← О тактах и смеси | Рабочий ход →
Такт сжатия начинается в момент, когда поршень меняет направление движения в нижней мёртвой точке (НМТ) — после того как цилиндр заполнился свежей топливовоздушной смесью во время такта впуска. Принято считать, что сжатие не начинается, пока не закроются оба клапана. Однако скорость потока на впуске к концу этого такта бывает весьма высокой, и закрывать впускной клапан прямо в НМТ было бы расточительством. Поэтому на практике закрытие впускного клапана намеренно задерживают на несколько градусов поворота коленвала — чтобы кинетическая энергия потока успела преобразоваться в давление по мере его «вбегания» в цилиндр.
Более того, полезное сжатие начинается ещё до закрытия впускного клапана — именно за счёт этого преобразования скорости в давление. Например, если скорость потока на впуске в НМТ составляет 150 м/с, то стопроцентное преобразование его кинетической энергии даёт прирост давления на 14%. При атмосферном давлении 1 бар это около 0,14 бар — кажется немного, но на деле весьма ощутимо. Всё это сказано к тому, чтобы убедить читателя: позднее закрытие впускного клапана — на много градусов после НМТ — вовсе не означает, что сжатие запаздывает.
В сочетании с волновыми эффектами во впускном и выпускном трактах этот механизм настолько эффективен, что атмосферные четырёхтактные гоночные двигатели способны наполнять цилиндры смесью, давление которой превышает атмосферное на 25%.
Не последнюю роль играют и почти сто лет интенсивных исследований в области газодинамики: за это время впускные каналы и сёдла клапанов были доведены до высокого аэродинамического совершенства. Это позволило существенно увеличить скорость потока на впуске и тем самым — повысить наполнение цилиндра после прохождения нижней мёртвой точки.
Зачем нужно сжатие
Задача такта сжатия — повысить максимальное давление, которое развивается при сгорании. Эмпирическое правило гласит: полное сгорание стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом увеличивает давление примерно в семь раз. В самых ранних промышленных газовых двигателях цилиндр заполнялся лишь на треть, и смесь поджигалась без предварительного сжатия. Умножаем семь на треть — получаем коэффициент давления 2,3. Ничтожно мало. Те ранние двигатели Ленуара были крайне маломощными, однако само по себе умение производить хоть какую-то работу там, где был доступ к городской газовой сети, делало их полезными в 1860-х и первой половине 1870-х годов.
Степень сжатия двигателя Ford Model T составляла около 4,5:1. Здесь применимо ещё одно практическое правило: максимальное давление сгорания приблизительно равно степени сжатия, умноженной на 7 (в барах). Это справедливо при полностью открытом дросселе и в диапазоне оборотов максимального крутящего момента. Для Model T: 7 × 4,5 = 31 бар. По современным меркам — немного, что и объясняет скромные 22 л.с. двигателя объёмом 2,9 литра при 1600 об/мин (пиковый момент достигался и вовсе на 900 об/мин).
Теперь возьмём современный спортивный мотоцикл со степенью сжатия 13:1: 7 × 13 = 91 бар. При этом в обоих случаях топливовоздушная смесь содержит одинаковое количество химической энергии на единицу объёма. Почему же такая разница?
Дело в том, что степень сжатия определяет, какая доля этой химической энергии будет совершать работу, давя на поршень, а какая — бесполезно уйдёт в выпускной тракт в виде тепла при открытии выпускного клапана. Именно поэтому степень сжатия — один из главных факторов, определяющих КПД двигателя.
Детонация: враг высокой степени сжатия
Почему же тогда Форд не поднял степень сжатия до 13:1?
Потому что ещё в 1913 году, как только сжатие поднималось выше 4,5, двигатель начинал стучать, перегреваться и в конце концов выходил из строя с разрушенными поршнями. Эта «болезнь двигателя» называется детонацией.
Нормальное горение в двигателе внутреннего сгорания — это плавное, постепенное распространение фронта пламени, ничего общего не имеющее со взрывом. Пламя распространяется, нагревая несгоревшую смесь перед собой до температуры воспламенения. Таким образом горение распространяется от свечи зажигания к стенкам цилиндра со скоростью около 15–45 м/с. Этот процесс называется дефлаграцией.
Но при определённых условиях возникает иная форма горения — она распространяется со скоростью звука и выше, разрушая молекулы ударной волной и заставляя их стремительно вступать в реакцию с кислородом с выделением тепла. Это высокоскоростное горение, распространяющееся ударной волной, и есть детонация.
Ранние сорта бензина были склонны к детонации, а конструкция двигателей ещё не достигла нынешнего уровня. Инженеры того времени знали: детонации — и вызываемых ею разрушительных ударных волн — можно избежать, достаточно снизив степень сжатия. Помимо этого, детонацию сдерживают следующие факторы:
В ходе исследований начала 1960-х годов Honda обнаружила, что октановое число топлива, при котором двигатель начинает детонировать, снижается с ростом оборотов выше 12 000 об/мин. На 20 000 об/мин и выше испытуемый двигатель работал без детонации даже на топливе с октановым числом ниже 40 — исключительно плохом по любым меркам.
Турбулентность как средство борьбы с детонацией
Ещё в начале XX века было установлено, что турбулентность смеси ускоряет сгорание и тем самым препятствует детонации. Это открытие было сделано независимо несколькими исследователями.
Один из источников турбулентности — эффект сквиша (выдавливания). Отдельные зоны поршня и головки цилиндра в верхней мёртвой точке сближаются до расстояния порядка 0,7 мм. Смесь, оказавшаяся между ними, стремительно выдавливается, образуя высокоскоростные струи, интенсивно перемешивающие заряд. Площадь зоны сквиша составляет обычно около 15% площади поршня.
Другой путь к турбулентности — завихрение (swirl): поток смеси направляют в цилиндр таким образом, чтобы он приобрёл вращение, запасая кинетическую энергию наподобие маховика. К концу такта сжатия это организованное вращение переходит в хаотическую турбулентность.
Осевое завихрение создаётся за счёт тангенциального подвода одного впускного канала к цилиндру — примерно так, как вода начинает вращаться в ведре, если направить шланг по касательной к его стенке.
В четырёхклапанных двигателях входящий поток смеси ориентируют так, чтобы создать тумблинг — перекатывающееся движение: поток ударяется о дальнюю стенку цилиндра, стекает к поршню, пересекает его и поднимается обратно к головке, описывая замкнутую петлю. Тумблинг эффективно запасает кинетическую энергию впускного потока, которая при подходе поршня к ВМТ преобразуется в хаотическую турбулентность.
Современный товарный бензин имеет более низкое октановое число, чем топливо, принятое ещё в 1936 году для авиационных поршневых двигателей армии США. Так что секрет отсутствия детонации в нынешних спортбайках с 13-кратной степенью сжатия — не в «высокотехнологичном топливе».
В чём же он тогда? Отчасти — в жидкостном охлаждении, которое снижает температуру стенок камеры сгорания и тем самым замедляет предпламенные химические реакции (именно поэтому у двигателей с воздушным охлаждением степень сжатия, как правило, ниже). Но главная заслуга принадлежит тумблингу: он создаёт турбулентность, достаточно ускоряющую сгорание, чтобы оно «обгоняло» детонацию.
Сжатие и рабочий ход: где граница?
Поскольку нормальное сгорание смеси занимает время, зажигание должно происходить незадолго до конца такта сжатия — за много градусов до ВМТ, — чтобы максимальное давление достигалось в момент начала значимого хода поршня вниз. Именно поэтому завершение такта сжатия и начало рабочего хода фактически перекрываются.
Стоит задуматься и вот о чём. Единственный способ получить от степени сжатия полную отдачу — это сжечь всю смесь точно в ВМТ. Но это физически невозможно. Смесь, догорающая в 30° после ВМТ, эффективно сжигается при степени сжатия около 7:1, поскольку поршень уже прошёл 8% рабочего хода. А смесь, вытесненная в объём поршневых колец при сжатии? Высокоскоростная съёмка показывает, что остатки этого «щелевого газа» могут вытекать из-под колец уже во время выпуска.
Итог: четыре такта двигателя — вовсе не четыре изолированных процесса. Они непрерывно перекрываются и переплетаются самым сложным — и при этом захватывающим — образом.
