Преждевременное воспламенение, или что такое LSPI?
Мировая тенденция совершенствования двигателей внутреннего сгорания в уменьшении рабочего объема, максимальном форсировании с помощью турбонаддува и переходе на прямой впрыск топлива. Такие двигатели имеют, как правило, рабочий объем до двух литров, оборудуются парой турбин разного диаметра и используют сверхмаловязкие масла для максимальной топливной экономии. Казалось бы, для потребителя такие двигатели несут одно удобство, высокомощные, с малым расходом топлива и небольшим весом, они по праву вытесняют более объемных старших братьев из-под капотов автомобилей. Однако на практике все оказалось не так просто. В эксплуатации стали отмечаться вроде бы беспричинные случаи разрушения поршней, в отдельных случаях заканчивающиеся и разрушением двигателя в целом. Ведущие производители таких двигателей: GM, Toyota, Ford сразу же занялись исследованием этого явления, подтянулись и основные разработчики присадок Infinium, Afton. Исследования на макетах двигателей показали, что при средних нагрузках и средних оборотах происходит самовоспламенение смеси на середине такта сжатия. Нагрузки в этот момент повышаются настолько, что одной вспышки достаточно для разрушения межпоршневых перегородок на поршне, а далее разрушается сам поршень, может согнуть или порвать шатун и пробить блок цилиндров. То есть один случай – один двигатель. Это неприятное явление назвали LSPI — Low Speed Pre-ignition – малоскоростное предварительное зажигание. То есть явление сходно с калильным зажиганием, но значительно более редкое и тяжелое по последствиям.
Дальнейшие исследования показали, что возникновение или не возникновение LSPI связано с особенностями пакета присадок в моторном масле и сделан вывод, что воспламенение возникает при попадании мельчайших частиц масла в камеру сгорания и их взрывном горении. Причем, наличие повышенной концентрации кальция в пакете моющих присадок явление усиливает, а вот цинк, фосфор и особенно молибден резко уменьшают риск LSPI. Эффект ослабевает при использовании свежего масла и усиливается вместе с его старением. Также выявлена корреляция с октановым числом бензина, менее всего случаев LSPI отмечено на «сотом» бензине. Данных получено много, но самой первой компанией, выдвинувшей практическое решение по предотвращению LSPI стала General Motors. Рецептура вышедшего в 2010 году допуска dexos 1™ была откорректирована для предотвращения эффекта и получила название dexos 1™ Gen 2. Естественно, подробности решения являются know how компании, что не помешало американским производителям приобрести лицензию и начать производство специального масла для проблемных двигателей. Подтянулись и организации по стандартизации. Уже в мае 2018 года выходит обновленная версия стандарта API –API SN plus, активно готовится обновление требований по спецификации ILSAC – ILSAC GF6, готовящейся к выходу не позднее 2019 года. Все эти стандарты уже учитывают требования по предотвращению явления LSPI.
Компания Liqui Moly, как ведущий мировой производитель высококачественных масел, не осталась в стороне и стала одной из первых европейских компаний, выпустивших масло по лицензии dexos 1™ Gen 2 — Special Tec DX1 5W-30. Это НС-синтетическое маловязкое масло предлагается использовать, прежде всего, в проблемных двигателях GM, но возможно заливать в двигатели аналогичных конструкций и других производителей, в том числе Ford EcoBoost, Toyota, Chrysler, Honda, Hyundai, Kia, Mazda, Nissan. Фирменная черта масел Liqui Moly в использовании молибденовых соединений в составе пакета присадок реализована в полной мере. Главный принцип Компании – «Все из одних рук», а также эффективность и безопасность в использовании.
Как эффект LSPI убивает мотор и спасет ли его масло
Источник полемики имеет конкретное имя – LSPI (Low-speed pre-ignition). Есть и другое название – SPI (stochastic pre-ignition). В обоих случаях речь идет о нежелательном раннем зажигании, природа которого, к сожалению, пока что изучена довольно слабо. Оно возникает в двигателях с высоким давлением конца такта сжатия, которое создает турбонаддув. Неожиданно наблюдается резкий рост температуры и давления в цилиндрах – это часто приводит к поломке поршней и деформации стенок цилиндров. Примечательно, что такой эффект проявляется на турбомоторах с непосредственным впрыском топлива, у которых времени на испарение бензина меньше, чем у двигателей с распределенным впрыском.
Суть явления примерно такая. Топливо, подаваемое форсункой под высоким давлением, долетает до стенки цилиндра, не успевая по дороге испариться. При этом оно входит в контакт с масляной пленкой, состоящей из свежего масла и частиц нагара. Вследствие этого часть несгоревшего топлива, оказавшаяся между кромкой поршня и стенкой цилиндра, смешивается как с моторным маслом, так и с раскаленными частицами нагара. Итогом этого процесса может быть незапланированное возгорание, после чего начинается цепная реакция – ударная волна, разрушение деталей и т.п.
Хорошо забытое старое
Нечто подобное с давних пор наблюдается в тепловозных дизелях, которые продолжали работать при отключенной подаче топлива, поглощая вместо него масло. Сегодня же аналогичный эффект часто наблюдается на компактных даунсайзинговых бензиновых моторах. Провоцируют возникновение LSPI высокое давление конца такта сжатия, повышенная цикловая подача топлива и малый промежуток времени для смесеобразования. Отметим, что эффект чаще наблюдается при низкой частоте вращения коленчатого вала – виновата плохая турбулентность смеси. На возникновение LSPI могут влиять состав бензина, форма камеры сгорания, режим эксплуатации и даже формула моторного масла.
Масло как лекарство
Многочисленные исследования влияния масла на возникновение LSPI показали, что состав моторного масла может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на эффект вредного зажигания. В частности, концерн GM даже ввел свои допуски – это DEXOS 1 GEN2. И если производителям моторов известно, что их двигатели имеют склонность к LSPI, то масла с таким допуском могут нивелировать ненужный эффект.
С мая 2018 года Американский институт нефти API ввел в действие новую спецификацию – API SN Plus. Основное изменение включает тест на преждевременное воспламенение смеси в цилиндре. Кроме того, доработаны тесты на окислительную стойкость, чистоту поршней, совместимость с системами снижения токсичности; защиту от отложений, а так же на защиту от низкотемпературного износа клапанов и на топливную экономичность. Примером такого продукта может служить MOTUL 8100 Eco-lite 5W-30 с высокой температурой вспышки в 240 С. Это препятствует возникновению LSPI.
О совместимости или не маслом единым
Само собой, что спецификация API SN Plus подразумевает обратную совместимость с предыдущей API SN. Это общий принцип: масла более высокой группы качества всегда можно использовать в машинах прежних лет выпуска. Разработчики отмечают, что особо желательно использовать масла по новой спецификации в турбомоторах с непосредственным впрыском топлива, произведенных до 2018 г.
Не стоит, впрочем думать, что всё упирается только в масло. Просто эффект LSPI проявился довольно неожиданно, а потому пути решения проблемы начали искать, что называется, всем миром. Полагаем, что все новые моторы проектируются и будут проектироваться с максимальными предосторожностями от возникновения подобного эффекта.
Что такое LSPI?
Для начала определимся с терминологией – чтоб было понятнее. Во-первых, речь в этой заметке пойдет исключительно о бензиновых моторах. Во-вторых, двигатель с распределенным впрыском – в нем форсунки подают топливо во впускные каналы головки блока. А двигатель с непосредственным впрыском – где бензин распыляется прямо в цилиндр, минуя впускной коллектор.
Что такое LSPI? Это аббревиатура от английского выражения «Low Speed Pre-Ignition». На русский это можно перевести так: «Преждевременное воспламенение на малых оборотах» и под этим понимают аномальное сгорание, характерное для современных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и турбонаддувом, приводящее к катастрофическим повреждениям деталей.
При «нормальном» воспламенении смесь в цилиндре поджигается искрой от свечи. А вот в случае LSPI сгорание начинается задолго до того, как между электродами проскочит искра, что вызывает резкий скачок давления в цилиндре. Ударная волна запросто может повредить или даже разрушить поршень.
На фото: Картина разрушения поршня при LSPI – типично детонационная: ломаются перемычки между кольцами.
Почему LSPI характерно именно для непосредственного впрыска?
Преждевременное воспламенение характерно для двигателей с непосредственным впрыском, не в последнюю очередь, из-за высокой степени сжатия и слишком малого времени на испарение топлива. Так, у типичного мотора с непосредственным впрыском, на распыление и испарение бензина отведено менее 160° поворота коленвала. Если сравнивать с двигателем карбюраторным или с распределенным впрыском – там аналогичный процесс занимает более чем 320° поворота коленвала. И вот это сочетание – «сильное» сжатие и короткое время распыления делает двигатели с непосредственным впрыском особо чувствительным случаям аномального сгорания, таким как LSPI.
Вот, для сравнения, величина степени сжатия в двух американских двигателях:
GM, модели LT1, непосредственный впрыск
GM 3.8V6, распределенный впрыск
Как распыление и испарение топлива влияют на LSPI?
Стоит отметить, что в цилиндрах горит не жидкое топливо. Бензин, наливаемый в бак, это разумеется – жидкость, но, чтобы его сжечь надо, чтоб он превратился в пар. Поэтому жидкий бензин, в виде облака из мельчайших капель, распыляется в горячий и завихренный поток воздуха в цилиндре. Однако, из-за очень короткого времени, отведенного на этот процесс, часть топлива не успевает испариться и сгореть. Часть такого несгоревшего топлива оказывается в зазоре между жаровым поясом поршня и стенкой цилиндра, где смешивается с моторным маслом, смазывающим стенки цилиндра. Из этой смеси легко образуются отложения нагара (смеси сажи и прочих химически активных веществ), приводящие к LSPI. А мельчайшие частички нагара, отделяющиеся от этого слоя, становятся очагами преждевременного воспламенения.
Как химический состав масла влияет на LSPI?
Тем не менее, поскольку двигатели с непосредственным впрыском позволяют сократить расход топлива и снизить выбросы вредных веществ, Министерство энергетики США предоставило исследовательский грант Национальной лаборатории Оук Ридж – для определения способов и методов преодоления подобных недостатков.
В свою очередь, лаборатория Оук Ридж заключила контракт с компанией Driven Racing Oil, которая могла «смешивать» небольшие партии экспериментальных моторных масел разного состава и хорошо «разбиралась» в устройстве двигателей. А Driven Racing Oil, в свою очередь, в сотрудничестве с частной образовательной организацией «Университет EFI», изучающей системы впрыска с электронным управлением, провела стендовые исследования на двигателе с непосредственным впрыском (GM, модели LT1) для подбора масел нужной рецептуры, настройки и конструкторских доработок подобных форсированных двигателей.
Так вот, исследователи установили, что состав и количество моющих присадок в моторном масле очень сильно влияет на появление LSPI. Так, уменьшение количества кальция и полное удаление натрия сокращает частоту и «степень тяжести» LSPI, да и других случаев аномального сгорания. Повышение содержания молибдена тоже способствует снижению тенденции к самовоспламенению.
Была выдвинута гипотеза о том, что присадки на основе кальция и натрия реагируют с топливом, в результате чего образуются химические соединения с октановым числом, ниже чем у бензина или моторного масла и, поэтому, плохо сопротивляющиеся детонации. Поэтому подобные «смешанные» молекулы становятся запальными ядрами для того типа аномального сгорания, которое мы и называем LSPI – низкоскоростным преждевременным воспламенением. Эта гипотеза получила подтверждение после того, как в двигатель залили экспериментальное масло – без натриевой присадки и с существенно меньшим содержанием кальция. Мотор на нем работал безукоризненно.
Выводы исследователей удалось подтвердить и натурными экспериментами. Компания Driven Racing Oil поработала с двигателями гоночных автомобилей Mini, участвующих в британской серии Mini Challenge. Форсированные двигатели этих автомобилей, с турбонаддувом и непосредственным впрыском, часто страдали от LSPI, поскольку их заправляли обычным «дорожным» моторным маслом, содержавшим более 2500 ppm (частиц на миллион) моющей присадки на основе кальция. Как только организаторы серии поняли, что частые поломки поршней вызваны LSPI, то, по совету поставщика топлива Sonoco, обратились в Driven Racing Oil. В результате «стандартное» моторное масло было заменено на специальное – XP9 Racing Oil, в котором содержится всего лишь 250 ppm кальциевой присадки и добавлено 1000 ppm молибдена. Это позволило устранить поломки, вызванные LSPI.
На фото: сравнение химического состава моторных масел
Почему малые обороты?
Вы можете спросить, почему основной упор делается на малые обороты двигателя. А вот почему. На малых оборотах турбулентность «входящего» воздуха гораздо меньше, чем на высоких. В подобном режиме бензин хуже испаряется и перемешивается с воздухом.
Представьте себе – автомобиль стоит на светофоре, а двигатель работает на холостом ходу, без нагрузки. При этом смесь завихряется меньше, а температура поршня ниже. Все это, вместе взятое, мешает качественному распылению и испарению бензина. Теперь добавьте сюда противодавление от турбокомпрессора, и вы получите эффект ухудшенной продувки цилиндра плохо приготовленной топливной смесью. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в двигателях с непосредственным впрыском моторное масло сильнее разбавляется топливом, чем в двигателях с распределенным впрыском!
Длительная работа на холостом ходу и, следующее за ней, резкое ускорение под полным дросселем создают идеальные условиях для LSPI – смешению топлива и моторного масла, с последующим нарушением сгорания и внезапными скачками давления в цилиндре.
Еще одно доказательство этой теории было найдено в результате недавнего эксперимента в «Университете EFI». Тамошние исследователи, используя V-образную «восьмерку» GMC LT1, с непосредственным впрыском, проверила два вида топлива: VP C10 и VP C20. Несмотря на схожее октановое число (100 – для C10 и 98 – для C20), оба бензина различались по степени испаряемости. Чем выше температура испарения, тем труднее бензин превращается в пар. И наоборот, чем ниже эта температура – тем легче он испаряется.
Интересно, что более высокие температуры испарения бензина С10 заставляют двигатель детонировать больше, чем работа на бензине С20, с меньшим октановым числом и меньшей температурой разгонки. Это явление доказало, что «не испарившееся/жидкое топливо», способствует случаям аномального сгорания, таким как LSPI.
Как бороться с подобным явлением?
Проведенные исследования показали, какие присадки в масле способствуют LSPI, а какие – предотвращают. Значит, подобрав соответствующую рецептуру, можно получить моторное масло, защищающее от LSPI, без ущерба от повышенного износа двигателя. Поэтому API разработала новую спецификацию – SN Plus, для поколения масел, которое должно устранить проблемы, связанные с LSPI. К слову сказать, масла GM, серии dexos, тоже доработаны с учетом защиты от LSPI.
Ну и в завершение надо добавить, что следует избегать использования масел с высоким уровнем кальциевых и натриевых присадок, в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском. Поскольку такие моторы очень чувствительны к качеству применяемых бензина и масла, то к выбору эксплуатационных жидкостей надо подходить очень тщательно.