Какое давление в камере сгорания бензинового двигателя

Компрессия важный показатель, но главный ли?

На что влияет компрессия? В официальной технической литературе слово «компрессия» не используется. Первоисточники называют это давлением конца такта сжатия. Данный параметр измеряется при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и без взрыва топлива в камере сгорания. Многие автомобилисты полагают, что замер «компрессии» в цилиндрах двигателя является главной процедурой диагностики. Если давление ниже нормы, то двигатель, по их мнению, непременно нуждается в капитальном ремонте. Однако насколько показательной является компрессия в действительности?

Важно понимать, что компрессия (будем так ее называть) всегда зависит от степени сжатия, а степень сжатия от компрессии – никогда. На величину компрессии влияет множество других параметров. Это и температура при проведении измерений давления, и регулировка фаз газораспределения, давление начала сжатия, герметичность камеры, зависящая от степени изношенности поршневых колец и стенок цилиндров, а также многое другое.

Заблуждение первое :«Поднял компрессию – увеличил мощность»

Естественным образом из сказанного вытекают выводы о том, что утечки будут минимальными, если цилиндр имеет идеально круглую форму, отсутствуют продольные риски на его рабочей поверхности, поршневые кольца идеально прилегают к ней и к торцевым поверхностям канавок поршня; если близка к нулю величина зазоров в замках колец и, наконец, тарелки клапанов идеально прилегают к седлам. Напоминаем это и есть геометрия ЦПГ.

Заблуждение второе: «Нет компрессии – сразу на капиталку»

Заблуждение третье: «Чем выше компрессия, тем лучше»

Так на что влияет компрессия?

Неравномерная по цилиндрам компрессия это одна из причин вибрации двигателя, особенно ощутимая на холостом ходу и при малых оборотах. А это, в свою очередь, вредит и трансмиссии, и подвеске мотора. Да и самому водителю. Если компрессия в цилиндрах неравномерна, то происходит разбалансировка двигателя. Именно поэтому наша задача в идеале получить одинаковые заводские значения компрессии по всем цилиндрам. Что мы и получаем с использованием нашего состава.

Если хотите получить очень “бодрый” двигатель, уменьшить вибрацию, улучшить динамику, то лучше получить одинаковые значения компрессии по цилиндрам, и снизить потери мощности ДВС за счет уменьшения коэффициента трения, при улучшении показателей по КПД, Именно эти задачи наша компания может решить.

График давления в цилиндре. Работа двигателя на холостом ходу без нагрузки

Положение характерных точек и участков графика давления в цилиндре бензинового двигателя внутреннего сгорания позволяет определить взаимное положение коленчатого и газораспределительных валов, а измерение и сравнение значений абсолютного давления в цилиндре в некоторых характерных точках позволяет определить состояние уплотнений диагностируемого цилиндра. Для наглядности, характерные точки и участки приведённых графиков давления в цилиндре отмечены буквами.

График давления в цилиндре и его характерные точки и участки прогретого до рабочей температуры исправного четырёхтактного четырёхцилиндрового бензинового двигателя, работающего на холостом ходу.

Тот же график, но с увеличенным усилением для лучшей наглядности участков выпуска отработавших газов и всасывания рабочей смеси.

Точка A (или ВМТ 0°).

В вершине графика (точка A) давление в цилиндре достигает своего максимума. Иногда это давление называют динамической компрессией. В этот момент поршень находится на самом близком расстоянии от головки блока цилиндров. Такое положение поршня называют Верхняя Мёртвая Точка (ВМТ). Момент, когда поршень находится в ВМТ и при этом впускные и выпускные клапаны закрыты, отмечают как ВМТ 0° или 0°.

Давление в точке A возникает в результате сжатия смеси в цилиндре (или в результате сжатия воздуха в цилиндре при проведении диагностики механической части двигателя по графику давления в цилиндре; далее по тексту смеси) начиная с момента закрытия впускного клапана (точка L) до момента достижения поршнем ВМТ 0° (точка A). Значение давления в цилиндре в точке A может значительно изменяться и зависит от степени сжатия диагностируемого цилиндра, состояния уплотнений диагностируемого цилиндра, частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества сжимаемой в диагностируемом цилиндре смеси.

1) Степень сжатия смеси в цилиндре.

Степень сжатия определяется конструкцией цилиндра — рабочий объём цилиндра и объём камеры сгорания. Степень сжатия фактически показывает во сколько раз полный объём цилиндра (сумма рабочего объёма и объёма камеры сгорания) больше объёма камеры сгорания. Рабочий объём цилиндра в период эксплуатации двигателя практически не изменяется. Объём камеры сгорания в период эксплуатации двигателя может уменьшиться из-за отложения нагара на поверхности камеры сгорания и на дне поршня. Следствием уменьшения объёма камеры сгорания является увеличение степени сжатия. Таким образом, в период эксплуатации двигателя, степень сжатия может измениться.

Чем больше степень сжатия в диагностируемом цилиндре — тем больше значение давления в цилиндре в точке A.

2) Состояние уплотнений.

Качество уплотнения внутренней полости цилиндра определяется состоянием компрессионных колец, состоянием зеркала цилиндра, плотностью закрытия впускных и выпускных клапанов, целостностью прокладки головки блока цилиндров, целостностью стенки цилиндра, головки блока цилиндров и поршня.

В период эксплуатации двигателя качество уплотнений может ухудшаться вследствие износа или разрушений перечисленных элементов. Вследствие негерметичности уплотнений, часть смеси при сжатии выдавливается из цилиндра через уплотнения.

С ухудшением качества уплотнений диагностируемого цилиндра, значение давления в цилиндре в точке A уменьшается.

Количество просочившихся через уплотнения газов зависит от длительности воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре, а длительность воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. С увеличением частоты вращения двигателя, длительность воздействия на уплотнения повышенного давления в цилиндре уменьшается, вследствие чего количество просочившихся через уплотнения газов так же уменьшается. А чем меньше утечки смеси из цилиндра, тем больше значение давления в цилиндре в точке A.

3) Количество смеси в цилиндре в момент закрытия впускного клапана.

Количество смеси в цилиндре зависит от момента закрытия впускного клапана и от значения абсолютного давления во впускном коллекторе. Момент закрытия впускного клапана определяется работой системы газораспределения. При условии, что педаль акселератора не нажата (двигатель работает на холостом ходу), значение абсолютного давления во впускном коллекторе зависит от положения исполнительного механизма регулирования частоты вращения двигателя на холостом ходу (далее по тексту клапана холостого хода). Когда двигатель работает на холостом ходу, значение абсолютного давления во впускном коллекторе ниже атмосферного давления на 0,6…0,7 Bar — то есть, воздух во впускном коллекторе разрежён. С увеличением степени открытия клапана холостого хода, значение абсолютного давления во впускном коллекторе увеличивается (разрежение во впускном коллекторе уменьшается).

Чем больше абсолютное давление во впускном коллекторе, тем большее количество смеси окажется в цилиндре в момент закрытия впускного клапана, а чем большее количество смеси будет сжиматься в цилиндре, тем большего значения достигнет давление в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше степень открытия клапана холостого хода, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

Степень открытия клапана холостого хода в свою очередь зависит в основном от нагрузки на коленчатый вал двигателя, температуры охлаждающей жидкости, соотношения количества работающих и неработающих цилиндров, угла опережения зажигания и состава сжигаемой в работающих цилиндрах топливовоздушной смеси.

а) Нагрузка на коленчатый вал двигателя.

Блок управления двигателем изменяет положение клапана холостого хода так, чтобы частота вращения двигателя была равна заданной частоте вращения на холостом ходу. С увеличением нагрузки на коленчатый вал двигателя (работает насос гидроусилителя рулевого управления в момент вращения рулевого колеса, включены мощные электрические потребители) для поддержания заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу, клапан холостого хода приоткрывается. Это вызывает увеличение абсолютного давления во впускном коллекторе, что в свою очередь приводит к увеличению количества смеси сжимаемой в цилиндре и к увеличению значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, чем выше нагрузка на коленчатый вал двигателя, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

б) Температура охлаждающей жидкости.

Заданная частота вращения двигателя на холостом ходу зависит от температуры охлаждающей жидкости — чем температура ниже, тем заданная частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу выше. Для обеспечения повышенной частоты вращения двигателя на холостом ходу при низкой температуре охлаждающей жидкости, блок управления двигателем приоткрывает клапан холостого хода. Это вызывает увеличение абсолютного давления во впускном коллекторе, что в свою очередь приводит к увеличению количества смеси сжимаемой в цилиндре и к увеличению значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, чем ниже температура охлаждающей жидкости, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

в) Количество работающих и неработающих цилиндров.

Для получения графика давления в цилиндре, датчик давления в цилиндре должен быть установлен на место свечи зажигания диагностируемого цилиндра. Высоковольтный провод диагностируемого цилиндра должен быть подключен к искровому разряднику. Разъём электромагнитной бензиновой форсунки диагностируемого цилиндра по возможности должен быть отключен от форсунки и подключен к резистору номиналом 100 ?. Таким образом, диагностируемый цилиндр оказывается отключенным и воспламенение в диагностируемом цилиндре не происходит.

Так как один из цилиндров уже не работает, для обеспечения заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу, клапан холостого хода приоткрывается, увеличивая нагрузку на работающие цилиндры — происходит перенос и распределение нагрузки с неработающего цилиндра на работающие цилиндры. Степень увеличения нагрузки на работающие цилиндры зависит от соотношения количества работающих и количества неработающих цилиндров. Например, при отключении одного из цилиндров четырёхцилиндрового двигателя, нагрузка на каждый из работающих цилиндров (нагрузка на три работающих цилиндра) увеличивается на

33%. Если же диагностируемый двигатель, к примеру, восьмицилиндровый, то при отключении одного из его цилиндров, нагрузка на каждый из семи работающих цилиндра увеличивается только на

В случае если кроме диагностируемого цилиндра отключен или по какой-либо причине не работает ещё один цилиндр, то нагрузка на работающие цилиндры возрастает ещё больше. Так, например, если при проведении диагностики работают только два цилиндра четырёхцилиндрового двигателя, то нагрузка на работающие два цилиндра оказывается увеличенной на

Увеличение нагрузки на работающие цилиндры двигателя осуществляется блоком управления путём увеличения степени открытия клапана холостого, что и обеспечивает поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу. При этом, абсолютное давление во впускном коллекторе увеличивается и как следствие — увеличивается количество сжимаемой в цилиндре смеси. А с увеличением количества смеси сжимаемой в цилиндре, увеличивается значения давления в цилиндре в точке A.

Таким образом, значение давления в цилиндре в точке A зависит от соотношения количества работающих и неработающих цилиндров. Чем больше цилиндров двигателя не работает, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

г) Угол опережения зажигания.

С увеличением угла опережения зажигания эффективность работы каждого из работающих цилиндров увеличивается. За счёт этого, для поддержания заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу при более раннем угле опережения зажигания требуется сжигание меньшего количества топливовоздушной смеси чем при более позднем угле опережения зажигания. С увеличением угла опережения зажигания, блок управления двигателем уменьшает количество сжигаемой топливовоздушной смеси путём закрытия клапана холостого хода, что обеспечивает поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу. С закрытием клапана холостого хода абсолютное давление во впускном коллекторе уменьшается и как следствие — уменьшается количество смеси сжимаемой в цилиндре. А с уменьшением количества смеси сжимаемой в цилиндре, уменьшается значения давления в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше угол опережения зажигания рабочей смеси в работающих цилиндрах, тем ниже значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

д) Состав топливовоздушной смеси.

Эффективность работы двигателя так же сильно зависит и от состава топливовоздушной смеси. Чем ближе состав топливовоздушной смеси к стехиометрическому, тем лучше эффективность сгорания такой смеси и как следствие — выше эффективность двигателя, работающего на такой смеси. Стехиометрической называют топливовоздушную смесь такого состава, при сгорании которой в отработавших газах остаётся минимальное количество свободного кислорода и несгоревших остатков топлива. Численное значение этого соотношения для бензина равно 14,7 Kg воздуха на 1 Kg бензина.

С увеличением отклонения состава топливовоздушной смеси от стехиометрического, эффективность работы двигателя ухудшается. Из-за ухудшения эффективности работы двигателя, для поддержания заданной частоты вращения двигателя требуется сжигание уже большего количества такой смеси. Поддержание заданной частоты вращения двигателя на холостом ходу при работе на бедной или богатой топливовоздушной смеси достигается за счёт увеличения количества сжигаемой в работающих цилиндрах смеси путём открытия клапана холостого хода. Вследствие увеличения степени открытия клапана холостого хода, увеличивается абсолютное давление во впускном коллекторе, а с увеличением абсолютного давления во впускном коллекторе увеличивается количество сжимаемой в цилиндре смеси. С увеличением количества сжимаемой в цилиндре смеси, увеличивается значения давления в цилиндре в точке A. Таким образом, чем больше отклонение состава топливовоздушной смеси в работающих цилиндрах от стехиометрического, тем выше значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A.

Сгруппируем сделанные выводы.

Значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A тем больше, чем:

больше степень сжатия в диагностируемом цилиндре;

выше нагрузка на коленчатый вал двигателя;

ниже температура охлаждающей жидкости;

большее количество цилиндров двигателя не работает;

больше отклонение состава топливовоздушной смеси в работающих цилиндрах от стехиометрического.

Значение давления в диагностируемом цилиндре в точке A тем меньше, чем:

хуже состояние уплотнений диагностируемого цилиндра;

больше угол опережения зажигания рабочей смеси в работающих цилиндрах.

При работе прогретого до рабочей температуры исправного бензинового двигателя на холостом ходу без нагрузки, давление в цилиндре в точке A равно 4…6 Bar. Если же при работе бензинового двигателя на холостом ходу давление в цилиндре в точке A ниже 3 Bar, воспламенение рабочей смеси в таком цилиндре на холостом ходу происходить не будет.

При работе прогретого до рабочей температуры исправного бензинового двигателя на холостом ходу в момент резкой перегазовки давление в цилиндре в точке A увеличивается примерно в 3 раза.

По достижении верхней мёртвой точки ВМТ 0°, поршень останавливается и изменяет направление движения на противоположное, начиная отдаляться от головки блока цилиндров. Вследствие этого, объём между поршнем и головкой блока цилиндров начинает постепенно увеличиваться, а давление в цилиндре — уменьшаться.

Когда коленчатый вал провернётся на 30° после ВМТ 0°, давление в цилиндре численно будет близко к половине разницы максимального давления в цилиндре (точка A) и минимального давления в цилиндре (точка D). Эта точка на графике отмечена буквой B.

Пройдя точку B, поршень продолжает отдаляться от головки блока цилиндров с по-прежнему возрастающей скоростью перемещения. Скорость перемещения поршня продолжает увеличиваться до тех пор, пока коленчатый вал не провернётся на 90° после ВМТ 0°, поршень при этом пройдёт половину хода. Здесь скорость перемещения поршня максимальна. По прохождению отметки 90° после ВМТ 0°, скорость перемещения поршня начинает уменьшаться. Эта тачка отмечена на графике давления в цилиндре буквой C.

В точке C давление в цилиндре будет близким к атмосферному ±0,5 Bar. Но так как движение поршня по-прежнему продолжается, объём между поршнем и головкой блока цилиндров продолжает увеличиваться. Из-за дальнейшего увеличения закрытого объёма в цилиндре, абсолютное давление в цилиндре продолжает уменьшаться — то есть в цилиндре возникает разрежение.

Выпускной клапан начинает открываться прежде, чем поршень достигнет нижней мёртвой точки. Момент начала открытия выпускного клапана отмечен на графике буквой D. Поршень всё ещё отдаляется от головки блока цилиндров и объём между поршнем и головкой блока цилиндров продолжает увеличиваться. Но, начиная с точки D, абсолютное давление в цилиндре повышается. Повышение давления в цилиндре происходит за счёт того, что в цилиндр начинают перетекать отработавшие газы из выпускного коллектора через открывающийся выпускной клапан.

Перетекание газов из выпускного коллектора в цилиндр происходит за счёт того, что абсолютное давление в выпускном коллекторе, близкое к атмосферному, оказывается большим абсолютного давления в цилиндре. На графике давления в цилиндре, участок, где происходит перетекание отработавших газов из выпускного коллектора в цилиндр отмечен буквой E.

Центр участка E и должен пересекать отметку НМТ 180°.

Если центр участка E находится в пределах 170°…195° после ВМТ 0°

(-10°…+15° от НМТ 180°), то момент начала открытия выпускного клапана считают установленным правильно.

Положение поршня, когда расстояние от него до головки блока цилиндров оказывается максимальным, называют Нижняя Мёртвая Точка (НМТ). В НМТ поршень останавливается, и изменят направление движения на противоположное, начав вновь приближаться к головке блока цилиндров. Момент, когда поршень находится в НМТ и при этом впускной клапан закрыт, а выпускной клапан открыт (или начал открываться) отмечают как НМТ 180° или 180°, так как за время перемещения поршня от ВМТ 0° до НМТ 180° коленчатый вал двигателя поворачивается на 180°.

Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока не выровняется с давлением в выпускном коллекторе. Точка на графике, где давление в цилиндре уравнялось с давлением в выпускном коллекторе, отмечена буквой F.

Достигнув положения НМТ 180°, поршень начинает двигаться по направлению к головке блока цилиндров, что приводит к постепенному уменьшению объёма между поршнем и головкой блока цилиндров. Постепенное уменьшение объёма между поршнем и головкой блока цилиндров заставляет находящиеся в цилиндре газы перетекать в выпускной коллектор через открытый выпускной клапан — происходит выпуск отработавших газов.

Скорость перемещения поршня продолжает увеличиваться до тех пор, пока коленчатый вал не провернётся на 90° после НМТ 180°. Здесь скорость перемещения поршня максимальна. По прохождению отметки 90° после НМТ 180°, скорость перемещения поршня начинает уменьшаться. Участок, на котором перемещающийся по направлению к головке блока цилиндров поршень заставляет находящиеся в цилиндре газы перетекать в выпускной коллектор, отмечен на графике давления в цилиндре буквой G.

Среднее значение давления в цилиндре на такте выпуска отработавших газов должно быть близким к текущему атмосферному давлению. Повышение абсолютного давления в цилиндре более чем на 0,5 Bar относительно текущего атмосферного давления в середине участка G указывает на затруднённый отток газов из цилиндра.

Ухудшение оттока газов из цилиндра в выпускной коллектор может наступить вследствие недостаточного открытия выпускного клапана либо вследствие недостаточной пропускной способности выхлопной системы двигателя. Выпускной клапан может открываться на недостаточную величину из-за неисправной работы гидрокомпенсатора теплового зазора выпускного клапана (или из-за неправильной регулировки теплового зазора выпускного клапана, в случае если двигатель не оснащён гидрокомпенсаторами тепловых зазоров клапанного механизма) или из-за износа кулачка распредвала, открывающего выпускной клапан. Пропускная способность выхлопной системы двигателя может ухудшиться вследствие механического повреждения металлических труб системы выпуска отработавших газов или вследствие того, что каналы глушителя оказались перекрытыми остатками разрушившегося катализатора.

Приблизительно за 30°…0° угла поворота коленчатого вала перед ВМТ 360° впускной клапан начинает открываться. Момент начала открытия впускного клапана на графике давления в цилиндре отмечен буквой H.

По достижении поршнем токи H, впускной клапан начинает открывать канал, через который внутренний объём цилиндра соединяется с впускным коллектором, где абсолютное давление значительно ниже давления в цилиндре. Но давление в цилиндре продолжает по-прежнему уравниваться с давлением в выпускном коллекторе через всё ещё открытый выпускным клапаном канал. По этой причине, обнаружить точку H на графике давления в цилиндре большинства двигателей невозможно.

Достигнув второй верхней мёртвой точки, поршень останавливается, и изменят направление движения на противоположное, начав вновь отдаляться от головки блока цилиндров. Момент, когда поршень находится во второй ВМТ, отмечают как ВМТ 360° или 360°, так как за время перемещения поршня от ВМТ 0° до ВМТ 360°, коленчатый вал двигателя поворачивается на 360°.

Когда поршень достигает точки ВМТ 360° и изменят направление движения на противоположное, выпускной клапан оказывается уже почти закрытым. Вследствие закрытия канала, соединяющего внутренний объём цилиндра с выпускным коллектором, давление в цилиндре прекращаёт уравниваться с давлением в выпускном коллекторе. Впускной клапан при этом уже несколько открыл канал впуска рабочей смеси и продолжает открываться. Вследствие того, что канал, соединяющий внутренний объём цилиндра с впускным коллектором начал открываться, давление в цилиндре начинает уравниваться с давлением во впускном коллекторе. Так как значение абсолютного давления в цилиндре близко к атмосферному, газы из цилиндра начинают перетекать из цилиндра во впускной коллектор, где давление значительно ниже атмосферного.

Этот участок графика давления в цилиндре отмечен буквой I. Центр участка I должен пересекать отметку 380° после ВМТ 0° (20° после ВМТ 360°).

Если центр участка I находится в пределах 370°…390° после ВМТ 0° (±10° от отметки 380° после ВМТ 0°), то момент начала открытия впускного клапана считают установленным правильно. Для двигателей оснащённых системой изменения фаз газораспределения (система VVT) центр участка I должен находиться в пределах 380°…400° после ВМТ 0° (±10° от отметки 390° после ВМТ 0°).

В точке J давление в цилиндре выравнивается с давлением во впускном коллекторе, так как канал, соединяющий внутренний объём цилиндра с впускным коллектором открылся уже на значительную величину.

Фрагмент участка K между точками J и НМТ 540°.

Так как поршень отдаляется от головки блока цилиндров, объём между поршнем и головкой блока цилиндров увеличивается. Но, не смотря на увеличение внутреннего объёма цилиндра, понижение давления в цилиндре не происходит из-за того, что в цилиндр перетекает воздух из впускного коллектора через открытый впускным клапаном канал.

Скорость перемещения поршня продолжает увеличиваться до тех пор, пока коленчатый вал не провернётся на 90° после ВМТ 360°. Здесь скорость перемещения поршня максимальна. По прохождению отметки 90° после ВМТ 360°, скорость перемещения поршня начинает уменьшаться до тех пор, пока поршень не достигнет точки НМТ 540°.

Достигнув второй нижней мёртвой точки, поршень останавливается, и изменят направление движения на противоположное, начав вновь приближаться к головке блока цилиндров. Момент, когда поршень находится в НМТ и при этом выпускной клапан закрыт, а впускной клапан открыт (или начал закрываться) отмечают как НМТ 540° или 540°, так как за время перемещения поршня от ВМТ 0° до НМТ 540° коленчатый вал двигателя поворачивается на 540°.

Фрагмент участка K между точками НМТ 540° и L.

Достигнув отметки НМТ 540°, поршень начинает вновь приближаться к головке блока цилиндров, что приводит к постепенному уменьшению объёма между поршнем и головкой блока цилиндров. Но впускной клапан при этом некоторое время остаётся всё ещё открытым. Опоздание закрытия впускного клапана служит для улучшения наполняемости цилиндра топливовоздушной смесью. Происходит это за счёт значительной инерционности потока смеси на такте впуска. Когда поршень начинает двигаться к головке блока цилиндров, несмотря на уменьшающийся внутренний объём цилиндра, топливовоздушная смесь ещё некоторое время продолжает по инерции перетекать из впускного коллектора в цилиндр. Данный эффект зависит от скорости потока смеси из впускного коллектора в цилиндр на такте впуска — чем скорость выше, тем эффект заметнее. Скорость потока смеси из впускного коллектора в цилиндр зависит от частоты вращения двигателя и от угла открытия дроссельной заслонки — чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя и чем на больший угол открыта дроссе

льная заслонка, тем больше скорость потока смеси из впускного коллектора в цилиндр. Момент закрытия впускного клапана выбирают при проектировании двигателя таким, чтобы эффект избыточного наполнения цилиндра топливовоздушной смесью за счёт инерции потока смеси проявлялся в заданном диапазоне частот вращения двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке. Когда же двигатель работает при низкой частоте вращения коленчатого вала, опоздание закрытия впускного клапана приводит к негативному эффекту — перетеканию поступившей в цилиндр смеси обратно во впускной коллектор.

В двигателях, оснащённых системой изменения фаз газораспределения, момент закрытия впускного клапана постоянно регулируется на работающем двигателе в зависимости в основном от частоты вращения двигателя и нагрузки на коленчатый вал двигателя. Благодаря наличию такой системы, эффект избыточного наполнения цилиндра топливовоздушной смесью за счёт инерции потока смеси в таких двигателях проявлялся в очень широком диапазоне частот вращения коленчатого вала и при различных углах открытия дроссельной заслонки, за счёт чего двигатель развивает более высокую мощность в значительно более широком диапазоне частот вращения. Кроме того, в таких двигателях минимален эффект перетекания поступившей в цилиндр смеси обратно во впускной коллектор при низких частотах вращения коленчатого вала, за счёт чего достигается очень устойчивая работа двигателя на холостом ходу и высокие ездовые качества двигателя при низких частотах вращения коленчатого вала.

Конец закрытия впускного клапана отмечен на графике давления в цилиндре буквой L. С закрытием канала соединяющего внутренний объём цилиндра с впускным коллектором, при высоких частотах вращения двигателя прекращается избыточное наполнение цилиндра топливовоздушной смесью за счёт инерции потока смеси, а при низких частотах вращения двигателя прекращается перетекание поступившей в цилиндр смеси обратно во впускной коллектор. Важно заметить, что форма графика давления в цилиндре в точке L определяется направлением движения смеси по впускному каналу непосредственно перед моментом закрытия впускного клапана.

При низких частотах вращения двигателя возникает эффект перетекания поступившей в цилиндр смеси обратно во впускной коллектор и давление в цилиндре не увеличивается вплоть до момента закрытия впускного клапана. С закрытием впускного клапана, после относительно пологого участка K возникает резкий перелом графика в точке L и с этого момента, абсолютное давление в цилиндре начинает сравнительно интенсивно нарастать.

При высоких частотах вращения двигателя возникает эффект избыточного наполнения цилиндра топливовоздушной смесью за счёт инерции потока смеси и давление в цилиндре начинает увеличиваться уже с момента достижения поршнем точки НМТ 540°. С закрытием впускного клапана, после участка относительно интенсивного нарастания давления в цилиндре на участке между точками НМТ 540° и L, возникает заметный перелом графика в точке L и скорость нарастания абсолютного давления в цилиндре с этого момента резко уменьшается.

Поршень и далее продолжает перемещаться по направлению к головке блока цилиндров, уменьшая внутренний объём цилиндра. Теперь, когда оба клапана (впускной и выпускной) закрыты, уменьшение внутреннего объёма цилиндра приводит к увеличению давления в цилиндре.

Момент закрытия впускного клапана отмечен на графике давления в цилиндре буквой L. Точка L должна пересекать отметку 580° после ВМТ 0° (40° после НМТ 540°).

Если точка L (конец закрытия впускного клапана) находится в пределах 560°…600° после ВМТ 0° (20°…60° после НМТ 540°), то момент конца закрытия впускного клапана считают установленным правильно.

Скорость перемещения поршня увеличивается до тех пор, пока коленчатый вал не провернётся на 90° после НМТ 540°. Здесь скорость перемещения поршня максимальна. Эта тачка отмечена на графике давления в цилиндре буквой M.

В точке M давление в цилиндре будет близким к атмосферному ±0,5 Bar. Но так как движение поршня по-прежнему продолжается, объём между поршнем и головкой блока цилиндров продолжает уменьшаться. Из-за дальнейшего уменьшения закрытого объёма в цилиндре, абсолютное давление в цилиндре продолжает увеличиваться.

По прохождению отметки 90° после НМТ 540°, скорость перемещения поршня начинает уменьшаться.

За 30° перед ВМТ 720° давление в цилиндре численно будет близко к половине разницы минимального давления в цилиндре (точка L) и максимального давления в цилиндре (точка A). Эта точка на графике отмечена буквой N.

Давление в цилиндре продолжает увеличиваться до тех пор, пока поршень не достигнет точки A. Важно заметить, что основная работа по сжатию смеси в цилиндре производится за последние 30° поворота коленчатого вала перед ВМТ 720° — на участке между точками N и ВМТ 720°.

Точка A (или ВМТ 720°).

По достижении точки A поршень останавливается, и изменят направление движения на противоположное, начав вновь отдаляться от головки блока цилиндров. Таким образом, завершается полный цикл работы цилиндра и начинается новый.

За время перемещения поршня от предыдущей точки A (ВМТ 0°) до текущей точки A (ВМТ 720°), коленчатый вал двигателя поворачивается на 720°, по этому эту точку иногда отмечают как ВМТ 720° или 720°.

Утечки газов из цилиндра.

Поршень, двигаясь от точки M к ВМТ, перемещается на расстояние равное расстоянию, на которое он перемещается, двигаясь от ВМТ до точки C. При этом сначала поршень сжимает воздух (смесь), а потом разжимает его.

Переместившись от точки M до точки C, поршень оказывается на прежнем расстоянии от головки блока цилиндров — то есть, внутренний объём цилиндра в точке C равен внутреннему объёму цилиндра в точке M. Таким образом, теоретически, значение абсолютного давления в цилиндре в точке C должно быть равным значению абсолютного давления в цилиндре в точке M. Но на практике, значение абсолютного давления в цилиндре в точке C всегда оказывается меньшим абсолютного давления в цилиндре в точке M. Это происходит потому, что часть смеси при сжатии выдавливается из цилиндра через в той или иной мере негерметичные уплотнения. Разница значений абсолютного давления в цилиндре в точках C и M зависит от количества просочившихся через уплотнения газов. А как ранее было рассмотрено, количество просочившихся через уплотнения газов зависит от состояния самих уплотнений и от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Чем лучше состояние уплотнений и чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем меньше разница значений абсолютного давления в цилиндре в точках C и M.

Прокрутка двигателя стартером.

О правильности установки газораспределительных валов относительно коленчатого вала можно судить по положению ключевых участков E и I графика давления в цилиндре. При работе двигателя на холостом ходу ключевые участки E и I графика давления в цилиндре отчётливо видны за счёт возникающего в цилиндре разрежения в районе точки D и на участке K. Но при прокрутке двигателя стартером величина разрежения в цилиндре в точке D и / или на участке K очень мала, и положение ключевых участков E и I невозможно измерить, так как они почти не видны на графике.

График давления в цилиндре при прокрутке двигателя стартером с закрытой дроссельной заслонкой.

Тот же график, но с увеличенным усилением для лучшей наглядности ключевых точек.

Многие из рассмотренных ранее характерных точек и участков графика давления в цилиндре при работе двигателя на холостом ходу здесь не видны. Но положение ключевых точек D и L можно измерить с приемлемой точностью. Ошибка при измерении положения ключевых точек D и L возникает в основном из-за значительной неравномерности мгновенной частоты вращения коленчатого вала при прокрутке двигателя стартером.

Как видно по приведённым графикам, при прокрутке двигателя стартером возможно измерение положения только некоторых характерных точек графика давления в цилиндре. Измерение положения характерных участков графика давления в цилиндре невозможно. По этой причине, оценить взаимное положение коленчатого и газораспределительных валов по графику давления в цилиндре при прокрутке двигателя стартером можно только приблизительно. Проведение таких измерений имеет смысл только в том случае, если нет возможности получить график давления в цилиндре при работе двигателя на холостом ходу (двигатель невозможно запустить).

Точка A (или ВМТ 0°).

Давление в цилиндре в точке A при прокрутке двигателя стартером всегда выше, чем при работе двигателя на холостом ходу. Если при прокрутке двигателя стартером давление в цилиндре в точке A находится в пределах 8…16 Bar, цилиндр считают исправным. Если же при прокрутке двигателя стартером давление в цилиндре в точке A меньше 6 Bar, такой цилиндр не обеспечивает нормального сгорания топливовоздушной смеси и его считают неисправным.

Величина разрежения в цилиндре на участке K определяется величиной разрежения во впускном коллекторе — чем больше разрежение во впускном коллекторе, тем больше разрежения в цилиндре на участке K.

Когда двигатель выключен, коленчатый вал двигателя не вращается и разрежение во впускном коллекторе не возникает вовсе — то есть, значение абсолютного давления во впускном коллекторе равно текущему атмосферному давлению. С началом прокрутки двигателя стартером, воздух (смесь) из впускного коллектора начинает “всасываться” в цилиндры двигателя и во впускном коллекторе возникает разрежение. Среднее значение возникшего во впускном коллекторе разрежения определяется в основном частотой вращения коленчатого вала двигателя и положением клапана холостого хода (дроссельной заслонки). Чем ниже частота вращения коленчатого вала и чем на большую величину открыт клапан холостого хода (дроссельная заслонка), тем меньшее разрежение возникает в цилиндре на участке K.

При прокрутке двигателя стартером, частота вращения коленчатого вала двигателя оказывается настолько низкой, что даже при закрытой дроссельной заслонке, величина разрежения, возникающего во впускном коллекторе, а значит и в цилиндре на участке K, составляет 0,05…0,3 Bar. Из-за столь низкой величины разрежения в цилиндре,

при прокрутке двигателя стартером обнаружение участка I на графике давления в цилиндре оказывается невозможным. Но в большинстве случаев, можно довольно точно определить точку L.

По положению точки L, можно приблизительно судить о правильности установки впускного газораспределительного вала двигателя.

Если измеренное положение точки L (конец закрытия впускного клапана) при прокрутке двигателя стартером находится в пределах 560°…600° после ВМТ 0° (20°…60° после НМТ 540°), то взаимное положение впускного газораспределительного вала и коленчатого вала можно считать приемлемым.

Величина разрежения в точке D графика давления в цилиндре определяется моментом начала открытия выпускного клапана, величиной разрежения в цилиндре на участке K и количеством просочившихся через уплотнения газов.

Чем позже открывается выпускной клапан (но не позже ВМТ 180°), тем больше разрежение в цилиндре в точке D. Момент начала открытия выпускного клапана определяется работой системы газораспределения.

Чем больше разрежение в цилиндре на участке K, тем больше разрежение в цилиндре в точке D. Величина разрежения в цилиндре на участке K определяется частотой вращения коленчатого вала и положением клапан холостого хода и дроссельной заслонки.

Количество просочившихся через уплотнения газов определяется состоянием уплотнений и частотой вращения коленчатого вала. Чем хуже состояние уплотнений и чем ниже частота вращения двигателя, тем большее количество газов успеет просочиться через уплотнения и тем большее разрежение возникнет в цилиндре в точке D.

Таким образом, величина разрежения в точке D графика давления в цилиндре изменяется с изменением частоты вращения двигателя и с изменением положения клапана холостого хода (дроссельной заслонки).

При прокрутке двигателя стартером, частота вращения коленчатого вала двигателя оказывается настолько низкой, что через уплотнения даже исправного цилиндра успевает просочиться достаточно большое количество газов и в цилиндре в точке D графика давления возникает значительное разрежение. По этой причине, измерение положения центра участка E на графике давления в цилиндре при прокрутке двигателя стартером оказывается затруднительным. Но в большинстве случаев, можно с приемлемой точностью определить точку D.

По положению точки D, можно приблизительно судить о правильности установки выпускного газораспределительного вала двигателя.

Если измеренное положение точки D (начало открытия выпускного клапана) при прокрутке двигателя стартером находится в пределах 130°…160° после ВМТ 0° (50°…20° перед НМТ 180°), то взаимное положение выпускного газораспределительного вала и коленчатого вала можно считать приемлемым.

При условии, что измеренное положение при прокрутке двигателя стартером точки D графика давления в цилиндре находится в пределах 130°…160° после ВМТ 0° а точки L в пределах 560°…600° после ВМТ 0°, впускной и выпускной газораспределительные валы можно считать установленными с ошибкой не более ±2 зуба газораспределительного ремня (цепи) относительно коленчатого вала. Такое положение газораспределительных валов обеспечивает возможность запуска двигателя и его работы на холостом ходу. После пуска и прогрева двигателя, можно получить график давления в цилиндре при работе двигателя на холостом ходу. Тогда, по полученному графику давления в цилиндре при работе двигателя на холостом ходу, можно измерить положение участков E и I и теперь точно судить о правильность установки газораспределительных валов относительно коленчатого вала.

Компрессия в цилиндрах бензинового двигателя

Основным и важным показателем работы двигателя является герметичность камеры сгорания. Компрессия в цилиндрах двигателя определяет степень эффективного сгорания топлива, и соответственно, влияющая в прямой зависимости на уверенный его запуск, независимо от температуры окружающей среды, а также устойчивую работу как на холостом ходу, так и в движении.

Основные понятия

Компрессия — это параметр величины давления, создаваемый в цилиндре в конце такта сжатия. Величина зависит от достаточно большого количества факторов. Важно соблюдать правила замера в целях снижения процента ошибок при оценке технического состояния двигателя.

Общие правила измерения

Для предварительной общей оценке показателя компрессии в цилиндрах бензинового двигателя необходимо соблюдать следующие условия:

• прогрет до рабочей температуры;
• свечи зажигания вывернуты из всех цилиндров;
• отключена топливоподача (на инжекторных двигателях достаточно отключить датчик положения коленчатого вала, на карбюраторных — заглушить подачу топлива с бензонасоса);
• аккумулятор полностью заряжен или дополнительно подключен к пусковому устройству;
• стартер исправен;
• педаль сцепления полностью нажата;
• дроссельная заслонка полностью открыта;
• режимы замера по всем цилиндрам одинаков по времени прокрутки стартером (или по количеству тактов).

Стандарты и нормы

Существует мнение владельцев современных автомобилей, что компрессия горячего мотора может иметь значение от 8 до 10 атм.

Норма компрессии в цилиндрах любого двигателя от 12 атм, за редким исключением.

На автомобилях эксплуатируются двигатели различной конфигурации, определяемой количеством клапанов и распределительных валов, геометрией впускного коллектора, установленной шатунно-поршневой группы. В соответствии с этим рассчитывается его конкретная степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Чем выше степень сжатия, тем выше значение компрессии. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 8 — 12 единиц, что указывают в технической документации конкретного автомобиля. Теоретически определить какой должна быть компрессия в цилиндрах для конкретного двигателя не сложно. Достаточно величину степени сжатия умножить на коэффициент 1.3.

К примеру, степень сжатия в характеристиках автомобиля указывается равной 9,5 единиц, умножив 9,5 на коэффициент 1,3 получим расчетную величину равную 12,35 атм.

Приборы для проверки компрессии

Компрессометр — прибор, состоящий из манометра со шкалой, клапана сброса давления и наконечников. Наиболее удобным является гибкий шланг с резьбовым наконечником, в который установлен ниппель для предотвращения обратного выхода воздуха из прибора. Проверка компрессии в цилиндрах двигателя, предусматривающих в конструкции свечные колодцы, осуществляется вворачиванием гибкого шланга в резьбовое отверстие свечи, что исключает потери сжатого воздуха от неплотного прилегания жестких наконечников без резьбы.

Измерить компрессию в цилиндрах своими руками

Прежде всего необходимо установить по технической документации какой является нормальная компрессия бензинового двигателя конкретно к этому автомобилю и определиться с сложностью доступа к свечам зажигания. Если доступ требует разборки других узлов двигателя (дроссельный узел, впускной ресивер), препятствующих их выкручиванию и существует уверенность в их успешной разборке и сборке, то можно приступить к замеру.

Как мерить компрессию

Бытует мнение, чтобы правильно замерить компрессию в двигателе необходимо стартером провернуть коленчатый вал на два-три оборота. Такой метод приведет к неправильному определению неисправности и как следствие к неоправданным затратам на ремонт двигателя.

Проверку выполняют на разных режимах с целью широкого анализа состояния мотора:

• с закрытой дроссельной заслонкой;
• с полностью открытой заслонкой;
• с добавлением масла в цилиндр;
• на «холодном» двигателе.

Проверка с закрытой дроссельной заслонкой

Такой способ измерения нужен для определения малых дефектов двигателя, чувствительных при небольшом поступлении воздуха в цилиндры. Это может быть трещина на тарелке клапана, небольшой прогар кромки или отсутствие герметичности в паре седло-клапан. Поступление воздуха через закрытую дроссельную заслонку при замере компрессии ограничивается, и величина ее будет невысокой (от 10 до 11 атм). В связи с малым поступлением воздуха в цилиндры чувствительность на утечки повышается, вследствие чего результаты параметров давления занижаются.

Проверка с полностью открытой дроссельной заслонкой

Для определения сильных износов двс компрессию проверяют с полностью открытой дроссельной заслонкой, обеспечивая максимальное поступление воздуха в цилиндры. Увеличенное количество воздуха способствует росту давления, но также увеличиваются и утечки, но в сравнении с массой поступающего воздуха они настолько малы, что величина падения компрессии незначительна и достигает 12 – 13 атм. Если имеются «грубые» дефекты в двигателе, то снизиться до 8 – 9 атм. Возможные причины:

• поломка или залегание колец в канавках поршня;
• поломка днища поршня или прогар;
• сильный прогар тарелки клапана или деформация его оси;
• в следствии попадания инородных материалов возник задир стенки цилиндра;
• после ремонта двигателя с законченным ресурсом, связанного с заменой поршневых колец, не было принято во внимание овальность цилиндров и не производилась их расточка под другой размер поршня и колец.

Плохая компрессия в двигателе

Поведение автомобиля изменилось. Двигатель запускается не с первой прокрутки стартером или требует продолжительного вращения, а при минусовой температуре окружающей среды может вообще не запуститься. Если вывернуть свечи зажигания и осмотреть их визуально, то причина отказа в запуске становится ясной — свечи «мокрые» от переизбытка топлива, поступающего в цилиндры. Это симптомы плохой компрессии в двигателе.

Признаки

• двигатель завелся, после прогрева работает ровно на холостом ходу, но при движении ощущается потеря мощности;
• провалы при разгоне и увеличился расход топлива;
• работает с пропусками воспламенения — «троит».

Что делать, если выявлены вышеперечисленные признаки

Во избежание дальнейшего и скорого износа необходимо в кратчайшие сроки установить причины и выявить узлы, подлежащие ремонту.

По результатам замера компрессии возможны следующие показатели:

• высокая — больше 15;
• низкая — меньше 12;
• нет — 0.

Повышение компрессии в моторе видно по выхлопным газам — цвет становится сизо-белым и увеличивается расход масла. При разгоне появляется звон поршневых пальцев. Большая компрессия вызывает увеличение нагара на тарелках клапанов и направляющих, а на стенках камеры сгорания образуется слой кокса, уменьшающий объем камеры и соответственно изменяющий степень сжатия цилиндров.

Высокая компрессия постепенно вызывает детонационные стуки двигателя, разрушающие шатунно-поршневую группу.

Причина завышенной компрессии

Анализ ревизии двигателя показывает, что причина не одна. В таблице приведены причины повышенной компрессии в моторе:

1	Перегрев двc
2	Низкокачественное масло
3	Не соответствующее масла
4	Присадки
5	Некорректная установка меток газораспределения
6	Несвоевременная замена маслосъемных сальников клапанов

Причина низкой компрессии

Слабая компрессия выявляется при его запуске, особенно в холодную погоду, а также признаки обнаруживаются в потере динамики и увеличению расхода топлива.

Низкая компрессия увеличивает скорость износа двигателя, а если дефект в одном цилиндре, то холостой ход неустойчив, машина часто глохнет или занижает обороты холостого хода.

В таблице приведены основные причины:

1	Перегрев
2	Тепловой зазор клапанов ниже допустимого уровня
3	Прогар или трещина на тарелке клапанов
4	Износ направляющих клапанов
5	Износ компрессионных колец поршня
6	Прогар прокладки головки блока цилиндров
7	Негерметичность пары седло-клапан

Если нет компрессии в одном или более цилиндров, то двигатель очень плохо заводится, а заведенный тут же начинает работать несбалансированно, с сильными вибрациями и тряской.

Если же пропала компрессия одновременно во всех цилиндрах — двигатель не заведется. Одной из причин может быть обрыв ремня ГРМ на заведенном двигателе и столкновение поршня с клапанами. После удара клапана гнутся. Система газораспределения теряет герметичность, и сжимаемая топливовоздушная смесь с большой скоростью направляется в впускной и выпускной коллекторы.

Также пропадает компрессия в одном из цилиндров из-за сильного прожига тарелки клапана. Есть примеры, когда от 40 до 50% площади тарелки клапана оплавлено и компрессия равна нулю. Это легко определить и без компрессометра. Достаточно завернуть в этот цилиндр свечу и при прокрутке стартером коленчатый вал будет вращаться легко и однородно, не выделяя такты сжатия.

При замере компрессии желательно наблюдать за стрелкой измерителя давления (манометра) и следить за динамикой его нарастания. По скорости нарастания компрессии можно косвенно определить в какой группе деталей сильный износ. Если на первом такте манометр показывает низкую компрессию (3-5 атм), а при последующих тактах скорость нарастания давления увеличивается, то с большой вероятностью можно установить, что изношены поршневые кольца. В качестве перепроверки показаний можно применить метод искусственного создания масляной пленки на стенке цилиндров, добавив через свечное отверстие 5-10 мл масла. Если с добавленным маслом компрессия резко увеличится на первом же такте и установится номинальной, то можно уже конкретно утверждать об износе копрессионных колец. В случае измерения в двух соседних цилиндрах и получении низкого результата без масла и с маслом, можно сделать заключение о дефекте в прокладке головки блока цилиндров.

Возможен и другой вариант, когда достигается на первом такте 6-9 атм и на последующих тактах стрелка манометра зависает в этом же положении. При такой ситуации предполагается отсутствие герметичности клапана или прокладки ГБЦ. Более точно установить причину можно другими диагностическими приборами, такие как пневмотестер или электронный осциллограф.

Почему нет компрессии в двигателе

Возникают и такие ситуации, когда двигатель отремонтировали и установили новую поршневую группу, произвели расточку цилиндров, притерли клапана к седлам. Иными словами, ремонт произведен строго по технологической карте. Произвели замер компрессии, а давление в цилиндрах отсутствует.

После проведенного ремонта гидрокомпенсаторы могут оказывать давление на стержни клапанов, вследствие чего они могут быть открыты. Через определенное время гидрокомпенсатор заполнится маслом, и начнет функционировать.

Допустимая компрессия в карбюраторном двигателе

Допустимое давление в карбюраторном двигателе при использовании бензина Аи-76 (низко октановый бензин) около 8 — 10 атм, а при использовании высокооктанового бензина 11-12 атм.

Оценка результатов измерений

Получение корректных данных является залогом точного определения неисправности.

Одинаковые значения, полученные при измерении, свидетельствуют об однородном состоянии деталей газораспределительного механизма и одинаковой степени износа шатунно-поршневой группы.

В случае падения давления в одном из цилиндров на величину 1 атм, в сравнении с другими цилиндрами, необходимо применить другие методы диагностики с целью установления точной причины.

Восстановление компрессии

Восстановить возможно, если не поврежден газораспределительный механизм на ГБЦ. Может возникнуть залегание поршневых колец. В этом случае повысить давление можно без разборки двигателя. Для этого нужно купить жидкость для растворения кокса и на горячем двигателе провести процедуру «раскоксовки». Цена процедуры минимальная, в сравнении с разборкой мотора. Чтобы оценить восстановление жидкостью для удаления кокса с поршневых колец замеряют до и после «раскоксовки». В большинстве случаев такой способ временно восстанавливает мотор.

Существует также способ, заливки масла в цилиндры перед запуском двигателя. Позволяет поднять компрессию исключительно для запуска двигателя, особенно в холодную погоду. Суть метода заключается в принудительном создании масляной пленки на стенках цилиндров, которая кратковременно блокирует утечки газов в картер двигателя.

Проверка на снятом ДВС

В гаражных условиях померить компрессию возможно, подключив клеммы стартера к аккумулятору. Но необходимо учесть, что температура будет равна окружающей.

Работа двигателя. Процессы горения и передачи тепла

У бензиновых двигателей после прохождения поршнем ВМТ давление и температура в цилиндре за счет сгорания топливо-воздушной смеси достигают максимума — давления порядка 3-6 МПа и температуры свыше 2500 К. Весь процесс сгорания происходит вблизи ВМТ, длится 4060° угла поворо­та коленчатого вала (ПКВ), объем камеры сгорания при этом изменяется мало. Именно поэтому бензиновые двигатели с искровым зажиганием в литературе называют иногда двига­телями с подводом тепла при постоянном объеме или двига­телями Отто (работающими по циклу Отто).

Для дизелей условно принимают, что часть теплоты под­водится при постоянном объеме, а часть — при постоянном давлении. Поскольку у дизелей степень сжатия существенно выше, чем у бензиновых двигателей (е = 21-22), то макси­мальное давление при сгорании также выше и достигает 5,5 МПа. При этом температура газов в цилиндре меньше и, как правило, не превышает 2000—5-2200 К.

Процесс сгорания топливо-воздушной смеси в двигателе очень сложен и до конца не изучен. При горении происходят химические реакции с выделением тепла и образованием продуктов сгорания. Процесс горения существенно зависит от большого числа физических явлений в цилиндре: от геоме­трии (формы) камеры сгорания до состава, скорости и на­правления движения смеси в цилиндре в данный момент вре­мени в данной точке.

Для осуществления процесса горения необходимо, чтобы количество топлива, подаваемого в цилиндр, строго соответ­ствовало количеству воздуха, поступающего в цилиндр на такте впуска. Соотношение количеств воздуха и топлива в смеси определяется коэффициентом избытка воздуха. где 15 — постоянный (стехиометрический) коэффици­ент для данного топлива — теоретически необходимое количе­ство воздуха (кг) для полного сгорания 1 кг топлива. При а = 1, когда количество топлива точно соответствует количеству воздуха, необходимому для полного сгорания этого топлива, состав смеси называют стехиометрическим.

При сгорании коэффициент избытка воздуха а смеси для бензиновых двигателей традиционных конструкций должен находиться в интервале от 0,70-0,75 до 1,05-1,15 в зависимо­сти от режимов работы двигателя. Для этого система питания двигателя должна строго дозировать топливо. Например, при разгоне целесообразно иметь, а меньше 1 («богатая» смесь и большой крутящий момент), в то время как для установивше­гося режима движения автомобиля желательно, чтобы а бы­ло близко к 1 (нормальная или слегка обедненная смесь, вы­сокая экономичность, а также приемлемая токсичность отработавших газов).

Для воспламенения и горения смеси у двигателей тради­ционных схем необходимо, чтобы топливо хорошо испарилось и перемешалось с воздухом еще на также сжатия, т. е. перед искровым разрядом. Это достигается внешним смесеобразо­ванием, т. е. подачей топлива заранее во впускной трубопро­вод (с помощью карбюратора или форсунок системы впрыс­ка). При этом топливо успевает практически полностью испа­риться перед воспламенением. После воспламенения смеси искровым разрядом образуется фронт пламени, распростра­няющийся по объему камеры сгорания.

Коэффициент избытка воздуха а существенно влияет не только на экономичность и мощность, но и на состав отрабо­тавших газов. Например, если основная часть продуктов сго­рания — это углекислый газ СО2 и водяные пары Н₂0, то при работе на богатых смесях двигатель выделяет повышенное ко­личество оксида углерода СО, а также несгоревшие углеводо­роды C_nH_m (СН). На некоторых режимах продукты сгорания содержат также повышенное количество оксидов азота NO_x, что особенно характерно для двигателей с высокой степенью сжатия (оксиды азота образуются при высоких температурах).

Очень важное значение для состава отработавших газов имеет конструкция головки блока двигателя и особенно каме­ры сгорания — пространства между головкой и днищем порш­ня. От того, как организовано движение смеси по камере сго­рания перед и во время сгорания, сильно зависит количество вредных выбросов типа СО, NO_x и СН.

В конечном счете, все указанные факторы влияют и на ко­личество выделившегося при сгорания тепла — чем оно боль­ше, тем выше основные параметры двигателя. Например, двигатель, имеющий на определенном режиме большое коли­чество СО и несгоревших углеводородов СН в отработавших газах, вряд ли обеспечит на этом режиме хорошую мощность или экономичность. С другой стороны, сгорание должно так­же происходить в строго определенной фазе цикла — слишком раннее или позднее сгорание приводит к уменьшению давле­ния в цилиндре и, в конечном счете, к ухудшению основных параметров двигателя.

При сгорании в цилиндре выделяется большое количество тепла. Часть его уходит с отработавшими газами, другая часть передается в стенки головки и гильзу цилиндра, в пор­шень. Если бы конструкция поршня не позволяла от­водить тепло от днища, то поршень очень быстро бы распла­вился и прогорел. В самом деле, температура газа в камере сгорания превышает 1800-2000°С, в то время как рабочая температура деталей из алюминиевого сплава не должна быть больше 300-350°С. Для работы в таких условиях наибо­лее важна передача тепла через поршневые кольца в стенки цилиндра. При этом через верхнее кольцо уходит до 50-60% всего тепла, переданного из камеры в поршень, а через среднее — до 15-20%. Для того, чтобы обеспечить передачу тепла через кольца, необходимо точное (плотное) прилегание коль­ца к канавке поршня и к поверхности цилиндра. Дефекты кольца (плохое прилегание к цилиндру, поломки) и поршня (деформация или разрушение перемычек) приводят к сниже­нию потока тепла от поршня и, соответственно, к его перегре­ву с последующим разрушением. Другая часть тепла от порш­ня передается через его юбку в стенку цилиндра, а также че­рез палец в шатун и далее рассеивается в картере. Незначи­тельная часть тепла уходит в картер в результате вентиляции внутри поршневого пространства при возвратно-поступатель­ном движении поршня.

Тепловое состояние (т.е. распределение температуры) поршня в значительной степени зависит от его конструкции и материала. Эти факторы влияют на такие параметры, как за­зор между поршнем и цилиндром, износ юбки и др. Чем хуже отвод тепла, тем больше температура поршня, тем больше его тепловое расширение и тем больше необходимый зазор. Если зазор между поршнем и цилиндром окажется меньше, чем на­до, поршень в цилиндре может заклинить. При очень малом зазоре увеличивается трение юбки поршня о стенки цилинд­ра, из-за чего вместо отвода тепла может происходить его подвод (разогрев юбки от трения). После заклинивания и по­следующего остывания поршень, как правило, деформируется (сжимается по юбке), а на поверхности цилиндра появляются глубокие царапины (задиры), иногда со следами алюминия, перенесенного с поршня на материал гильзы.

При определенных условиях в эксплуатации бензиновых двигателей могут возникать нарушения процесса сгорания. К ним относятся детонация и преждевременное воспламенение.

Явление детонации широко известно. Внешние проявле­ния детонации — характерный стук, появляющийся при работе на низкооктановом топливе с увеличением нагрузки (т. е. при открытии дроссельной заслонки).

Суть детонации заключается в ненормально быстром (в сотни раз быстрее обычного) сгорания части смеси. При этом образуются ударные волны, с большой скоростью распростра­няющиеся по камере сгорания. В ударной волне происходит скачкообразный рост давления и температуры среды, в кото­рой распространяется волна. А это вызывает воспламенение смеси не в результате обычного распространения пламени (скорость порядка 20-30 м/с), а из-за ее разогрева в ударной волне, движущейся со скоростью более 1000 м/с.

Механизм возникновения детонации поддается изучению с большими трудностями. Опытным путем установлено, что компактные камеры сгорания с вытеснителями имеющие форму, близкую к сферической, менее склонны к образова­нию детонационных процессов, чем длинные и узкие камеры с острыми углами и выступами. Однако в каж­дом конкретном случае при разработке нового двигателя оп­ределить наилучшую форму камеры сгорания — дело очень от­ветственное, долгое и кропотливое.

В эксплуатации детонация наиболее часто возникает на низкооктановом топливе при малых и средних частотах враще­ния и больших нагрузках. Детонация изменяет характер проте­кания давления в цилиндре по углу поворота, резко увеличивает максимальное давление, температуру и нагрузки на детали дви­гателя. Последствия длительной работы двигателя с детонацией весьма тяжелы. В первую очередь это — поломка поршней и пор­шневых колец из-за ударных нагрузок. Наиболее подвержены поломкам перемычки поршней между канавками колец. Удар­ная волна, вызывая резкое повышение давления в зазоре меж­ду днищем поршня и цилиндром, бьет по верхнему поршневому кольцу. Удар передается на перемычку поршня, причем одно­временно не по всей окружности кольца, а в конкретной доста­точно узкой области, что облегчает поломку деталей.

Детонация вызывает не только поломку перемычек, но и перегрев и разрушение краев днища поршня (каверны на по­верхности), поломку поршневых колец. Последующий перегрев поршня обычно настолько велик (из-за уменьшения теплоотвода через кольца), что выгорает огневой пояс поршня от днища до верхнего и даже нижнего поршневого кольца.

После поломки деталей падает давление в цилиндре и мощность двигателя, увеличивается прорыв газов в картер (и давление в картере), расход масла. Результатом длительной работы двигателя с детонацией может быть также износ по торцу верхней канавки поршня и верхнего кольца, износ по­верхностей сопряжения поршня и поршневого пальца. Эти случаи встречаются довольно часто, но ускоренные износы не всегда удается связать с детонацией.

Режимы детонации ограничивают углы опережения зажи­гания на некоторых режимах. Это значит, что при увеличении опережения зажигания основные параметры двигателя повы­шаются, однако, работа на этих режимах недопустима из-за опасности поломки деталей. Электронные системы управле­ния двигателем точно отлеживают эти режимы, в том числе с помощью датчиков детонации.

На некоторых двигателях (TOYOTA, NIS­SAN) вместо одной свечи устанавливают две на один цилиндр. Такая конструкция является достаточно эффективной для уменьшения склонности двигателя к детонации при повышении степени сжатия за счет сокращения длины пути фронта пламе­ни по камере сгорания. Снижает вероятность возникновения детонации более низкая температура поверхностей камеры i сгорания и днища поршня. Это достигается интенсификацией i охлаждения камеры путем уменьшения толщины стенок, увеличения скорости течения охлаждающей жидкости у стенок и даже некоторым снижением уровня температуры охлаждающей жидкости (например, с 90-95°С до 80-85 0 С) за счет схемы и конструкции системы охлаждения двигателя.

У двигателей с впрыском топлива температура топливо-воздушной смеси на входе в цилиндр обычно меньше, чем у карбюраторных двигателей, поскольку у последних необходим подогрев смеси на впуске (иначе не будет качественного испарения и сгорания топлива). Поэтому двигатели с впрыском топлива при прочих равных условиях менее склонны к детонации, что позвопяет несколько увеличить у них степень сжатия. Аналогичное влияние оказывает промежуточное ох­лаждение воздуха у двигателей с наддувом.

Кроме детонации, на практике встречается явление преждевременного воспламенения, называемое также калильным зажиганием. При калильном зажигании происходит воспла­менение смеси не от искрового разряда свечи, а от нагретых до очень высоких температур (более 700°С) поверхностей ка­меры сгорания. В качестве таких источников воспламенения могут выступать электроды свечи зажигания, тарелка выпуск­ного клапана или частицы нагара, если нагар лежит на дета­лях достаточно толстым слоем.

Обычно калильное зажигание возникает из-за несоответ­ствия характеристики свечи, рекомендованной изготовите­лем автомобиля, в частности, когда для двигателя с высокой степенью сжатия использована «горячая» свеча от низкофор­сированного двигателя. При этом смесь в цилиндре самовос­пламеняется несколько раньше, чем происходит искровой разряд, но процесс сгорания протекает нормальным обра­зом. С ростом нагрузки и частоты вращения момент самовос­пламенения отодвигается в раннюю сторону, из-за чего теп­ловое и силовое воздействие на детали двигателя, особенно, на поршень, значительно возрастает.

Опасность калильного зажигания заключается в том, что на начальной стадии его практически невозможно отличить «на слух» от обычного сгорания, в то время как с течение вре­мени (обычно от нескольких десятков секунд до нескольких минут), когда у двигателя появляется посторонний звук и он начинает терять мощность, детали поршневой группы уже мо­гут быть повреждены. Вследствие этого на двигате­лях современных автомобилей замена свечей зажигания оказывается весьма небезопасной для двигателя, если ста­вятся первые попавшиеся свечи.