Какие факторы обеспечивают стабильную работу современных бензиновых двигателей на топливе с различным октановым числом? В чем причина такой универсальности – и почему современные двигатели демонстрируют устойчивость к детонации?
ДДетонация стала серьезнейшим вызовом для инженеров сразу после создания двигателя внутреннего сгорания в XIX веке. Стремясь к повышению эффективности, увеличивали степень сжатия, что приводило к росту давления и температуры топливовоздушной смеси в цилиндре на завершающем этапе такта сжатия и после подачи искры – и смесь начинала детонировать. Иными словами, происходило практически мгновенное воспламенение по всему объему камеры сгорания, что можно описать как мини-взрыв, приводящий к разрушению компонентов двигателя.
Ситуация ухудшилась с внедрением наддува: сначала в авиационных моторах (в период Первой мировой войны), а затем и в автомобильных силовых установках. Повышение давления в цилиндре увеличивает мощность, но одновременно повышает риск детонации. Конструкторам пришлось снижать степень сжатия и использовать бензин с высоким октановым числом, однако этих мер оказалось недостаточно.
Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года – первая серийная легковая модель, оснащенная турбодвигателем: степень сжатия не была уменьшена, но была внедрена система впрыска воды (схема представлена справа). В результате мощность возросла с 188 до 218 л.с., а крутящий момент увеличился с 312 до 408 Нм. Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года ознаменовал собой премьеру первого серийного легкового автомобиля, оснащенного турбонаддувом: при этом степень сжатия для восьмицилиндрового двигателя V8 рабочим объемом 3,5 литра не была снижена, однако была внедрена система впрыска воды (схематическое изображение представлено справа). В результате использования данной технологии мощность возросла с 188 до 218 лошадиных сил, а крутящий момент увеличился с 312 до 408 ньютон-метров. Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года ознаменовал собой премьеру первого серийного легкового автомобиля, оснащенного турбонаддувом: при этом степень сжатия для восьмицилиндрового двигателя V8 рабочим объемом 3,5 литра не была снижена, однако была внедрена система впрыска воды (схематическое изображение представлено справа). В результате использования данной технологии мощность возросла с 188 до 218 лошадиных сил, а крутящий момент увеличился с 312 до 408 ньютон-метров. Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года ознаменовал собой премьеру первого серийного легкового автомобиля, оснащенного турбонаддувом: при этом степень сжатия для восьмицилиндрового двигателя V8 рабочим объемом 3,5 литра не была снижена, однако была внедрена система впрыска воды (схематическое изображение представлено справа). В результате использования данной технологии мощность возросла с 188 до 218 лошадиных сил, а крутящий момент увеличился с 312 до 408 ньютон-метров. 1 / 2
Необходимо было также корректировать угол опережения зажигания: позднее проявление искры приводит к замедлению роста давления в цилиндре и уменьшению его пикового значения, что снижает вероятность возникновения детонации.
Однако существовала одна сложность: снижение мощности двигателя сопровождало борьбу с детонацией. В условиях максимальной нагрузки, например, при взлете, когда требовалась пиковая производительность, инженеры использовали необычный метод – впрыск воды. Она испарялась во впускном коллекторе и внутри камеры сгорания, снижая температуру топливовоздушной смеси и тем самым предотвращая детонацию.
Параллельно велись химические исследования. В 1921 году сотрудники General Motors, Чарльз Кеттеринг и Томас Мидгли, сделали открытие: добавление тетраэтилсвинца к бензину значительно улучшало его устойчивость к детонации, то есть повышало октановое число. Спустя несколько лет компания GM совместно с DuPont начала серийное производство этой присадки под торговой маркой «Этил», умышленно избегая упоминания о содержании свинца из-за его токсичности.
Опасения экологов начали звучать в конце 60-х годов, и уже в 1973 году Агентство по защите окружающей среды США (EPA) разработало законопроект о запрете использования этилированного бензина. Однако из-за его низкой стоимости и активной деятельности лоббистов автомобильной и химической отраслей значительное сокращение применения тетраэтилсвинца в Соединенных Штатах стало возможным лишь к началу 90-х годов. Процесс был затруднен тем, что тетраэтилсвинец оказывал негативное воздействие на каталитические нейтрализаторы, препятствуя их внедрению в качестве систем очистки выхлопных газов.
Toyota Crown Turbo 1980 года выпуска была оснащена системой контроля детонации с использованием резонансного пьезодатчика. Рядный двухлитровый двигатель M-TEU, оснащенный турбонаддувом и системой впрыска топлива, обеспечивал мощность 147 лошадиных сил и крутящий момент 211 ньютон-метров.
В конечном итоге производство тетраэтилсвинца было прекращено. В Соединенных Штатах это произошло в 1996 году, а в странах Европейского союза – в 2000. На территории России выпуск и реализация бензина с этильным свинцом были запрещены в 2003 году. К сожалению, в менее развитых государствах, таких как Алжир, Ирак, Северная Корея и Афганистан, использование этого токсичного топлива продолжается.
Более того, бензин с этилом не был идеальным решением – разработчики постоянно искали альтернативные способы предотвращения детонации. Например, на купе Oldsmobile F-85 Jetfire 1962 года выпуска турбированный двигатель (!) V8 объемом 3,5 литра мощностью 218 лошадиных сил с высокой степенью сжатия, достигающей 10,25:1, был оборудован системой впрыска воды и метанола! Спирт добавлялся для защиты системы от замерзания при низких температурах. В 1978 году шведская компания Saab также использовала аналогичную систему впрыскивания воды в ограниченной серии трехдверного автомобиля 99 Turbo S.
Однако эти модели представляли собой настоящий эксклюзив, и большинство автомобильных энтузиастов в 60-е и 70-е годы самостоятельно боролись с детонацией.
Как они это делали? Ориентируясь на слух. Появление характерного «металлического» звука детонации указывало либо на значительное повышение температуры окружающей среды (что является фактором, способствующим детонации), либо на некачественный бензин в топливном баке. В этом случае необходимо было открыть капот и отрегулировать специальное регулировочное колесико на распределителе зажигания – так называемый октан-корректор – для уменьшения угла опережения зажигания. При правильных действиях водителя детонация прекращалась. Заводская настройка угла опережения зажигания, разумеется, была консервативной: чтобы исключить риск детонации даже в сложных условиях, например, при высокой температуре и полной загрузке автомобиля.
