Ранее отмечалось, что совершенствование автомобильных карбюраторных двигателей идет по пути увеличения литровой мощности и снижения удельного веса. Это достигается за счет повышения степени сжатия, увеличения наполнения цилиндра рабочей смесью и повышения числа оборотов коленчатого вала. Возрастание количества тепла, выделяющегося в камере сгорания двигателя в единицу времени, и применение более компактных камер с верхним расположением клапанов приводит к значительному повышению общей тепловой напряженности деталей, а в ряде случаев — к появлению местных перегревов выпускных клапанов, свечей зажигания, кромок прокладок и поверхностей камеры сгорания.
С другой стороны, с возрастанием степени сжатия и повышением тепловой напряженности двигателей рабочая смесь в конце такта сжатия становится все более и более «подготовленной» к воспламенению.
Появление «горячих точек» в камере сгорания вызывает самопроизвольное воспламенение рабочей смеси независимо от времени подачи искры свечей зажигания. Это явление, вызывающее нарушение нормального процесса сгорания, получило название поверхностного воспламенения или калильного зажигания.
Поверхностное воспламенение по своему характеру принципиально отличается от детонационного сгорания, хотя эти явления в условиях работы автомобильного двигателя тесно связаны. Однако процесс сгорания смеси после калильного зажигания протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией.
Воспламенение рабочей смеси от «горячей точки» до появления искры зажигания действует на процесс сгорания так же, как установка более раннего угла опережения зажигания, т.е. способствует возникновению детонации. С другой стороны, детонационное сгорание вызывает значительное повышение температурного режима двигателя, способствует появлению «горячих точек» в камере сгорания и возникновению калильного зажигания. Таким образом, калильное зажигание и детонация тесно связаны между собой и часто оба явления имеют место в двигателе в одно и то же время, но механизм протекания этих процессов и меры борьбы с ними существенно различаются.
Внешние проявления калильного зажигания и те последствия, к которым оно приводит, зависят от таких факторов, как число и размер источников зажигания, фаза возникновения, интенсивность и стабильность этого явления. Обилие проявлений калильного зажигания и недостаточная изученность механизма происходящих процессов привели к необходимости классификации всех наблюдаемых нарушений по чисто внешним признакам.
Все виды поверхностного воспламенения делятся по фазе их появления на преждевременное воспламенение (до появления искры зажигания) и последующее воспламенение (после появления искры зажигания).
Преждевременное калильное зажигание в зависимости от интенсивности и стабильности появления делят на бесшумное, устойчивое, слышимое и саморазгоняющееся.
По этим же признакам последующее калильное зажигание делят на бесшумное и сопровождающееся сильным глухим стуком. Совместное периодическое появление калильного зажигания и детонации, сопровождающееся резким треском, названо «диким» стуком. В особые группы выделяют калильное зажигание, вызывающее продолжение работы двигателя после выключения зажигания на полной нагрузке или на холостом ходу, жесткую работу двигателя вследствие калильного зажигания, но не сопровождающуюся стуками, шумное сгорание, возникающее при пуске горячего двигателя*.
Эта классификация, несмотря на довольно частое использование в литературе, имеет существенные недостатки. Все рассмотренные нарушения имеют общую причину— воспламенение рабочей смеси от «горячей точки», поэтому один вид нарушения может переходить в другой при небольшом изменении условий в камере сгорания. Внешние проявления калильного зажигания, положенные в основу классификации, иногда трудно различимы из-за общей шумности работы двигателя. Однако последствия калильного зажигания в рамках этой классификации могут быть рассмотрены довольно точно.
Преждевременное воспламенение рабочей смеси сопровождается падением мощности двигателя вследствие увеличения затраты работы на сжатие продуктов сгорания (рис. 5.11). Однако главная опасность преждевременного воспламенения связана с увеличением теплоотдачи в стенки из-за возрастания времени нахождения в цилиндрах сгоревших газов с высокой температурой.
Возникновение очагов воспламенения после того, как началось распространение пламени от искры, ведет к увеличению скорости повышения давления до 8—ЮкГ/см2 на Г вместо обычных 2 кГ/см2 на Г при нормальном сгорании. Индикаторные диаграммы приобретают характер острых пиков (рис. 5.12), при этом резко возрастают максимальные давления в камере сгорания. Наиболее часто встречается нарушение такого рода, названное «грохотом». Оно возникает обычно при переходе двигателя к режимам полного открытия дроссельной заслонки после длительной работы на малых нагрузках.
Таким образом, калильное зажигание нарушает нормальное протекание процесса сгорания, делает его неуправляемым, приводит к снижению мощности и ухудшению экономичности двигателя.