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:

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.