Почему прямой впрыск провоцирует образование нагара?

Основная причина нагара на впускных клапанах в двигателях с непосредственным впрыском проста: топливо никогда не касается впускных клапанов. В старых системах с распределённым впрыском при каждом цикле впрыска топливо протекает через клапан, буквально омывая его; при непосредственном впрыске же топливо под высоким давлением впрыскивается прямо в камеру сгорания, и этот очищающий эффект исчезает. Единственное, что достигает задней поверхности клапана, - это тонкие пары масла, просачивающиеся из сальников клапанов, и выхлопные газы из системы EGR. Они приговариваются на горячем металле, затвердевают и со временем превращаются в твёрдый слой нагара, ограничивающий поток воздуха.

В чём разница между распределённым и непосредственным впрыском?

Обе системы выполняют одну и ту же задачу: создание горючей смеси воздуха и топлива. Разница в том, где и как это делается. При распределённом (многоточечном) впрыске форсунка расположена во впускном коллекторе и впрыскивает топливо до входа в цилиндр. Топливо, смешавшись с воздухом, проходит через впускной клапан и попадает в камеру сгорания. Во время этого passage моющие компоненты топлива очищают заднюю поверхность клапана; система обладает способностью к самоочистке.

При непосредственном впрыске (DI/GDI) форсунка размещена внутри головки блока цилиндров, и топливо под давлением в десятки бар впрыскивается прямо в камеру сгорания. Такая архитектура даёт эффективность: момент и количество впрыска контролируются с точностью до миллисекунд и миллиграммов, испарение топлива охлаждает камеру сгорания, и становится возможной более высокая степень сжатия. Но у этой же архитектуры есть своя цена - топливо больше не контактирует со впускным клапаном, и клапан теряет механизм самоочистки.

Как именно образуется нагар?

Впускной клапан при каждом открытии переносит воздух, а при каждом закрытии - температуру горения внутри цилиндра. На "сухом" клапане, то есть на поверхности, не омываемой топливом, постоянно накапливаются два источника загрязнения. Первый - моторное масло, просачивающееся вниз через маслоотражательные колпачки направляющих клапанов; пары масла и картерные газы конденсируются на горячей тыльной стороне клапана. Второй - мелкая сажа, поступающая на впускную сторону через систему EGR (рециркуляции отработавших газов). Масло здесь играет роль клея: оно облегчает прилипание сажи и паров масла к клапану. Эта смесь запекается на нагретом металле и твердеет слой за слоем.

Поэтому правильно рассматривать накопление углеродных отложений не как одну причину, а как совокупность факторов. Непосредственный впрыск создаёт условие, запускающее это сочетание: топливо, которое омывало бы клапаны, отсутствует, поэтому масло и сажа свободно накапливаются. В современных двигателях с изменяемыми фазами газораспределения различия в потоке, создаваемые изменением фаз, также могут влиять на форму и место отложений.

Почему топливные присадки не очищают клапаны?

Моющие присадки в топливе, добавляемые в бак, нацелены на форсунки и камеру сгорания; однако в двигателе с непосредственным впрыском эти моющие средства физически вообще не достигают тыльной стороны впускного клапана. Зона образования отложений находится вне пути следования топлива. Именно поэтому вопрос о том, могут ли присадки предотвратить или устранить углеродные отложения на клапанах, является одним из наиболее чётко определённых технических консенсусов. Качественное топливо всё равно ценно - оно вносит вклад в чистоту форсунок и общее управление отложениями; но само по себе оно не является решением проблемы клапанов.

Каковы симптомы накопления углеродных отложений в двигателе с непосредственным впрыском?

Поскольку углеродные отложения сужают проходное сечение для воздуха на клапанах, симптомы сначала проявляются тонко, а затем заметно. Картина, которую может заметить водитель, складывается так:

• Неровный, колеблющийся холостой ход
• Колебания при разгоне и запаздывающая реакция педали газа
• Заметное снижение топливной экономичности, уменьшение запаса хода
• Потеря мощности и крутящего момента, особенно ощущаемая на скоростях трассы и на подъёмах
• Повторяющиеся пропуски зажигания (misfire), трудный запуск, чёрный дым из выхлопной трубы

Если два или три из этих симптомов проявляются одновременно, подозрение на углеродные отложения серьёзно усиливается. Механизм таков: ограниченный поток воздуха приводит к колебаниям богатой/бедной смеси; кроме того, слой нагара удерживает тепло и создаёт горячие точки в камере сгорания, повышая риск детонации (knock). По мере того как блок управления двигателем пытается скорректировать смесь, эффективность падает, и открывается путь к индикаторам неисправностей и ошибкам датчиков.

Как восстанавливаются показатели производительности и расхода?

Целью непосредственного впрыска были полное сгорание, более низкие выбросы и большая мощность. Известно, что производители с помощью этой технологии стремились к заметному увеличению крутящего момента на низких оборотах и улучшению топливной экономичности на уровне десятых долей. Углеродные отложения же обращают эти достижения вспять: ограниченный поток воздуха снижает мощность и крутящий момент, а нарушенный баланс смеси увеличивает расход топлива. При игнорировании проблема может дойти до перегрева, детонации и отказов критических компонентов.

У точки есть и положительная сторона: исправно обслуживаемый GDI-двигатель на качественном топливе с моющими присадками способен восстановить потери эффективности из-за отложений на форсунках. Иными словами, это инженерная плата, управляемая при правильном обслуживании, а не неизбежная поломка.

Двойной впрыск: решение проблемы на этапе проектирования

Некоторые производители решают проблему не в сервисном центре, а в конструкции двигателя. В этой архитектуре "двойного впрыска", где в одном двигателе используются как форсунки впускного коллектора, так и форсунки прямого впрыска, топливо может подаваться в цилиндр двумя разными путями. Форсунки впускного коллектора продолжают омывать впускные клапаны топливом, а форсунки прямого впрыска обеспечивают точный и мощный впрыск при высокой нагрузке и высоких оборотах. Известно, что такой производитель, как Toyota, объединив две системы, сохраняет чистоту клапанов.

Детали реализации различаются от производителя к производителю. В некоторых конструкциях форсунки впускного коллектора включаются только на высоких оборотах и под высокой нагрузкой для подачи дополнительного топлива; большую часть времени двигатель работает на прямом впрыске. Некоторые системы работают с одной топливной магистралью, одним насосом высокого давления и двумя форсунками на цилиндр. Общая цель ясна: двигатель, эффективный на низких оборотах, мощный на высоких и при этом сохраняющий клапаны чистыми.

Что может сделать водитель, чтобы уменьшить накопление нагара?

Чистка скорлупой грецкого ореха: золотой стандарт

Когда отложения уже образовались, самым эффективным методом очистки является бластинг скорлупой грецкого ореха (walnut blasting). Мелкие частицы измельченной скорлупы грецкого ореха подаются под давлением воздуха на поверхность клапанов; скорлупа, не повреждая металлическую поверхность, снимает твёрдые отложения, до которых не добраться химическим спреям. Процедура требует снятия впускного коллектора, но по результату превосходит альтернативы. В случаях сильного загрязнения химическая очистка впускной системы может оказаться недостаточной; в крайнем случае рассматривается снятие головки блока и ручная обработка клапанов, а в самом худшем сценарии - капитальный ремонт двигателя.

Повседневные привычки

Отсрочить накопление отложений - в руках водителя. Масло рекомендованной производителем вязкости и качества, используемое с регулярной заменой масла, держит под контролем количество масла, просачивающегося через сальники клапанов. Качественное топливо, соответствующее стандарту Top Tier, содержит моющие компоненты, сводящие отложения к минимуму - само по себе оно недостаточно для решения проблемы клапанов, но вносит вклад в общий баланс отложений. Периодическую чистку клапанов на двигателях с прямым впрыском следует рассматривать как неявный, но реальный пункт руководства по обслуживанию.

Утверждение о том, что длительная поездка на высоких оборотах очищает отложения, следует воспринимать как единичное мнение, не имеющее подтверждения за пределами форумных обсуждений. Вы можете наградить себя за то, что хоть раз эксплуатировали автомобиль на высоких оборотах; но строить план обслуживания на этом с инженерной точки зрения неоправданно.

Заключение: осознанное владение, предсказуемый двигатель

Непосредственный впрыск стал необратимым выигрышем с точки зрения эффективности и мощности; накопление углерода же - архитектурная цена этого выигрыша. Чтобы заплатить эту цену, не нужно разбирать двигатель: качественное топливо, дисциплинированная замена масла, своевременная, без промедлений, walnut-очистка при появлении признаков и, по возможности, выбор двигателя с двойным впрыском удерживают проблему на управляемом уровне. От двигателя, клапаны которого не омываются топливом, ожидается, что эту очистку он в какой-то мере компенсирует периодическим обслуживанием - остальное зависит от правильных привычек владельца.

Источники

• Нагар в двигателях с непосредственным впрыском
• Нагар: что такое углеродные отложения и как их предотвратить
• Как двигатели с непосредственным впрыском бензина образуют стойкий нагар
• Непосредственный и распределённый впрыск топлива: в чём разница
• Непосредственный впрыск против распределённого: сравнение
• Объясняем: почему некоторые двигатели имеют и распределённый, и непосредственный впрыск
• Почему в двигателях с непосредственным впрыском образуется нагар
• Очистка грецким орехом - зачем и как чистить впускные клапаны
• Что такое очистка грецким орехом для автомобилей?
• Отложения на впускных клапанах в двигателях GDI
• Как работают двигатели с непосредственным впрыском
• Распределённый впрыск против непосредственного
• Как бензин более высокого качества сохраняет чистоту современных двигателей