Zjawisko detonacyjnego spalania (LSPI) w bezpośrednim wtrysku benzyny na przykładach Alfa Romeo, DS3, BMW, Opel, Mercedes i innych współczesnych samochodów
Od wielu lat były próby zastosowania bezpośredniego wtrysku w silnikach benzynowych. Jedną z nielicznych firm, która wprowadziła taki układ do niedużej, jednak seryjnej produkcji była marka Mercedes. Mercedes w pięćdziesiątych latach posiadał taki model silnika w Gulwingu i innych luksusowych atutach.
Bum na ten system przyszedł na przełom XX i XXI wieku. W samochodach podwyższono stopień sprężania, a zarazem ciśnienie sprężania i wprowadzono do komory spalania elektronicznie sterowany wtryskiwacz.
Po za wszystkimi plusami, jak i budową układów ja skupię się na występującym problemie pracy detonacyjnej silnika, prowadzącej do uszkodzenia tłoków, a co za tym idzie poważnej awarii silnika.
W systemach wtrysku bezpośredniego zaczęło występować zjawisko samozapłonu i spalania stukowego, nazwane zjawiskiem LSPI. Zdarzenia LSPI występują w silnikach benzynowych w przypadku przedwczesnego zapłonu głównej dawki paliwa. Najczęściej jest spotykane w silnikach T/C DI pracujących w warunkach niskiej prędkości i dużego obciążenia. Mówiąc w skrócie, chodzi głównie o silniki turbodoładowane, które już od początkowych niskich prędkości obrotowych uzyskują dużą wartość mocy.
Zjawisko jest także więcej zauważalne na silniku niedogrzanym i ma to wiele czynników składowych. Należy do nich np. szybkość uwalniania ciepła, czy właściwości paliwa, oraz sposób narastania wtrysku paliwa. Te elementy, które wymieniłem są zawarte w konstrukcji, oprogramowaniu, oraz właściwościach benzyny, a my nie mamy na to wpływu. Producenci samochodów, aktualizują oprogramowanie układów sterowania silnikiem, a czasem nawet posuwają się zmian niektórych elementów mechanicznych jak wzmocnienie tłoków, zaworów, pierścieni, lub wtryskiwaczy itp.
Kolejnym elementem występowania tego zjawiska LSPI, jest zastosowany olej. Podczas badań wyszło na jaw, że praca stukowa wynikająca od niekontrolowanego spalania mieszanki następuje w innych punktach, niż dotychczas sądzono (dotychczas zjawisko powstawało w okolicy denka tłoka). Tutaj zauważono spalanie na okręgu tłoka, tuż przy krawędziach. Niekontrolowane siły wybuchu gazów występują dokładnie pomiędzy tłokiem, a płaszczem cylindra i uszkadzają najpierw pierścienie wraz z rowkami pierścieniowymi, co w następstwie prowadzi do uszkodzeń i pęknięć tłoków, płaszcza tłoka i części pierścieniowej.
Przyczynę znaleziono w stosowanych olejach silnikowych
Jednym z czynników, za które odpowiada olej to tworzenie tzw. filmu olejowego, czyli mikroskopijnej warstwy pozostającej na elementach silnika, w tym na powierzchni cylindra tłokowego. Tak też się dzieje, kiedy tłok jest w pozycji suwu pracy i oczywiście takie jest zadanie oleju. Okazało się jednak, że część elementów składowych oleju pozostających w formie filmu olejowego ulega rozcieńczeniu z mocno rozpylonymi cząsteczkami benzyny i następuje samozapłon. Stąd skutki uszkodzeń płaszcza tłoka i pierścieni.
Dowiedz się wszystkiego o silniku 1.2 TCe, Nissan DiG/Ti, Dacia 1,2 TCe, Mercedes Citan 112
Jak się ustrzec i zminimalizować usterki związane z LSPI – spalaniem stukowym w bezpośrednim benzynowym wtrysku paliwa ?
- Wskazane jest aby po uruchomieniu silnika poczekać kilkanaście sekund na jazdę
- Podczas jazdy z zimnym silnikiem jechać równomiernie, nie obciążając silnika w dolnej wartości obrotowej – czyli nie przyśpieszać mocniej od niskich obrotów (np. od 1100 obr./min.). Samochody z automatyczną skrzynią biegów można przełączyć na manual, lub w tryb sport. Generalnie preferuję zmianę kolejnego biegu powyżej 2000 obr. / min. (w pewnym sensie odwrotnie niż podaje instrukcja).
Czyli w skrócie: na zimnym silniku spokojna jazda, lecz zmiana biegu w wyższej wartości obrotów
- Kiedy zauważymy i usłyszymy pracę detonacyjną, wskazane natychmiast udać się do serwisu
- Należy stosować olej zgodny z aktualnymi zalecaniami producenta – po ich znowelizowaniu. Dawne instrukcje mogą być niewłaściwe, chociaż w przypadku niektórych producentów znowelizowano składy olejów nie zmieniając nazw oleju. Takim przykładem jest firma Motul.
- Kupować olej w pewnych miejscach, raczej unikałbym hipermarketów, w przede wszystkim internetu i przypadkowych sprzedawców
- Wymianę oleju stosowałbym częściej niż zaleca producent – np. co 10 000 km, ostatecznie co 15 000 km. (uwaga im silnik starszy, tym częściej należy wymieniać olej, ponieważ przedmuchy są większe i olej nabiera więcej niespalonych cząstek paliwa)
- Należy stosować paliwo zalecane przez producenta, nigdy nie stosować niższej oktanowo wartości paliwa
Dlaczego tłoki tak szybko ulegają awarii i pęknięciom ? … rozważania mechanika
Dla przykładu porównałem dwa silniki o pojemności 1.6
Peugeot 405 1.6 – moc 103 KM z końca lat osiemdziesiątych XX wieku.
- Średnica tłoka 83 mm
- Wysokość tłoka 67,50 mm
- Skok tłoka 73 mm
Citroen DS 3 (DS3) 1.6 THP – moc 207 KM po roku 2012
- Średnica tłoka 77 mm
- Wysokość tłoka 49,50 mm
- Skok tłoka 85,80
Wymiary same już wskazują, że tłoki w wersji DS3 THP pomimo tej samej pojemności posiadają mniejsze gabaryty, a dodatkowo są mocno odchudzone z wagi. To oczywiście lepiej wpływa na osiągi silnika, jednak odelżona budowa tłoka ma swoje wady. Za wadę można uznać mniejszą zdolność odprowadzenia temperatury i mniejsze ścianki łatwiej ulegające na pęknięciom. To samo dotyczy reszty elementów współczesnych silników. Niektóre zmiany służą dla lepszych osiągów, niestety część z nich może wpływać na szybszą awaryjność.
Kup miernik specjalistyczny do hybryd, elektryków, wtryskiwaczy piezoelektrycznych i układów wtryskowych FSA050
Zjawisko LSPI, a układ bezpośredniego wtrysku paliwa i sterowanie silnikiem – czujnik spalania detonacyjnego, na przykładach:
- Citroen DS3 1.6THP układ Bosch, Motronic MED-17.4
- Alfa Romeo Brera 1.8TBi system Bosch Motronic MED-17.3.1
- BMW X5 (G05) xDrive Mild-Hybrid system wtrysku BMW
- BMW X3 sDrive 20i (F25) system Bosch Motronic MED-17 UDS
- Mercedes E250 T (212) system Bosch Motronic MED-17.7, MED. 17.7 V6LA, MED. 17.2
Zestaw czujnika spalania stukowego składa się z czujnika piezoelektrycznego z piezokryształem. Pod wpływem siły na kryształ przenoszone są drgania, powodujące powstawanie elektrycznych sygnałów napięciowych. Czujnik wyczuwa i analizuje niewłaściwe drgania powstające pod wpływem obecności spalania stukowego lub dzwonienia silnika.
W silniku niesprawnym pod względem mechanicznym czujnik może wyczuwać nieprawidłową pracę cylindrów i także zgłaszać usterki w systemie. Może np. analizować luzy pierścieni tłokowych lub stuki z uszkodzonych popychaczy hydraulicznych.
Tak samo będzie niewłaściwie analizować informacje, kiedy podczas różnych napraw i przeglądów naruszy się czujnik, lub przykręci z niewłaściwą siłą.
W Citroenie 1.6 THP, oraz Alfa Romeo Brera, jak i w większości modeli silników, czujnik spalania stukowego znajduje się pod kolektorem ssącym na kadłubie silnika.