Чем может быть вызвана детонация двигателя

Стук в двигателе

Сту́к в дви́гателе (англ. engine knock ) возникает при быстром (взрывном) сгорании топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. На слух он воспринимается как металлический «звон» или стук. Это нежелательный режим работы двигателя, так как в цилиндре возникает повышенное давление и перегрев, и элементы конструкции цилиндра испытывают повышенные нагрузки, на которые они не рассчитаны, мощность двигателя снижается, а выбросы вредных веществ возрастают. При интенсивном воздействии эти нагрузки быстро приводят к повреждению цилиндра и неисправности двигателя.

Стук в двигателе иногда называют детонацией или детонационным сгоранием смеси, однако это название не отражает физику явления. Сгорание смеси в цилиндре двигателя, как при поджигании искрой, так и при преждевременном самовоспламенении смеси в горячих очагах, как правило, не сопровождается образованием детонационных волн. В соответствии с амплитудой волн давления, возникающих в цилиндре при быстром сгорании смеси, различают нормальный режим горения (без стука) и режим, в котором возникает стук. Последний режим, в свою очередь, подразделяется на обычный стук (англ. conventional knock) различной интенсивности и детонационный стук (англ. super-knock или deto-knock) согласно пиковым значениям давления [1] . Детонационный стук является особенно нежелательным, так как давление, возникающее в волне детонационного сгорания, может сразу разрушить цилиндр.

Возникновение стука связывается с эффектами аномального горения смеси в цилиндре: самовоспламенением смеси до её зажигания искрой или пристеночным воспламенением горячими элементами конструкции или посторонними частицами в цилиндре [2] . Вероятность возникновения стука повышается с увеличением степени сжатия и нагрузки на двигатель, а также с уменьшением октанового числа топлива. Для предотвращения стука применяются электронные системы управления зажиганием, а в топливо добавляют антидетонационные присадки, такие как ММА (монометиланилин) или МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир).

Чем опасна?

Двигатель, работающий с сильной детонацией и большой нагрузкой, выходит из строя за считаные минуты. Повреждение вызывают как механические напряжения, так и сильный перегрев деталей.

Чаще всего страдает поршень — деталь, не имеющая непосредственного теплоотвода и изготовленная из сплава со сравнительно низкой температурой плавления.
Разрушаются перегородки между поршневыми кольцами.
Возможно подгорание и растрескивание тарелок клапанов, иногда наблюдается прогорание прокладки головки блока цилиндров.
Порой страдают свечи зажигания.
Детонация вызывает вибрацию двигателя, что ухудшает смазку трущихся поверхностей и даже может приводить к разрушению поршневых пальцев и шатунных вкладышей.

Почему «звенит» холодный двигатель

Детонация на холодном двигателе, если она действительно возникает, чаще будет обусловлена одним фактором – слишком обеднённой смесью в одном или нескольких цилиндрах. И тут надо смотреть, что стало причиной. Наиболее частой из этих причин становится засорение форсунок. Объём топлива, подаваемого на такте впуска, должен соответствовать числам, рассчитанным программой контроллера. В случае появления засора это правило не выполняется.

Форсунки иногда нужно чистить

Надо сказать, по мере прогрева эффект может исчезать полностью. Проверять нужно фильтр грубой очистки, затем фильтры на всех форсунках, ну а засорение самой форсунки – неприятность довольно серьёзная. И бороться с ней будет накладно с финансовой точки зрения.

Блок ЭБУ стремится компенсировать засор, варьируя разные параметры. Детонация при этом не возникает, однако снижается мощность. Но «регулирование», о котором шла речь, тоже имеет свои пределы – при значительной степени засорённости оно не помогает. Тогда зажигается лампа Check, а двигатель начинает «звенеть».

Пусть наблюдается детонация при запуске горячего двигателя – она появляется и сразу исчезает. Тот же эффект может обнаруживаться и при «холодном» запуске. В таком случае можно утверждать, что неисправен датчик детонации. Сам датчик выходит из строя редко, и скорее всего, проблема – в проводке. О наличии неисправности скажет включение лампы Check. Но пока обороты остаются низкими, на некоторых двигателях лампочка не срабатывает.

Появление детонации контролирует именно такой датчик

Блок ЭБУ, как мы говорили, регулирует два параметра: угол опережения зажигания, степень насыщенности смеси. Если сигнал, считываемый с датчика, полностью отсутствует, то ЭБУ выставляет значения на «разумный минимум». Смесь не будет слишком обеднённой, чтобы исключить детонацию. Но в первую секунду блок ЭБУ «не знает», что сигнал с датчика отсутствует, и параметры доводятся «до предела».

Проведите опыт: отключите, а через 5 минут снова подключите любую клемму АКБ, выполните старт. Затем обороты двигателя нужно повысить до 3000 об/мин. Детонация, продолжающаяся 1-2 секунды, должна наводить на одну мысль: неисправности в цепи датчика – есть, их надо искать.

Корректировка работы двигателя при помощи электронного управления

Электронный блок управления (ЭБУ), установленный в автомобилях с инжекторным двигателем, регулирует параметры топливной смеси. При помощи ЭБУ производится коррекция угла опережения зажигания с вынужденным снижением объема впрыскиваемой топливной смеси.

Читать еще: Tesla model s технические характеристики двигателя

Причины детонации частично исчезают, но в результате подобного регулирования мощность силового агрегата существенно снижается. При высоком уровне засоренности форсунок ЭБУ не всегда может осуществлять компенсирующие функции.

Бить аккуратно, но сильно: что такое датчик детонации и как его проверить без сканера?

Есть в автомобиле такой датчик – датчик детонации. Многие знают, что он существует, некоторые даже скажут, что он каким-то чудесным образом как-то следит за детонацией (назначение датчика выдаёт его название). А что дальше? Как он это делает и что будет, если он вдруг перестанет работать? И как узнать, что он не работает? Всё намного проще, чем кажется.

Что такое детонация и зачем за ней следить

Все знают, что для работы двигателя внутреннего сгорания требуется то самое сгорание – воспламенение топливной смеси. Для этого в бензиновом моторе есть свеча зажигания, которая поджигает смесь в конце такта сжатия.

Обычная скорость распространения фронта пламени составляет 30-50 м/с. Но иногда возникает такая штука, которая правильно называется сгорание во фронте ударной волны. В этом случае скорость сгорания может возрастать до 2000 м/с. Складывается ситуация, когда нормального распространения фронта пламени уже нет – есть взрыв. А это и есть детонация.

С точки зрения физики выглядит довольно занудно, но если упростить, то можно сказать, что нарушается порядок сгорания топливно-воздушной смеси. При детонации фронт пламени даже не успевает дойти до краёв камеры сгорания, и смесь там самовоспламеняется под действием возрастающих температуры и давления.

При детонации возникает звук, услышав который, было принято говорить про «стучащие пальцы». Разумеется, поршневые пальцы во время детонации не стучат – не те там зазоры. Звенеть начинают сами стенки камеры сгорания.

Ещё иногда с детонацией путают совсем уж другое явление, при котором мотор не хочет останавливаться после выключения зажигания сразу, а иногда даже может прокрутить «в обратку» (конечно, речь идёт в первую очередь о старых карбюраторных моторах). Само собой, это не детонация, а калильное зажигание – явление, при котором топливно-воздушная смесь загорается сама по себе от слишком горячих деталей (например, от перегретых свечей зажигания с неправильно выбранным калильным числом). Впрочем, если детонация зашла слишком далеко и мотор от неё страдает со слишком завидной регулярностью, она вполне может вызвать калильное зажигание – детонация приводит к перегреву мотора.

Детонация – штука очень вредная. Она вызывает колоссальные ударные нагрузки на детали ЦПГ, она вполне может разрушить и поршневые кольца, и сами поршни. А если не обращать на неё никакого внимания, то и блок.

Подробно о причинах детонации рассказывать не буду – есть риск надолго уйти в сторону от датчика детонации и потонуть в болоте ньютонианства и менделеевщины. Если коротко, причин много: от плохого или «неправильного» бензина с низким октановым числом до кривой прошивки при чип-тюнинге. Впрочем, при очень кривом чип-тюнинге диагностику могут просто «порезать», и ошибки по датчику детонации не будет. Будет только звук. А ещё могут быть виноваты нагар на поршнях и в камере сгорания, бедная смесь, перегрев мотора или езда на слишком низких оборотах при высокой нагрузке.

Читать еще: Что такое литровая мощность двигателя

Все современные моторы работают на грани детонации (как правило, при очень раннем угле опережения зажигания). В этом случае удаётся получить максимальный КПД. В эпоху трамблерных моторов с автоматами угла опережения зажигания добиться очень точного угла было сложно, поэтому тогда «пальцы стучали» часто.

Сейчас за угол опережения отвечает совсем небольшой датчик детонации, сигнал с которого позволяет позволяет изменять и этот угол, и при необходимости – состав топливной смеси.

Если датчик перестанет корректно работать, теоретически ничего страшного быть не должно: зажигание должно стать позже (в ЭБУ моторов такой отказ предусмотрен, и в случае, если ЭБУ потеряет сигнал, коррекция угла будет невозможной, но зажигание станет слишком поздним), детонации не будет, но ехать машина будет заметно хуже. Возможны и другие последствия: перегрев мотора, нагар на свечах, тот самый звук детонации, калильное зажигание, рост расхода бензина. Многое зависит от того, чем вызвана сама детонация. Если на моторе с прямым впрыском насмерть загажена камера сгорания, никакое смещение угла к позднему значению не спасёт. Ну и, конечно же, может загореться Check Engine. Что в этом случае делать?

Найти и обезвредить!

Разумеется, самый простой способ – это подключить сканер и считать ошибку. Но вряд ли у всех автолюбителей где-то в кладовке между дрелью и микроскопом лежит диагностический сканер (всякую ерунду из китайских магазинов я сканером не называю принципиально, хотя не отрицаю способность этой ерунды иногда что-нибудь показать). Поэтому попробуем обойтись без сложного оборудования.

Сначала надо этот датчик найти. Звучит смешно, но это так. Искать его нужно на блоке цилиндров. Проще всего дело обстоит с рядными «четвёрками»: датчик детонации обычно стоит ровно посередине блока между вторым и третьим цилиндрами. Там его и ищите, обычно – чуть ниже впускного коллектора. Такое расположение датчика на блоке позволяет ему «услышать» детонацию всех четырёх цилиндров, причём расположение мотора – продольное или поперечное – на положение датчика никак не влияет.

Сами датчики бывают двух типов: резонансные и широкополосные. Задача у них одна на всех: обнаружить стук в моторе (то есть ту самую детонацию), но алгоритмы работы немного разные. Резонансный датчик настроен на определённую частоту детонации, в которой он и проверяет шум. Частоту рассчитывают по формуле f(кГц)=900/(? * r), где r – радиус поршня, а ? – число Пи (3,1415. ). Если резонансный датчик слышит на этой стук с этой частотой, он впадает в панику и просит ЭБУ принять соответствующие меры. «Слышит» он их с помощью пьезоэлемента. Таким образом, датчик – это просто акселерометр, который способен преобразовать колебания блока в электрические сигналы.

Широкополосный датчик тоже слушает звук, но он не сконцентрирован на какой-то определённой частоте, а просто передаёт в ЭБУ все стуки. А тот уже сам думает, детонация это или нет и что теперь делать.

Отличить эти датчики просто: к резонансному подходит один провод, к широкополосному – два.

Если ЭБУ понимает, что началась детонация, оно начинает изменять угол опережения, делая зажигание более поздним. Поменяет и послушает датчик. Есть детонация? ОК, ещё немного подвину. Пропала? Отлично, вот так и поедем!

Допустим, датчик удалось найти и даже снять с машины. Что дальше? Есть несколько простых способов его проверки, но я традиционно расскажу только о самом элементарном. Для этого понадобится мультиметр, который умеет измерять очень маленькое напряжение – тысячные доли вольта, милливольты (проверьте свой – у моего, купленного когда-то за 120 рублей, порога не хватает). Выставляем мультиметр в режим измерения напряжения, к корпусу датчика прикладываем «минус», а плюсовой щуп аккуратно прижимаем к разъёму управляющего контакта. Теперь нужно зажать датчик в кулаке и немного постучать кулаком по столу. Так как пьезоэлемент ушей не имеет, слышит он именно удары, и исправный датчик реагирует на них изменением напряжения. Изменения очень маленькие – приблизительно в пределах 150 мВ, а если стучать слабенько, то и вовсе 30-40. В этом случае (если хотя бы этот минимум есть) нужно стукнуть кулаком с датчиком чуть сильнее. Если напряжение в момент удара хотя бы немного скакнуло повыше, датчик исправен. Если же никакой реакции на удары нет, датчик, скорее всего, умер. Стучать по нему молотком в попытке его реанимировать смысла нет – больше шансов добить очень чувствительный пьезоэлемент, чем восстановить работоспособность датчика.

Читать еще: В стандарте лифтбека что за двигатель

Теоретически можно ещё проверить сопротивление датчика, но для этого нужно знать точное значение сопротивления датчика с вашей машины. Удары как-то проще и надёжнее.

Что делать дальше?

Есть, конечно умельцы, которые эти датчики восстанавливают или подбирают похожий датчик от другой машины, «подпиливая» его по месту дополнительными резисторами и конденсаторами. Наверное, иногда другого выхода нет (ну, может, они ездят на Bugatti Veyron, и найти этот датчик быстро и дёшево не получается), но всё-таки лучший способ – поставить новый и успокоиться, благо стоит обычно недорого. К сожалению, в жизни бывают ситуации сложнее: датчик рабочий, а какие-то ошибки он не показывает.

Тут всё просто: надо проверять проводку. В ней тоже бывают «глюки», а показания датчика детонации для нормальной работы ЭБУ должны быть точными.

Ну и последнее. Иногда датчик детонации может сходить с ума от посторонних шумов, которых мотор издавать не должен. Цоканье гидрокомпенсаторов, «дизеление», трески фазовращателей, стук цепного ГРМ – все эти посторонние звуки иногда случайным образом датчик может посчитать детонацией. В этом случае должны насторожить ненормальные углы опережения зажигания, хотя сам датчик окажется исправным.

Как я уже говорил, датчик детонации – не та деталь, выход из строя которой остановит машину. Нет, ехать она будет. Но расслабляться не стоит, потому что если детонация есть, она убивает мотор очень быстро. Особенно современный мотор – небольшого объёма и с наддувом. Так что если есть какие-то подозрения, лучше сразу поехать в сервис.

Конструктивные решения для предотвращения детонации

Для борьбы с детонацией инженеры в разное время использовали определенные конструктивные решения. Такие решения направлены на максимально эффективное и быстрое сгорание заряда топлива во фронте пламени, полноту сгорания от искры, замедление окислительных процессов, в результате которых происходит неконтролируемое воспламенение.

Необходимо добавить, что в целях противодействия детонации могут быть увеличены обороты двигателя, в результате чего сокращается время на протекание окислительных реакций и снижается вероятность самовоспламенения топливно-воздушной смеси.

Отдельно стоит отметить форкамерно-факельное зажигание, которое в свое время было призвано эффективно бороться с детонацией. Моторы с форкамерой конструктивно предусматривают наличие двух камер: предкамеру и основную камеру. Принцип работы состоит в том, что в малой камере создается обогащенная смесь, а в основной находится обедненная. После воспламенения смеси в предкамере фронт пламени воспламеняет смесь в основной камере, исключая возможность детонации.

На современных моторах детонации активно противостоит электроника. Появление микропроцессорных блоков управления двигателем (ЭБУ) позволило в автоматическом режиме изменять угол опережения зажигания (УОЗ) на основании показаний от датчиков, а также динамично вносить коррективы в состав горючей смеси.