Теория работы газораспределительного механизма может показаться сложной, хотя его задача довольно проста: подать смесь в камеру сгорания, а затем выпустить из нее отработавшие газы. Но в действительности ключевой задачей при изучении работы двигателя является изучение того, что происходит в самой камере сгорания. Неправильно считать, что, если смесь сжали, а затем подожгли искрой от свечи зажигания вблизи от ВМТ, все произойдет должным образом. Нужно начать с того, что на сгорание уходит время. Если посмотреть на воздействие искры на пары бензина, смешанные с воздухом в неподвижной камере, можно увидеть, что происходящее очень похоже на взрыв.


Однако взрыв — это в действительности последнее, что мы хотим получить, мгновенного увеличения давления достаточно для того, чтобы в короткое время разрушить двигатель. Все двигатели имеют предел «детонации», при котором искра будет взрывать топливо, а не заставлять его сгорать постепенно, приводя к явлению, которое сопровождается стуком деталей двигателя. Чем выше степень сжатия двигателя, степень опережения зажигания и ниже октановое число топлива, тем более возможно наступление детонации. Многие современные двигатели свободно работают на пределе детонации, но они снабжаются датчиками детонации, которые при ее наступлении мгновенно уменьшают угол опережения зажигания, предотвращая возможность повреждения двигателя.


Если избавиться от детонации, то сгорание будет происходить постепенно, хотя и довольно быстро, обеспечивая высокое давление, «пик» которого приходится на момент, когда поршень находится в ВМТ. Когда двигатель работает при 6000 об/мин и каждый цилиндр воспламеняет смесь при каждом втором обороте, время, проходящее оттого, как поршень движется от ВМТ в такте сжатия до окончания рабочего хода, составляет одну пятидесятую секунды, и в течение этого времени должно произойти сгорание и давление должно сделать свою работу.


На самом деле времени еще меньше, потому что если искра проскочит раньше времени, когда впускной клапан еще открыт, то поршень сработает впустую. С другой стороны, если прождать слишком долго, поршень начнет двигаться вниз прежде, чем наступит максимальное давление, и будет потеряно много энергии. Таким образом, момент опережения зажигания — очень важная величина, и должен быть способ его регулирования при изменении оборотов и нагрузки двигателя. Первые двигатели предоставляли эту возможность водителю, и даже после 1945 года автомобили на приборном щитке, кроме кнопки «подсоса», имели специальную кнопку, вытягивая или утапливая которую, можно было изменять угол опережения зажигания. Обычной процедурой было вытянуть обе эти кнопки перед холодным запуском и утопить их после того, как двигатель начинал работать устойчиво.


После 1945 года задачу регулировки зажигания стал выполнять регулятор-распределитель. Под крышкой распределителя, в которую входит один высоковольтный провод от катушки зажигания и выходит серия проводов, по одному к каждой свече зажигания, расположен гениальный механизм. В этом механизме имеется пара грузиков, уравновешенных пружинами, которые расходятся при вращении вала распределителя и увеличивают угол опережения зажигания при увеличении оборотов двигателя. В дополнение к этому устанавливается вакуумная камера, которая регулирует зажигание в соответствии с нагрузкой (чем выше нагрузка, тем ниже давление во впускном трубопроводе). Постепенно улучшаясь в конструкции, распределитель прекрасно работал в течение полувека, но он всегда был слабым местом, когда требовалась надежность (регулировка зажигания была еще одной операцией, регулярно проводимой механиками на старых автомобилях до конца 1970-х). Конец механическим распределителям пришел, когда была доказана их неспособность к точности или гибкости регулировки, которые требовали двигатели нового века и ограничения вредных выбросов.


Сегодня опережение зажигания, как и многое другое, задача электронного контрольного модуля (о котором немного позднее). Используются катушки зажигания, индивидуальные для каждого цилиндра, иногда для пары цилиндров. Получение каждой искры производится с чрезвычайной точностью и без каких-либо движущихся частей, по электронным сигналам. Некоторые устройства выдают не одну искру, а серию: во многих двигателях искра проскакивает не только во время такта сжатия, но и во время выпуска, частично потому, что система в этом случае получается проще (это значит, что каждая свеча искрит каждый раз, когда поршень доходит до верха цилиндра), а частично из-за того, что при этом немного улучшается состав выхлопных газов, а свече это не вредит.


По внешнему виду сама свеча за последние полвека изменилась немного. Это опровергается огромными усилиями, которые были приложены для улучшения изоляции и используемых проводящих материалов, а также способов их производства. Кажущаяся простой задача получения искры, когда к одному электроду подводится положительное высокое напряжение, а второй электрод расположен на «массе» головки блока, в действительности очень сложна. Инженеры различают «горячие» и «холодные» свечи, сконструированные для различных температур внутри цилиндра, и говорят о «тепловой шкале», комбинации холодного и горячего состояний. Они также говорят о необходимости избегать «холодных загрязнений» перед тем, как двигатель прогреется, о «дымлении» и, конечно, в основном об эрозии электродов.


Сегодня некоторые из наиболее совершенных свечей зажигания имеют проволочные электроды из практически чистой платины.или других редких металлов и имеют срок службы 95 000-100 000 км и даже больше. Технологи также рассматривают идею использования электродов свечей в качестве оригинальных датчиков, определяющих, что происходит внутри камеры сгорания.


Искра и момент зажигания не единственные составляющие задачи. Важно, что происходит с топливно-воздушной смесью после того, как она поступит в камеру сгорания, перед тем, как проскочит искра, и сразу же после этого. Основной задачей создателей двигателей является получение совершенно однородной смеси, быстро движущейся в заданном направлении. Результатом этого будет полное сгорание, и пламя, подожженное свечой, будет распространяться быстро и во всех направлениях камеры сгорания. Несколько лет назад быстрое движение смеси сопровождалось «хлюпанием», камера сгорания в головке цилиндра имела меньшую площадь, чем головка поршня, поэтому смесь по краям камеры сгорания сжималась по направлению к середине, когда поднимался поршень. Сегодня хлюпание — не в моде, главным образом, потому, что это создает узкую щель, в которой всегда задерживается некоторое количество несгорев-шего топлива, а также и потому, что форма камеры сгорания в этом случае получается менее эффективной, чем могла бы быть. Кроме того, трудно получить такой эффект в двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр.


Сегодня ключевыми словами стали: «закручивание» и «завихрение». И то и другое создается тщательным формированием впускных трубопроводов и головки поршня. При закручивании смесь в цилиндре вращается относительно центральной оси, и происходит это все быстрее и быстрее, по мере того, как поднимается поршень. В самом центре есть небольшая, довольно спокойная область. Пламя, возникшее в этом случае, довольно быстро распространяет свой фронт во все стороны. При завихрении смесь вращается вокруг горизонтальной оси (имеется в виду вертикальный двигатель) таким же образом, как это происходит в стиральной машине с горизонтальным барабаном. Таким же образом движение ускоряется и завихрение усиливается, когда поднимается поршень. В этом случае искра свечи зажигания легко воспламеняет движущуюся с высокой скоростью смесь, и фронт пламени быстро распространяется вокруг «вихря». Обе формы потока имеют своих строгих приверженцев среди разработчиков двигателей. Важно то, что оба способа обеспечивают полное и постоянное сгорание. Кроме того, оба варианта хорошо работают при центральном расположении свечи зажигания, что характерно для 4-клапанных головок цилиндров.