Разрушение поршня, шатуна из-за масла, феномен LSPI!

Уменьшение объёма двигателей для достижения большей экономии топлива имеет свои недостатки. Турбодвигатели DISI (direct injection-spark ignition – двигатель с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива) меньшего размера выдают более высокий крутящий момент при низких оборотах (RPM), что уменьшает расход топлива на километр. В то же время меньший объём двигателя может привести к неправильному сгоранию топлива – феномену, также известному как LSPI (Low Speed Pre Ignition – преждевременное зажигание на низких оборотах). LSPI снижает оптимальный крутящий момент при низкой скорости вращения двигателя и представляет собой огромную проблему, препятствующую одновременному уменьшению объема и улучшению показателей экономии топлива.

Интересно, что согласно исследованиям состав и свойства смазочного масла могут сыграть роль в борьбе с LSPI.

Разработка новых турбодвигателей DISI (GDI) привела к улучшению показателей крутящего момента при низких оборотах двигателя по сравнению с безнаддувными двигателями или даже с турбированными бензиновыми. Благодаря этому DISI более эффективны и в меньшей степени загрязняют окружающую среду, что можно увидеть на графике, который показывает соотношение среднего эффективного давления в двигателе (BMEP — Brake Mean Effective Pressure) и числа оборотов.

Ученые исследовали природу возникновения LSPI и пришли к выводу, что феномен связан с определёнными свойствами масел. Согласно исследованиям, капельки масла выходят через щель в верхней части поршня и испаряются, поскольку температура внутри камеры сгорания очень высока из-за наличия сжатого воздуха. Затем из-за высокой температуры эти испарения внезапно воспламеняются и, в свою очередь, зажигают топливо прежде чем это сделает свеча зажигания – вот, что представляет собой феномен преждевременного зажигания. Не путайте с калильным зажиганием.

Toyota&Nippon Soken, исследовательский институт, финансируемый Denso Corp. и Toyota, провёл испытания для изучения феномена LSPI на турбодвигателе L4 с непосредственным впрыском топлива и бензине премиум-класса, доступном в Японии. Суть теста заключалась в том, чтобы двигатель работал на 4000 об/мин для устранения любых отложений. Затем количество оборотов в минуту было снижено до 1800 для проверки LSPI путём измерения его встречаемости за час. При проведении данного теста система управления двигателем была преднамеренно настроена таким образом, чтобы LSPI происходило чаще, для оценки реакции смазочного масла.

Тесты проводились для определения влияния смазочного базового масла и моющих присадок в моторном масле. В исследовании было использовано различное количество кальция, фосфора в форме диалкилдитиофосфата цинка, молибдена в виде дитиокарбамата молибдена, а также фенольных антиоксидантов. В качестве основы было взято масло ILSAC GF-5. Количество присадок варьировалось. Вышеупомянутый эксперимент был призван изучать изменение частоты LSPI при разных условиях.

Тесты также были проверены статистическими методами, и результаты показали, что они обладают хорошей воспроизводимостью.

Было установлено что кальций влияет на частоту LSPI наиболее сильно – повышенное содержание кальциевой присадки повысило частоту LSPI. В сущности, эффект был настолько сильным, что повышение содержания кальция на 0.1-0.2% увеличивало частоту возникновения LSPI в 3 раза. Однако дальнейшее увеличение до 0.3% имело незначительное влияние. С другой стороны, молибден и фосфор оказались на противоположной стороне баррикад, так как с увеличением содержания этих элементов частота LSPI уменьшалась. Содержание 0.07% и 0.15% дитиокарбамата молибдена и диалкилдитиофосфата цинка соответственно помогло полностью справиться с LSPI. Добавление фенольных антиоксидантов существенно не повлияло на частоту LSPI.

Испытания также подтвердили существенное снижение частоты LSPI в том случае, когда присадки не используются. Эксперименты проводились на маслах GF-5, и сравнивались два образца – с присадкой и без. В результате оказалось, что в случае образца без моющей присадки частота LSPI существенно ниже.

Инженеры Toyota провели последующие испытания, чтобы узнать, в результате чего главным образом происходит испарение и воспламенение капель масла – из-за испарения или окисления. Результаты показали очень слабую корреляцию испаряемости и LSPI, что исключило возможность того, что летучесть масла есть причина данного феномена. Был сделан вывод, что скорее окисление, а не испарение является определяющим фактором в проблеме возгорания масляных капель при автоматическом зажигании.

Дальнейшие испытания были проведены с целью выяснить корреляцию между окислительной стабильностью масел для определения момента возгорания и влиянием LSPI при разных температурах с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии высокого давления (HPDSC). Данные тесты проводились при условиях давления в 1 атмосферу и 10 атмосфер. Испытания при давлении в 1 атмосферу не показали существенной корреляции между частотой LSPI и температурой возгорания, однако существенная корреляция возникла при давлении в 10 атмосфер.

В решении проблематики LSPI требуется серьезная кооперация OEM-производителей с производителями масел и присадок, чтобы найти способы борьбы с LSPI. Всё это, безусловно, будет иметь большое значения для обеспечения лучшей экономии топлива в будущем.

С одной стороны, производство двигателей меньшего объёма, работающих на низких оборотах, означает меньшие потери мощности на трение, более низкий расход топлива, снижение затрат на материалы и производство. С другой стороны, было отмечено, что по сравнению с обычными двигателями вероятность LSPI увеличивается. Это происходит, поскольку при более низких оборотах двигателя вероятность самовоспламенения топлива ранее заданного времени выше, чем у двигателей, работающих на более высоких оборотах. Виной тому испарение капель смазочного масла, действующих в качестве местного очага воспламенения и принимающих на себя роль искры, так как за счет окисления растёт температура. В противном случае искра должна была быть обеспечена свечей зажигания в строго определённое время.

Такое неправильное возгорание может привести к сильному стуку в двигателе, достаточному для того, чтобы повредить жизненно важные детали в том случае, если конструкция двигателя недостаточно надёжна. Всё это накладывает существенные ограничения на уменьшение объёма и понижения скорости вращения двигателя и, таким образом, препятствует улучшению показателей экономии топлива. Автопроизводители и инженеры изо всех сил пытались найти первопричину феномена LSPI, чтобы его преодолеть и улучшить показатели расхода. Тесты, проведенные Toyota, для проверки влияния различных параметров, в том числе масляных присадок и свойств масла, показали положительную корреляцию между различными вышеописанными факторами. Поэтому в этом году появятся новые спецификации и требования автопроизводителей к маслам. О чем вы сможете узнать в следующей статье.