Детонацию, как правило, воспринимают противоречиво. С одной стороны — «ну и что, что двигатель немного пробренчит». С другой, знакомые с этим явлением люди далеко не столь оптимистичны. Ведь детонация — это излишне быстрое сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре. Если при нормальном процессе фронт пламени распространяется со скоростью порядка 50 м/сек, то при детонации — значительно быстрее. В первом случае он идет от свечи к дальним стенкам камеры. Растут температура и давление, однако это происходит постепенно и равномерно по всему замкнутому объему.
Во втором случае топливовоздушная смесь поджигается не от искры свечи — воспламенение происходит от резкого увеличения температуры и давления. Рождается ударная волна, которая развивает уже скорость звука (около 340 м/сек). Считается, что в зависимости от условий она способна достигать втрое больших скоростей. Детонацию сравнивают со взрывом. Хотя при взрыве происходит все-таки контролируемое воспламенение и горение газа либо взрывчатых веществ. Но по разрушительному эффекту эти действия примерно равнозначны.
Еще раз, детонация — это неконтролируемое горение, когда топливовоздушная смесь воспламеняется самостоятельно и распространяется с большой скоростью, вызывая ударную волну. Или, как еще говорят, происходит горение во фронте ударной волны. Вот на гифке показаны два фронта пламени, один из которых расходится от свечи. Второй — горит от места самовоспламенения.
Так от чего же детонация возникает в двигателе? Ведь это не склад боеприпасов, который может загореться от неисправной проводки или какой другой халатности. Существует множество факторов, которые по отдельности или в совокупности могут привести к этому явлению. Например, в бытность распространения карбюраторных моторов, услышав «стук пальцев», водители начинали крутить прерыватель-распределитель, делая угол опережения зажигания попозже.
Ранний угол — одно из условий возникновения детонации. Свеча дает искру не тогда, когда нужно (в конце такта сжатия, пока поршень едва не дошел до верхней мертвой точки), а несколько раньше. Горючая смесь расширяется и толкает не дошедший вверх поршень вниз, пытаясь перевести таким образом такт сжатия в рабочий ход. Кривошипно-шатунный механизм испытывает ударные нагрузки. При этом чтобы появились звуки детонации, необходимо еще одно обязательное условие — нагрузка. Скажем, высшая передача и попытка разгона на ней с низких (30–40 км/ч) скоростей.
Октановое число топлива демонстрирует не что иное, как детонационную стойкость бензина. Как известно, бензин с более высоким числом может (и должен!) применяться на моторах с высокой степенью сжатия. А если в бак попало паленое топливо, то детонация способна возникнуть и без указанных выше причин. Просто бензин будет иметь фактически низкое октановое число и, соответственно, детонационную стойкость. И риск возникновения в этом случае будет тем выше, чем больше степень сжатия. То есть для современных двигателей это наиболее характерно.
Другое дело, что степень сжатия со временем может измениться. Из-за нагара, которым обрастает днище поршня, а также стенки камер и тарелки клапанов.
И вроде бы на первый взгляд с мотором все в порядке. Система зажигания работает как следует, и бензин качественный. Однако автомобиль всю жизнь прожил в городских пробках, в трассовых режимах и на оборотах не ездил. То есть создавались идеальные условия для того, чтобы камеры сгорания зарастали отложениями. Вопрос только в том, когда этот процесс примет критические масштабы.
В подобных режимах эксплуатации, кстати, этому способствует еще одно явление. Нагар ведь ухудшает теплоотвод от стенок камер сгорания. А повышение температуры в цилиндрах — еще одна причина возникновения детонации. Общий перегрев агрегата из-за неисправности системы охлаждения также ведет к взрывному горению смеси.
Значительное попадание моторного масла в цилиндры также способно привести к детонации. В этом случае и повышается температура горения, и снижается детонационная стойкость топливовоздушной смеси.
Несмотря на то что само понятие детонация введено в обиход с конца XVIII века, а в ДВС она известна с начала XX столетия, полностью исключить это явление в силу описанных выше причин не получается. Тем не менее еще при двигателях с карбюраторами (разумеется, с электронным управлением и уже без трамблеров) была сделана серьезная попытка застраховаться от детонации. Появился датчик на пьезоэлементах — по сути, небольшой микрофончик, установленный на блоке двигателя и слушающий звуки детонации. На V-образных моторах может использоваться по два датчика — по одному для каждой половинки блока. Вот места для их крепления на блоке тойотовского 1GR-FE.
На моторах с впрыском топлива датчик детонации стали применять повсеместно. Как и прежде, в его задачи входило улавливать начало вибраций и звуков и отправлять сигнал об этом блоку управления. Тот уже «заворачивал» зажигание на более позднее. Впрочем, и включение датчика в полностью электронные системы контроля не стало панацеей. Давайте предоставим слово мотористам. Тем более что мы не поговорили о последствиях детонации. О звуках, которые ее сопровождают, и чем они вызваны. Кроме того, о том, всегда ли они ей сопутствуют. Уместно тут сказать, что прошло уже больше века, а споры об аккомпанементе детонации идут до сих пор. Кто-то и сейчас уверен, что это поршневые пальцы. Другие заявляют, что металлический звук исходит от стенок камер сгорания. Есть мнение, что это вообще совокупность ударов во всех люфтах кривошипно-шатунного механизма. Или же только бряканья от поршневых колец.
Валентин Ткачев
частный мастер
— Детонационные стуки (обычно говорят «стук пальцев», но это неверное определение) возникают вследствие отражения взрывной волны от стенок цилиндров при неправильном, взрывообразном сгорании топливовоздушной смеси.
Датчик детонации начал появляться с конца 70-х годов, еще на карбюраторных моторах. Многие карбюраторы имели блоки управления, которые корректировали их работу в зависимости от каких-либо факторов. Вот на них-то в цепь управления и включали этот датчик. На современных V-«образниках» их вполне может быть два. На «четверках» всегда встречал один — между вторым и третьим либо третьим и четвертым цилиндрами. На самые нефорсированные моторы, по крайней мере какое-то время назад, датчик могли не ставить вообще. Недавно попадался в ремонте B20B на Honda CR-V, где он отсутствовал, хотя обычно они есть. Был немного удивлен, но тем не менее такие модификации действительно имелись.
Выйти из строя датчик детонации может, как и любой другой компонент. Чаще всего это происходит из-за его старости. Либо оттого, что отгнил провод. Или в силу механических повреждений при ремонтах/обслуживании. В современных моторах блок управления, руководствуясь информацией с этого микрофончика, не только делает позднее угол зажигания, но и немного обогащает топливную смесь, которая, будучи бедной, приводит к увеличению температуры в камере сгорания, что является одной из причин появления детонации.
При выходе датчика из строя система управления двигателем также может обрезать некоторые режимы. К примеру, встречался с тем, что на Тойотах с «шестеркой» 1MZ ЭБУ не давал включаться овердрайву, но при этом не зажигал «чек», хотя сканер ошибку видел. А на Honda Legend последнего поколения с SH-AWD делал автомобиль переднеприводным. Необходимо это не столько для того, чтобы владелец понимал, что нужно ехать на ремонт, сколько ради снижения нагрузки на двигатель.
Другие причины — повышение температуры. Локальный или общий перегрев двигателя. Проблемы с топливной системой, которые приводят к обеднению смеси (забитые форсунки, неисправный регулятор давления топлива, полуживой топливный насос, к примеру). Нередки неисправности системы зажигания, дающие некорректный момент начала воспламенения. Естественно, нагар в камере сгорания, увеличивающий степень сжатия. Для двигателя, расходующего масло в силу ряда причин, детонация может иметь более быстрые и губительные последствия. Масло, сгорающее в цилиндре, дает дополнительное повышение температуры и неравномерность горения смеси. Но чаще всего в наших условиях детонацию провоцирует, конечно, некачественный бензин. Происходить это может под нагрузкой — при попытке интенсивно разогнаться на высших передачах с низкой скорости. Именно в подобных случаях слышится типичное бренчание, указывающее на появление детонации.
Но возможны варианты, когда вы не услышите этих характерных звуков. Однако детонация будет присутствовать, даже развиваться, и со временем может привести к печальным последствиям. Речь о трассовых режимах, когда нагрузка постоянна и практически не меняется. Хотя чаще всего это не одна, а комплекс причин, которые при «удачном» расположении звезд приведут к печальным последствиям. Как всегда, здесь чуть не так, там что-то не в порядке. И, скорее всего, даже «чека» не будет. Хотя вроде все хорошо и мотор тянет нормально, никаких симптомов неисправностей нет. Такие ситуации не редкость — ехал по трассе — и вдруг отказ одного или более цилиндров. Посторонние шумы, а то и просто заглохший и не желающий запускаться двигатель.
При вскрытии обнаруживаются тотальные повреждения. Прогар поршня (хорошо, если только одного), подгоревшие клапаны, разрушившиеся на нем перемычки между кольцами.
Прогорает прокладка «головки» блока, деформируются привалочные плоскости. Теоретически могут повредиться шатуны, разрушиться вкладыши. В любом случае после столь масштабных разрушений мотор ждет одно — серьезный восстановительный ремонт.
Современные агрегаты, пожалуй, более чувствительны к подобным воздействиям. У них выше степень сжатия, точнее отстроены все процессы, протекающие в камерах сгорания, плюс никакого запаса прочности. Любое отклонение может привести к подобному итогу. Двигатели прежних поколений все-таки были готовы терпеть куда большие нагрузки. Когда-то я владел Mitsubishi RVR в кузове N73, то есть с турбированным 4G63T.
После ряда доработок была корректировка прошивки ради улучшения динамики. В результате этот полноприводный вэн на разгоне стал буксовать всеми четырьмя колесами даже на третьей передаче. И вроде цель достигнута, но при просмотре логов недели через полторы (не было времени посмотреть сразу) выяснилось, что детонация превышала предельное значение в 2,5 раза. Пришлось снова корректировать, чтобы сберечь мотор. Динамика после корректировок была частично потеряна. Позже свою «турбочетверку» я все же «положил», но уже по другой причине, и, разобрав (был любопытен именно момент последствий сильной детонации), был удивлен визуальному отсутствию последствий неправильной настройки. И, кстати, никаких детонационных шумов после первой некорректной настройки я не слышал, хотя и прислушивался.
— Уверен, что своеобразное бренчание — это звуки взрывного сгорания горючей смеси. А металлические они потому, что процесс происходит в замкнутом пространстве, ограниченном поверхностями из алюминия, чугуна, стали.
Считается, что калильное зажигание — это иной процесс, при котором не возникает детонационного сгорания смеси. На самом деле эти два явления очень близки. В том и другом случае самовоспламенение может происходить из-за раскаленного нагара на стенках камер. На разобранном двигателе нагревал отложения горелкой — получались натуральные угольки. Неудивительно, что при повышенной температуре и давлении в камерах нагар становится источником розжига смеси.
Чаще причиной детонации становится, естественно, некондиционный бензин. И все же возникновение ее, как правило, складывается из суммы факторов. К примеру, масляный нагар серьезно ухудшает теплоотдачу из зоны камер. Внутри них растет температура, происходит неконтролируемое возгорание. Температура возрастает еще больше — до таких значений, при которых начинает плавиться алюминий поршней. Более того, встречал даже расплавленные кольца. А ведь выполнены они из стали и покрыты обычно хромом.
Разумеется, играет роль и угол опережения зажигания, и состояние топливной системы. Вот конкретная ситуация. На автомобиле начал умирать топливный насос. Пока эксплуатация проходила в городе, это было незаметно и не приводило ни к каким негативным последствиям. Однако на трассе его производительности уже не хватило. Смесь стала бедной, камеры и все, что в них находится, начали греться, появилась детонация.
С повышенным расходом масла на угар ситуация та же. Знаю случаи, когда автомобиль с приличным «масложором» долго ездил в городском трафике. А потом хозяин выехал на трассу, притопил и… Перегрев плюс детонация. Причем в тех условиях, когда внутри нагар, а двигатель потребляет масло литрами, то и другое способно возникать именно на скорости, в ненагруженных режимах. Водитель ничего не услышит. Последствия же запросто могут быть масштабнее, чем если бы смесь детонировала на низких скоростях и передачах, то есть под нагрузкой.
Датчик детонации — не панацея! Тем более что его может и не быть на самых «овощных» моторах. Скажем, на EJ18 нет. Да и при наличии датчика совсем не факт, что система управления убережет мотор. На тех же «Ежиках» сколько эти системы в Subaru перенастраивали! Именно для того, чтобы исключить развитие полной мощности при нарушении смесеобразования, зажигания и т. д. Попросту «придушить» двигатель, если что-то пошло не так. И все равно водители умудряются разваливать агрегаты. Тут срабатывает чисто человеческий фактор. ЭБУ обрезает давление наддува — только что турбина дула «единичку», и вот уже 0,5 бара. На приборной панели загорается «гирлянда». Мотор не тянет. Но владелец продолжает упорно давить на газ, полагая, что «сейчас прочихается и поедет». Между тем автомобильная электроника элементарно не рассчитана на то, чтобы вправлять мозги и ему. Ну нет у нее защиты против человеческого незнания и варварства.
Повреждения бывают весьма глобальными. Иной раз сгоревшими поршнями, прокладкой ГБЦ и прочими «мелочами» дело не ограничивается. Из-за температуры и давления ведет постель коленвала и даже лопаются прогоревшие стенки цилиндров. В последнем случае, как вы понимаете, блок отправляется на свалку. В тюненных моторах, где кованые поршни как раз-таки должны держать увеличенные нагрузки, оплавляются уже они. «Течет» и дно детали, и перемычки между кольцами, и «юбка» — вплоть до сквозных дыр. Внизу на фото именно тот случай, когда вместе с алюминием размягчилась и сталь колец.
Причем, если говорить об уровне повреждений, не важно, идет ли речь о простеньких двигателях либо заряженных. Безусловно, риск приговорить форсированный мотор выше. Но разрушения могут быть идентичны. Что у какой-нибудь «полторашки» с отдачей менее чем в 100 сил. Что у построенного грамотно турбомотора, который в состоянии выдержать двукратное увеличение мощности. И заводской ресурс тысяч, например, в 400 для детонации не помеха. При возникновении приведенных ранее условий одинаково легко «сгорают» и одноразовые двигатели, и те, что считаются образчиками надежности и выносливости. Естественно, блоки у последних остаются целыми. А вот «капиталить» агрегаты приходится в любом случае.
Так что если водитель чувствует, что в работе двигателя появились какие-то изменения, нужно снизить нагрузку и ехать к специалистам. Проводить подкапотный осмотр, делать диагностику.
Сформулируем еще раз условия, при которых может возникать детонация:
- Бензин с низким октановым числом — основная причина. Несмотря на бытующее мнение, что топливо стало качественнее, мотористы утверждают — владельцы с поврежденными двигателями обращаются до сих пор.
- Некорректно работающая система зажигания.
- Топливная система, «недоливающая» бензин.
- Эксплуатация автомобиля на низких и средних оборотах без периодического прохвата на высоких. В подобных режимах в камерах сгорания интенсивно образуется нагар. Он увеличивает степень сжатия и ухудшает теплоотдачу. А это предвестники детонации.
- Плохо работающая система охлаждения, приводящая к перегреву двигателя.
- Большой (от 1 л/1000 км) расход масла на угар.
- Все это характерно и для дизелей. Разве что угол опережения зажигания меняем на угол опережения подачи топлива. И предъявляем дополнительные требования к топливной аппаратуре.
И последнее. Считается, что автомобили с «автоматами» от детонации страдают меньше. Здравый смысл здесь есть — двигатель с АКП сложнее вогнать в режим повышенной нагрузки. Это когда на «механике», например, вместо второй передачи втыкаешь четвертую. Но и на «автомате» при разгоне с небольших скоростей да в горочку можно услышать типичный металлический звон.
