CC BY
16Научная статья
УДК 621.43.038.3:621.432.3
Низкоскоростное предварительное зажигание (LSPI) или преждевременное воспламенение на малых оборотах в турбированных ДВС с непосредственным впрыском бензина в цилиндры (GDI)
Анатолий Анатольевич Дьяков 1 Татьяна Евгеньевна Лихачева 2, Лариса Павловна Шестопалова 3, Дмитрий Геннадьевич Егоров 4
1, 2, 3, 4 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия1
1 diakov.anatol@ya.ru
2 t5329022@yandex.ru
3 ntibr@mail.ru
4 nord@ro.ru
Аннотация. Статья рассматривает особенность работы двигателей Gasoline Direct Injection (GDI) - ДВС прямого впрыска топлива с турбонаддувом. Преждевременное воспламенение на малых оборотах (LSPI) приводит к повреждению поршней двигателей GDI. В статье приводится гипотеза о причинах возникновения данного отрицательного явления, как нарушения процесса сгорания топливовоздушной смеси. Показан метод экспертного исследования признаков, свидетельствующих о протекании в двигателе аномального процесса сгорания LSPI.
Ключевые слова: низкоскоростное предварительное зажигание (LSPI), преждевременное воспламенение на малых оборотах, GDI, нарушение сгорания, разрушение межкольцевых перегородок поршня
Для цитирования: Дьяков А. А., Лихачева Т. Е., Шестопалова Л. П., Егоров Д. Г. Низкоскоростное предварительное зажигание (LSPI) или преждевременное воспламенение на малых оборотах в турбированных ДВС с непосредственным впрыском бензина в цилиндры (GDI) // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2023. № 2(7). С. 3-10.
Original article
Low-speed pre-ignition (LSPI) or premature ignition at low speed in turbocharged internal combustion engines with direct injection of gasoline into the cylinders (GDI)
Anatoliy A. Diyakov 1 Tatyana E. Likhacheva 2, Larisa P. Shestopalova 3, Dmitriy G. Egorov 4
1, 2, 3, 4 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
1 diakov.anatol@ya.ru
2 t5329022@yandex.ru
3 ntibr@mail.ru
4 nord@ro.ru
Abstract. The article is about the peculiarity of the operation of Gasoline Direct Injection (GDI) engines - turbocharged direct fuel injection engines. Premature ignition at low speed
© Дьяков А. А., Лихачева Т. Е., Шестопалова Л. П., Егоров Д. Г., 2023
(LSPI) leads to damage to the pistons of GDI engines. The article discusses the hypothesis about the causes of this negative phenomenon of disruption of the combustion process of the fuel-air mixture. The method of expert investigation of signs indicating the occurrence of an abnormal LSPI combustion process in the engine is shown. The method of expert investigation of signs indicating the occurrence of an abnormal LSPI combustion process in the engine is shown.
Keywords: low-speed pre-ignition (LSPI), premature ignition at low rpm, GDI, combustion disturbance, destruction of piston inter-ring partitions
For citation: Diyakov А. A., Likhacheva T. E., Shestopalova L. P., Egorov D. G. Low-speed pre-ignition (LSPI) or premature ignition at low speed in turbocharged internal combustion engines with direct injection of gasoline into the cylinders (GDI). Automotive and Road expert evaluation. 2023; 2(7):3-10. (in Russ).
Введение
Если автомобиль оснащён двигателем малого рабочего объема с непосредственным впрыском бензина в цилиндры и турбонаддувом, то в его работе под нагрузкой на низких оборотах может произойти нарушение процесса сгорания топливовоздушной смеси, получившее название Low Speed Pre-Ignition (дословно - «низкоскоростное предварительное зажигание») или сокращённо - LSPI. Этот процесс нарушения сгорания топливовоздушной смеси может стать причиной поломки межкольцевых перегородок поршней. Данное явление LSPI впервые было детально исследовано в научно-исследовательском институте Toyota & Nippon Soken, финансируемом корпорациями Denso и Toyota. Испытания проводились на турбодвигателе L4 с непосредственным впрыском топлива в цилиндры (GDI) с использованием бензина премиум-класса. Двигатель предварительно перед испытанием отработал в течение некоторого времени на повышенных оборотах (4000 об/мин) для устранения отложений нагара в камерах сгорания. Затем количество оборотов ДВС в минуту было снижено до 1800 об/мин для исследования процессов нарушения сгорания LSPI и регистрации частоты их проявления за час работы двигателя. При проведении данного теста система управления двигателем была преднамеренно настроена таким образом, чтобы LSPI происходило чаще. Результаты данного исследования и последствия LSPI будут рассмотрены далее в статье.
Гипотезы о причинах процесса LSPI в ДВС
В результате проведённого исследования специалисты научно-исследовательского института Toyota & Nippon Soken установили, что нарушение процесса сгорания в виде проявления преждевременного воспламенения рабочей смеси на малых оборотах (LSPI) непосредственно связано с определёнными свойствами масла, попадающего в цилиндры ДВС [1]. Согласно выдвинутой специалистами гипотезе капли с масляной пленки на стенке гильзы цилиндра под действием верхнего компрессионного кольца поршня начинают разбрызгиваться внутри объёма камеры сгорания (рис. 1). Поскольку температура внутри камеры сгорания очень высокая из-за наличия сжатого воздуха, а моторное масло имеет свойство самовоспламеняться от сжатия, то эти разбрызгиваемые компрессионным кольцом капли масла, смешиваясь с топливом, начинают неконтролируемо воспламеняться (рис. 2). Это в свою очередь и приводит к воспламенению топливовоздушной смеси в цилиндрах ДВС, прежде чем свеча зажигания инициирует
искру. При этом, естественно, что больше всего таких капель масла будет разбрызгиваться именно в районе расположения замка верхнего компрессионного кольца поршня, так как через данный замок в цилиндр будет проникать больше всего масла.
Рис. 1. Процесс сбора и разбрызгивания капель масляной плёнки со стенок цилиндра ДВС
верхним компрессионным кольцом [1]
б
Рис. 2. Проявление процесса нарушения сгорания топливовоздушной смеси LSPI: а, б - штатное смесеобразование и воспламенение от искры свечи зажигания; в - вброс в объём камеры сгорания капель моторного масла верхним компрессионным кольцом на такте сжатия и их самовоспламенение
а
в
Можно предположить, что разбрызгиваемое верхним компрессионным кольцом масло со стенки цилиндра смешивается с топливом, которое попадает на относительно холодную стенку цилиндра при его впрыске на такте впуска. Выбросу масла может способствовать разность температур. Масло на зеркале цилиндра в виде плёнки начинает более интенсивно нагреваться в канавке поршневого кольца. Оценочно можно назвать температуру в 290 оС в канавке верхнего компрессионного кольца при начале движения поршня к верхней мёртвой точке (ВМТ).
Специалистами института Toyota & Nippon Soken также был сделан вывод, что разжижение моторного масла приводит к увеличению количества LSPI в цилиндрах ДВС [1]. Это связано с тем, что в результате разжижения моторного мас-
ла, его вязкость уменьшается, что увеличивает количество разбрызгиваемых капель. Также разжижение моторного масла уменьшает температуру его самовоспламенения от сжатия, что также приводит к увеличению количества процессов LSPI в ДВС.
Дальнейшие исследования специалистов института Toyota & Nippon Soken привели к выдвижению ими новой гипотезы возникновения процесса LSPI в ДВС. Произведённые ими численные расчеты показали, что масло или капли масла (капли масла смешанного с топливом) не достигают стадии самовоспламенения до окончания такта сжатия. Специалистами в их исследовании было показано, что причина преждевременного воспламенения может быть связана с самовоспламенением вещества, которое возникает в результате сгорания смеси масла с распыляемым форсункой топливом [2].
Производители двигателей с непосредственным впрыском бензина в цилиндры, в том числе и Toyota Motors, не готовы признавать наличие конструктивной особенности таких двигателей. При этом, поломку межкольцевых перегородок поршня в таких двигателях не удаётся связать с использованием некачественного бензина, перегрузкой автомобиля в эксплуатации и перенаддувом.
Согласно мнению начальника управления научно-технического развития ЛЛК-Интернешнл (дочернее предприятие ПАО «ЛУКОЙЛ») Владислава Тугусова: «Для борьбы с эффектом LSPI необходимо использовать особую комбинацию моющих присадок (детергентов). Опыт прежних лет показал, что традиционные детергенты на основе сульфонатов кальция могут увеличивать частоту возникновения феномена LSPI, поэтому в новых рецептурах масел для малолитражных турбиро-ванных двигателей с высокой степенью компрессии, оборудованных системой непосредственного впрыска (GDI/TGDI), содержание моющих присадок на основе кальция значительно снижено. В современных пакетах присадок часть кальциевых детергентов заменена на магниевые, не вызывающих возникновения LSPI. Более того, практика показывает, что присадки, содержащие цинк, фосфор и молибден, помимо своих основных (противоизносных) функций, также помогают снизить вероятность LSPI.
Проблему решает сочетание эффективных антиокислительных присадок и качественных базовых масел. Наиболее вероятно возникновение LSPI именно в старом масле с длительным пробегом, по мере увеличения которого присадки постепенно срабатываются, а роль базового масла возрастает. В целом, наш опыт тестирования указывает на то, что проявление LSPI зачастую зависит от конструкционных особенностей двигателей конкретного автопроизводителя» [3].
Однако снизить, не означает полностью исключить. Таким образом, экспертам по факту приходится исследовать последствия подобного рода нарушений сгорания в двигателях с непосредственным впрыском бензина в цилиндры.
Методика исследования разрушения межкольцевых перегородок поршня по причине процессов LSPI в цилиндрах ДВС
Как правило, последствием LSPI является поломка межкольцевых перегородок поршня и связанные с этой поломкой повреждения внутренних деталей двигателя.
После установления факта поломки межкольцевых перегородок поршня в двигателе с непосредственным впрыском бензина априори сразу же связывать это с явлением LSPI неправильно. Необходимо вначале выдвинуть все возможные версии произошедшего и исследовать их с необходимой полнотой. Первым делом необходимо произвести компьютерную диагностику исследуемого ДВС. При наличии ошибки перенаддува турбокомпрессора необходимо дальнейшее углубленное исследование ДВС в этом направлении. При длительной работе турбокомпрессора с перенаддувом увеличивается температура в камере сгорания ДВС. В результате разрушается защитная масляная пленка на зеркале цилиндра и может возникнуть детонация. Версия детонации подлежит рассмотрению. При этом между LSPI и детонацией имеется коренное отличие. При детонации взрывооб-разно горением охватывается весь объём приготовленной рабочей смеси. Граница пламени может распространяться по камере сгорания со скоростью до 2000 м/с. При низкоскоростном зажигании LSPI нештатная волна возгорания распространяется по камере сгорания со скоростью не более 30-45 м/с. Это принципиальное отличие в скорости распространения фронта пламени оставляет на днище поршня соответствующие следы. Следы от детонации на поршне и в камере сгорания головки блока цилиндров ДВС хорошо известны (сбитый до металла нагар, газовая эрозия в виде многочисленных лунок) и могут быть темой отдельной публикации.
В брошюре Motorservice «Повреждения поршней, как выявить и устранить их» [4] одной из причин поломки межкольцевых перегородок поршня указывается гидроудар в ДВС.
Необходимо также проверять материал поршня на отсутствие в нём каких-либо производственных металлургических дефектов, которые могли стать причиной разрушения его межкольцевых перегородок. Так, например, согласно п. 4.3 ГОСТ Р 53558-2009 «Автомобильные транспортные средства. Поршни алюминиевые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний»: «Микроструктуру сплава контролируют по продольным и поперечным сечениям поршня по оси поршневого пальца и перпендикулярно ей на микрошлифах и изломах, а также на рабочих поверхностях головки и юбки. При исследовании микроструктуры определяют величину газовой пористости, усадочных рыхлот и раковин, трещин, шлаковых включений» [5]. Методика, по которой следует контролировать газовую пористость алюминиевого сплава, указана в ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия» [6].
При поломке межкольцевых перегородок поршней у двигателя с непосредственным впрыском бензина в цилиндры и турбонаддувом, с целью подтверждения причины в виде протекания процессов LSPI, следует детально исследовать поршень на наличие следов на его днище от нарушения нормального сгорания топливовоздушной смеси при LSPI.
Под очагом горения от LSPI на днище поршня оказывается дополнительное локальное термическое воздействие (рис. 3).
Рис.3. Схема термического воздействия штатного (от свечи зажигания) и нештатного (от LSPI) очага пламени сгорания топливовоздушной смеси
Нагар на днище поршня под этим нештатным дополнительным локальным очагом полностью выгорает. В результате на днище поршня образуется локальный очищенный от нагара участок (рис. 4). Очищенной от нагара оказывается также центральная зона днища поршня, над которой происходит распространение впрыскиваемого форсункой топлива, которое затем штатно воспламеняется от искры свечи зажигания.
подачи топлива форсункой
Рис. 4. Расположение зон выгорания нагара на днище поршня с разрушенной межкольцевой
перегородкой исследуемого ДВС
На рисунке 4 показан пример днища поршня с разрушенными межкольцевыми перегородками ДВС автомобиля, который исследовался в Институте независимой автотехнической экспертизы МАДИ (ИНАЭ-МАДИ). Как видно, на днище исследуемого поршня нет явных признаков протекания в камере сгорания ДВС процессов детонации. Разрушение межкольцевых перегородок поршня произошло в одном цилиндре и по усталостному механизму разрушения (рис.5). Уста-
новленный усталостный характер разрушения соответствует механизму нарушения сгорания по типу от LSPI.
Рис. 5. Разрушение межкольцевой перегородки исследуемого поршня Заключение
В статье была рассмотрена гипотеза о причинах возникновения такого отрицательного явления нарушения процесса сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах турбированных ДВС с непосредственным впрыском (GDI), как низкоскоростное предварительное зажигание (LSPI) или преждевременное воспламенение на малых оборотах. Данная гипотеза говорит о том, что причиной процесса LSPI является самовоспламенение мельчайших масляных капель (или же мельчайших капель смеси масла и топлива) за счёт их разбрызгивания верхним компрессионным кольцом поршня внутри цилиндра на такте сжатия. Количество возникающих LSPI в цилиндрах ДВС напрямую зависит от свойств (в том числе и степени разжижения) моторного масла. Процесс LSPI в цилиндре ДВС может привести к разрушению межкольцевых перегородок поршня. В статье была представлена методика исследования причин разрушения межкольцевых перегородок поршня, а также показаны признаки на поверхности днища поршня, которые могут свидетельствовать о протекании в цилиндре процессов LSPI.
Список источников
1. Investigations on Pre-Ignition in Highly Supercharged Sl Engines / C. Dahnz, K. Han, U. Spicher, M. Magar et al. // SAE International journal of engines. - 2010. - Vol. 3(1). - P. 214-224. -DOI 10.4271/2010-01-0355.
2. Okada, Y. Study of Low-Speed Pre-Ignition in Boosted Spark Ignition Engine / Y. Okada, S. Miyashita, Y. Izumi, Y. Hayakawa / / SAE International journal of engines. - 2014. - Vol. 7(2). -P. 584-594. - DOI 10.4271/2014-01-1218.
3. ЛУКОЙЛ успешно решает проблему LSPI // За рулем. - URL: https://www.zr.ru/content/news/931990-lukojl-uspeshno-reshaet-problemu/ (дата обращения: 02.05.2023).
4. Повреждения поршней - как выявить и устранить их. - URL: https://autotopik.ru/rukovodstva/raznoe/povrejdeni-porshnei.pdf (дата обращения: 04.05.2023).
5. ГОСТ Р 53558-2009. Автомобильные транспортные средства. Поршни алюминиевые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний. - Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2010. - 8 с.
6. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. - Москва: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 24 с.
Referens
1. Dahnz C., Han K., Spicher U., Magar M. SchieKl R., Maas U. Investigations on Pre-Ignition in Highly Supercharged Sl Engines, SAE International journal of engines, 2010, vol. 3(1), pp. 214224.
2. Okada Y., Miyashita S., Izumi Y., Hayakawa Y. Study of Low-Speed Pre-Ignition in Boosted Spark Ignition Engine, SAE International journal of engines, 2014, vol. 7(2), pp. 584-594.
3. LUKOIL uspeshno reshaet problemu LSPI, available at: https://www.zr.ru/ con-tent/news/931990-lukojl-uspeshno-reshaet-problemu/ (02.05.2023).
4. Povrezhdeniya porshnej - kak vyyavit' i ustranit' ih, available at: https://autotopik.ru/rukovodstva/raznoe/povrejdeni-porshnei.pdf (04.05.2023).
5. Avtomobilnye transportnye sredstva. Porshni alyuminievye dvigatelej. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij, GOST R 53558-2009 (Motor vehicles. Aluminum pistons of engines. General technical requirements and test methods, State Standart R 53558-2009), Moscow, FGUP Standartinform, 2010, 8 p.
6. Splavy alyuminievye litejnye. Tekhnicheskie usloviya, GOST 1583-93 (Aluminum casting alloys. Technical conditions, State Standart 1583-93), Moscow, IPK Izdatelstvo standartov, 2003, 24 p.
Информация об авторах А. А. Дьяков - кандидат технических наук, доцент МАДИ.
Т. Е. Лихачева - кандидат технических наук, доцент МАДИ, директор ИНАЭ-МАДИ. Л. П. Шестопалова - кандидат технических наук, доцент МАДИ. Д.Г. Егоров - заместитель директора ИНАЭ-МАДИ.
Information about the authors А. A. Diyakov - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor MADI. T. E. Likhacheva - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor MADI, director INAE-MADI.
L. P. Shestopalova - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor MADI. D.G. Egorov - associate director INAE-MADI.
Статья поступила в редакцию 29.05.2023; одобрена после рецензирования 08.06.2023; принята к публикации 08.06.2023.
The article was submitted 29.05.2023; approved after reviewing 08.06.2023; accepted for publication 08.06.2023.
