементы двигателя находятся в тесной взаимосвязи по своим рабочим характеристикам.
В первую очередь под контролем создателей современных моторов находится процесс сгорания топлива в цилиндрах. Объясняется это тем, что любые несоответствия между составом рабочей смеси, временем и характером ее воспламенения и конструкцией того объема, где происходят процессы горения, теплообмена и превращения тепловой энергии в механическую, приводят к так называемым аномальным процессам сгорания — детонации, калильному зажиганию, самовоспламенению рабочей смеси — со всеми вытекающими отсюда пагубными для двигателя последствиями.
Чтобы более четко представить характер и проявления этих процессов, дадим некоторые пояснения.
Детонация — сгорание наиболее удаленной от свечи части заряда смеси с высокими скоростями (от 1200 до 4800 м/с), зависящее от частоты вращения коленчатого вала. Она сопровождается звонким металлическим стуком и хорошо прослушивается при низких и средних скоростях движения. Как правило, водители не допускают длительной работы в этом режиме, зная о его возможных последствиях — перегреве и увеличенном износе деталей двигателя. Наиболее опасна и разрушительна детонация при высокой частоте вращения коленчатого вала.
Другой вид аномального сгорания характеризуется тем, что самовоспламенение части рабочей смеси происходит, например, от частиц нагара на поверхности камеры сгорания, после начала нормального горения основного объема заряда и повышения давления и температуры в цилиндре.
Однако больше всего следует опасаться самовоспламенения смеси от перегретых деталей, возникающего намного раньше появления искры. Чаще всего источником этого служит центральный электрод свечи. Такое самовоспламенение называют калильным зажиганием. Оно может возникать при установке слишком «горячих», непригодных для данного двигателя, свечей зажигания или при работе со слишком ранними, неоптимальными для данного топлива углами опережения зажигания, даже когда свечи выбраны правильно, а также при перегреве двигателя в случае использования бензина с пониженным октановым числом, имеющего, как правило, повышенную склонность к самовоспламенению. Появление калильного зажигания сопровождается снижением мощности на 5—10%, характерными стуками и резким повышением давления и температуры заряда в процессе сгорания. В результате при такой работе мотора в лучшем случае оплавляется центральный электрод свечи, в худшем — происходит обгорание поршня и начинается задир цилиндра, для чего иногда бывает достаточно нескольких секунд.
Этот вид нарушенного процесса сгорания представляет особую опасность, потому что обычно возникает при работе двигателя на высоких оборотах, когда такого рода стуки в двигателе из-за сильного общего шума не прослушиваются даже опытными водителями.
К числу аномальных процессов относится и самовоспламенение при очень низкой частоте вращения (200— 300 об/мин) коленчатого вала, возникающее от нагревания рабочей смеси в цилиндре при выключенном зажигании. Это явление не имеет ничего общего с калильным зажиганием от перегретых деталей и может лишь косвенно свидетельствовать об ухудшении теплоотдачи, например, из-за чрезмерного отложения нагара или повышенной склонности залитого топлива к самовоспламенению.
В ряде случаев оно может быть устранено регулировкой карбюратора — уменьшением количества смеси, подаваемой на холостом ходу. Этим добиваются снижения давления и температуры смеси в цилиндре при ходе сжатия. Некоторые карбюраторы (например, на ВАЗ—2103) оснащают специальными клапанами, отключающими подачу топлива при выключении зажигания.
При разработке двигателей учитываются все возможные случаи возникновения аномальных процессов сгорания и их разрушительные последствия. Поэтому степень сжатия, объем и форма камеры сгорания, октановое число топлива и углы опережения зажигания находятся в строгой взаимной зависимости.
Степень сжатия обычно выбирают так, чтобы во время работы на небольших оборотах (1000—1500 об/мин) детонация начиналась при углах опережения зажигания, соответствующих падению мощности на 2—6%. На средних и высоких оборотах (3000 об/мин и больше) двигатель должен работать без детонации при оптимальных углах опережения.
Рис. 1. Детонационная и регулировочная характеристики двигателя рабочим объемом 1,45 л со степенью сжатия 8,5 по углу опережения зажигания при полном открытии дроссельных заслонок: 1 — граница зоны детонации на бензине АИ-93; 2 — характеристика центробежного автомата опережения зажигания с установочным углом по началу появления детонации: 3 — кривая оптимальных углов опережения зажигания; 4 — характеристика серийного установленного на двигателе центробежного автомата опережения зажигания; 5 — граница зоны детонации на бензине А-76; 6 — кривая опережения зажигания, соответствующая падению мощности на 5%.
На рис. 1 приведены детонационная характеристика и регулировочные характеристики по углу опережения зажигания двигателя рабочим объемом 1,45 л, имеющего степень сжатия 8,5. Из графика видно, что детонация может возникать и при сравнительно высокой частоте вращения (3000—3500 об/мин), когда она уже плохо прослушивается. Если же устанавливать зажигание по началу детонации при низкой частоте вращения коленчатого вала, то при увеличении ее двигатель будет работать со слишком ранними углами опережения, превышающими оптимальные на 10—15°. В результате может возникнуть калильное зажигание. Поэтому современные высокооборотные двигатели требуют точной установки углов опережения зажигания в соответствии с заводскими рекомендациями и применения высокооктанового топлива. Особенно следует подчеркнуть, что при длительной эксплуатации, тем более на этилированном бензине, требования к октановому числу повышаются по причине образования нагара на стенках камеры сгорания.
Теперь, после знакомства с основными видами аномальных процессов сгорания, взаимосвязью между степенью сжатия, октановым числом бензина и углами опережения зажигания, становятся понятными неудачи в использовании на «жигулях» и «москвичах—412» («2140») бензина с пониженным, по сравнению с рекомендуемым, октановым числом.
Рис. 2. Разрушение перегородок между поршневыми кольцами — результат детонации, возникшей при работе двигателя ВАЗ —2103 на бензине А-76.
Некоторые автолюбители, положившись на собственный опыт эксплуатации автомобилей старых моделей, решили использовать такой бензин без каких-либо переделок двигателя. Установив более позднее зажигание и чаще переходя на низшие передачи, они старались не допускать работы его со слышимой детонацией при малых и средних скоростях движения. Однако с каждой тысячей километров вероятность разрушения некоторых деталей двигателя неминуемо возрастает. Наиболее характерным примером этого служит поломка перемычек между канавками для поршневых колец (рис. 2) — прямое следствие одного из рассмотренных видов аномального сгорания.
Другая, более многочисленная часть автолюбителей стала изыскивать пути самостоятельного уменьшения степени сжатия до величины, обеспечивающей работу двигателя без прослушиваемой детонации на бензине А-76 или даже А-72.
Наиболее простым средством снижения степени сжатия многим казалось применение различного рода проставок (или так называемых футерок), устанавливаемых на место свечей зажигания в головку цилиндров. «Творческая мысль», казалось, не знала предела. Проставки
объемом 8—10 см3 изготавливались из всевозможных, в том числе и жаростойких материалов с наружным оребрением, с рубашкой, подключаемой к системе охлаждения. Увлечение проставками и последствия, к которым это привело, послужили причиной для тщательного исследования работы двигателей с этими инородными конструкциями. Увы, даже самые совершенные из них — с водяным охлаждением обеспечивали работу мотора на испытательном стенде только при снабжении их холодной водой из водопровода. Как только к проставкам подводилась жидкость из системы охлаждения и двигатель нагружался, жидкость в рубашках футерок закипала и происходило выгорание центральных электродов свечей (это хорошо видно на рис. 3).
Рис. 3. Выгорание центрального электрода свечи сопровождало испытания всех без исключения проставок под свечи.
Известны также проставки с малым внутренним объемом (1,5—3,0 см3) и с одним или несколькими выходными отверстиями малого диаметра, имитирующими форкамерно-факельное зажигание. Такие проставки, хотя и обеспечивали возможность работы без детонации при низких оборотах, с выходом за 3000 об/мин провоцировали калильное зажигание и последствия, хорошо видные на рис. 4. Проставки большого объема и с воздушным охлаждением вызывали перегрев свечей на еще более низких оборотах коленчатого вала. Были отмечены и случаи приваривания резьбовой части проставки к головке блока из-за сильного перегрева.
Рис. 4. Результат калильного зажигания прекрасно иллюстрируется прогоревшим и задранным поршнем (справа), существенно отличающимся по внешнему виду от нормального (слева).
Вторым путем уменьшения степени сжатия, по которому пошло самодеятельное творчество, является утолщение прокладки под головкой цилиндров. Изготовление одной толстой металлической прокладки весьма сложно: чтобы обеспечить хорошее уплотнение, ее надо сделать из специального жаростойкого и мягкого материала в виде ажурных колец вокруг отверстий цилиндров, водяных и масляных каналов, соединенных тонкими перемычками. Поэтому некоторые автолюбители пытались снизить степень сжатия в допустимых пределах установкой трех серийных прокладок. Однако в таком случае вследствие перегрева стальных окантовок вокруг отверстий над цилиндрами после непродолжительной работы двигателя появляются калильное зажигание и детонация, что приводит к быстрому прогару прокладок.
Чаще же всего автолюбители используют относительно тонкую прокладку из меди или жаростойкого алюминия, устанавливаемую между двумя серийными для отвода тепла от окантовок отверстий. Но и этот вариант увеличения объема камеры сгорания не устраняет опасности нарушения теплового режима окантовок серийных прокладок. Следует иметь в виду также, что форма камеры сгорания становится неоптимальной по антидетонационным качествам, так как увеличение расстояния от днища поршня до нависающей над цилиндром плоскости головки существенно уменьшает интенсивность завихрения заряда, когда поршень приближается к верхней мертвой точке. Кроме того, установка дополнительных прокладок изменяет расстояние между осями коленчатого и распределительных валов, что при цепном приводе вызывает нежелательное изменение фаз газораспределения.
Известная опасность кроется и в уменьшении суммарной жесткости уплотнения газового стыка между блоком и головкой цилиндров, поэтому существенно повышается вероятность прогара прокладок и самом головки. Уменьшить эту вероятность можно, только увеличив момент затяжки болтов крепления, однако в этом случае появляется другая опасность — деформация головки и нарушения плоскостности ее опорной поверхности.
В двигателях с клиновой камерой сгорания («жигули») предпринимались попытки увеличить ее объем в головке снятием слоя металла со стенок и соответствующим подбором «холодных» свечей с короткой резьбовой частью. В результате увеличения расстояния от тарелки клапана до стенки камеры при большой частоте вращения несколько повышается (на 2—3%) наполнение двигателя и частично компенсируется потеря мощности, вызванная снижением степени сжатия. На «москвичах» были попытки увеличить объем камеры сгорания протачиванием или фрезерованием сферического днища поршня.
Оба эти способа небезопасны. При современном производстве головок цилиндров и поршней, обеспечивающем минимально допустимую толщину стенок, даже небольшое их утоньшение, как показала практика, приводит к появлению трещин в этих деталях и выходу из строя двигателя.
А теперь, уяснив все опасности, которые несут разные реконструкции, вернемся к экономике. И прежде всего учтем, что снижение степени сжатия с 8,5—8,8 до 7,2—7,4 по результатам стендовых испытаний дает одновременно снижение на 8—12°/о максимальной мощности и увеличение на 10—14% расхода топлива.
Несложный подсчет показывает следующее. Средний эксплуатационный расход топлива у «жигулей» и «москвичей» может быть в пределах 10 л/100 км, что при условном годовом пробеге 10 000 километров составляет 1000 литров. Литр бензина АИ-93 стоит 20 копеек. Таким образом, владелец автомобиля израсходует в год 200 рублей. С переводом двигателя на А-76 расход топлива повысится в среднем на 12% и составит 11,2 л/100 км. При том же пробеге (10 000 километров) и цене литра А-76 15 копеек затраты составят 168 рублей, то есть на 32 рубля в год меньше. Но если приплюсовать сюда порядочные расходы на дополнительные детали и переделку двигателя, сопровождающуюся постоянным риском не только вывести его из строя, но и попасть в аварийную ситуацию, вывод получается однозначный — нерентабельно.
Возможно, что «специалисты», предлагающие вам купить «самые совершенные» проставки, прокладки из «спецалюминия», разделать головку цилиндров не только под «76-й», но хоть под «66-й» бензин, будут убеждать и приводить доводы типа «один знакомый уже три года ездит и...», не спешите сэкономить. Возьмите бумагу и карандаш. Сложите «выгоды». Вычтите «расходы». Оставьте в уме ту ситуацию, когда перед вами неожиданно возникает встречный автомобиль и на завершение обгона не остается времени. Здесь любой, даже самый хладнокровный водитель включает пониженную передачу и дает полный «газ», но при этом у вас появится шанс услышать скрежет заклинивающегося мотора... И только после этого подсчета принимайте решение.
1978N06P6-8