1. Отложения в двигателе: откуда они берутся и почему их сложно заметить
В этой статье разберёмся, откуда на самом деле берутся отложения в двигателе, какие процессы участвуют в их образовании, где они накапливаются и почему автомобиль может долгое время работать без явных признаков загрязнения. Вы узнаете, почему короткие поездки и особенности конструкции двигателя имеют значение, какую роль играют топливо и моторное масло, а также почему профилактика топливной системы важнее, чем попытка устранить проблему только после появления заметных симптомов.
Отложения в двигателе — одна из тех проблем, которые редко появляются внезапно. Они формируются постепенно, небольшими слоями, и автомобиль долгое время может продолжать ехать совершенно нормально. Именно поэтому водитель нередко узнаёт о загрязнении топливной системы, форсунок, впускных клапанов или камеры сгорания уже тогда, когда изменения становятся достаточно заметными. При этом отложения — это не просто «грязь внутри двигателя». Их химический состав, структура и механизм образования различаются в зависимости от того, где именно они появились, из чего они образовались и в каких условиях работает двигатель.
Разберёмся, что происходит на самом деле.
Под общим словом «отложения» скрывается несколько разных явлений. В двигателе могут формироваться:
• отложения на форсунках;
• отложения на впускных клапанах;
• отложения в камере сгорания;
• отложения на поршне и днище камеры;
• лаковые и смолистые образования;
• углеродистые и сажевые отложения;
• отложения, связанные с моторным маслом;
• продукты окисления и термического разложения компонентов топлива.
И они не обязательно имеют одинаковое происхождение. Например, загрязнение распылителя форсунки непосредственного впрыска в значительной степени связано с самим топливом и процессами его окисления и пиролиза. А отложения на впускных клапанах современного двигателя с непосредственным впрыском могут формироваться из смеси компонентов моторного масла, продуктов износа, несгоревшего топлива и загрязнений, поступающих с рециркуляцией отработавших газов. Поэтому фраза «в двигателе появился нагар» технически слишком упрощает ситуацию.
Что вообще называют отложениями?
У образования отложений практически никогда нет одной-единственной причины. На процесс одновременно влияют:
топливо + масло + температура + конструкция двигателя + режим эксплуатации + время.
Причём значение имеет не только качество топлива или масла само по себе, но и то, как именно двигатель работает.
Идеальная модель горения выглядит просто:
топливо + кислород → продукты сгорания + энергия.
Но реальный двигатель работает значительно сложнее. В цилиндре существуют зоны с различным составом смеси, температурой и скоростью химических реакций. В процессе впрыска часть топлива может попадать на поверхности, образовывать топливную плёнку или подвергаться не полному окислению.
При определённых температурах компоненты топлива способны проходить через цепочку окислительных и термических реакций, в результате которых образуются менее летучие продукты. Именно такие процессы могут участвовать в формировании отложений.
Особенно хорошо это изучено для форсунок двигателей с непосредственным впрыском бензина: исследования показывают, что отложения на форсунках могут формироваться по двум основным направлениям — при низкотемпературном окислении и при высокотемпературном пиролизе. На процесс также влияют состав топлива и конструкция форсунки. То есть отложения не обязательно означают, что в бак попал какой-то видимый мусор. Они могут образовываться непосредственно из компонентов топлива во время эксплуатации автомобиля.
Откуда берутся отложения?
1. Топливо не всегда сгорает абсолютно полностью
Иногда можно услышать: «Если двигатель исправен и масло не попадает в цилиндры, от масла никаких отложений быть не может». Это слишком категоричное утверждение. Моторное масло и его пары могут попадать туда, где их изначально не должно было быть в жидком виде, например через систему вентиляции картера. При работе двигателя часть газов прорывается через поршневые кольца в картер. Эти газы содержат различные продукты сгорания и пары углеводородов. Система вентиляции картера возвращает значительную часть этих газов во впускной тракт.
В двигателях с непосредственным впрыском это особенно важно для впускных клапанов: топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр и поэтому не проходит по обратной стороне впускного клапана. В результате масло и другие компоненты, поступающие через вентиляцию картера, могут оседать на поверхности клапана, а затем при воздействии температуры постепенно превращаться в более твёрдые отложения. Почему непосредственный впрыск оказался особенно интересным с точки зрения отложений?
Распределённый впрыск: При классическом распределённом впрыске форсунка находится во впускном тракте и распыляет топливо до попадания смеси в цилиндр. Топливо при этом проходит рядом с впускным клапаном и частично взаимодействует с его поверхностью.
Непосредственный впрыск: В системе GDI форсунка расположена непосредственно в цилиндре. Топливо больше не проходит по впускному клапану. С точки зрения эффективности процесса впрыска это даёт целый ряд преимуществ, но одновременно исчезает своеобразный «моющий эффект» топлива на обратной стороне впускного клапана. Поэтому для двигателей GDI характерна проблема накопления отложений на впускных клапанах. Исследования показывают, что такие отложения способны постепенно накапливаться и в дальнейшем влиять на процесс сгорания, стабильность работы и движение клапана.
Именно поэтому нельзя автоматически переносить рекомендации по очистке одного типа двигателя на другой.
3. Моторное масло тоже участвует в этом процессе
Одна из главных причин, почему нельзя объяснять образование отложений только «плохим бензином», — это температура. Один и тот же состав топлива может вести себя по-разному в разных зонах двигателя. На горячей поверхности происходят процессы испарения, окисления, термического разложения и полимеризации. Если летучая часть вещества испаряется, менее летучие компоненты могут оставаться на поверхности.
Особенно хорошо это видно на примере впускных клапанов.
Исследования механизма образования отложений показывают, что для определённых конструкций двигателя существенную роль играет моторное масло: лёгкие фракции могут испаряться с поверхности, тогда как более тяжёлые компоненты подвергаются дальнейшим реакциям и постепенно превращаются в углеродистые образования. В одном из исследований наиболее выраженное образование таких отложений наблюдалось при температурах поверхности клапана примерно 230–350 °C.
Получается, что слишком холодная работа двигателя тоже создаёт проблемы, а высокая температура отдельных деталей создаёт совершенно другие условия для образования отложений.
2. Температура имеет огромное значение
Даже исправный двигатель может постепенно накапливать отложения. Причём некоторые режимы эксплуатации создают для этого особенно благоприятные условия. Например:
• частые холодные запуски;
• короткие поездки;
• длительная работа на холостом ходу;
• частое движение в пробках;
• эксплуатация с небольшими нагрузками;
• повторяющиеся циклы «запустил → несколько километров → заглушил»;
• длительные периоды работы в условиях, когда двигатель и масло не успевают полностью прогреться.
При холодной работе меняются условия испарения топлива, состав смеси и температурный режим деталей. Кроме того, короткие поездки связаны с попаданием топлива и воды в моторное масло. Исследования эксплуатации автомобилей на коротких холодных маршрутах показывали заметное разбавление масла топливом и накопление воды и других загрязнений; продолжительная поездка после полного прогрева помогает уменьшить содержание некоторых из этих компонентов в масле.
Поэтому автомобиль, который ежедневно проезжает 3–5 километров до работы и обратно, и автомобиль, который регулярно совершает длительные поездки, фактически работают в разных условиях.
Самое неприятное заключается в том, что процесс редко выглядит как:
чистый двигатель → резко грязный двигатель.
Обычно всё происходит намного медленнее. Сначала на поверхности появляется очень тонкий слой. Затем к нему присоединяются новые продукты. Поверхность становится более шероховатой. На ней легче удерживаются новые компоненты. Формируется следующий слой. И постепенно первоначально небольшое загрязнение превращается в более плотное образование.
При этом структура отложений может быть неоднородной. В зависимости от места и условий они могут быть относительно плотными, пористыми, смолистыми или углеродистыми. Исследования микроструктуры показывают, что разные зоны двигателя действительно формируют отложения с разными физическими характеристиками. Поэтому нельзя оценивать проблему исключительно по количеству «граммов нагара». Место, форма, структура и химический состав отложения тоже имеют значение.
Вот здесь находится главная проблема. Отложения редко появляются настолько быстро, чтобы водитель почувствовал их сразу. Допустим, форсунка постепенно загрязняется. Её пропускная способность немного снижается. Но система управления двигателем не является пассивной. Современный двигатель постоянно контролирует параметры работы и корректирует подачу топлива. Поэтому часть возникающих изменений может компенсироваться системой управления. Например, при постепенном уменьшении подачи через форсунку электронная система может увеличивать продолжительность её открытия, чтобы поддерживать требуемое соотношение воздуха и топлива. То есть физически форсунка уже работает несколько иначе, а водитель пока продолжает ощущать автомобиль как обычно. Именно поэтому отсутствие ошибки на панели приборов не означает, что двигатель абсолютно чист.
Ошибка появляется тогда, когда отклонение достигает определённого уровня и система уже не может или не должна компенсировать его в рамках заложенных алгоритмов. До этого момента загрязнение может развиваться практически незаметно.
Условно двигатель можно представить как несколько зон риска.
1) Форсунки
Особенно актуально для систем непосредственного впрыска.
Отложения на распылителе способны изменять пропускную способность форсунки и характеристики распыления. То есть форсунка может продолжать подавать топливо, но уже не так, как это предусмотрено конструкцией. Исследования показывают, что загрязнение может уменьшать расход топлива через форсунку и менять форму факела, размер капель и характер распыления. Это способно влиять на расход топлива, процесс сгорания и выбросы.
2) Впускные клапаны
Особенно характерная проблема для двигателей GDI. Здесь отложения способны постепенно изменять геометрию поверхности, по которой проходит воздух. При значительном накоплении они могут влиять на наполнение цилиндра и стабильность работы двигателя.
3) Камера сгорания
Отложения могут появляться на:
• днище поршня;
• поверхности камеры сгорания;
• головке блока;
• клапанах;
• других горячих элементах.
Здесь уже важны не только количество и толщина слоя, но также его расположение и тепловые свойства. Исследования показывают, что отложения в камере сгорания способны влиять на требования двигателя к октановому числу, процесс теплообмена и вероятность возникновения ненормального сгорания.
4. Режим эксплуатации автомобиля имеет значение
Что происходит с отложениями дальше?
Где загрязнение может появляться?
Почему водитель часто вообще ничего не замечает?
Есть ещё один психологический фактор. Если автомобиль потерял часть своей первоначальной эффективности за несколько лет, водитель часто не замечает разницы.
Почему? Потому что человек сравнивает автомобиль не с тем, каким он был пять лет назад, а с тем, как он ехал вчера. Допустим, постепенно изменились:
• реакция на педаль газа;
• расход топлива;
• стабильность холостого хода;
• эластичность;
• характер ускорения.
Если изменение происходит медленно, мозг адаптируется. Водитель просто начинает считать: «Ну машина уже не новая». И только после серьёзного обслуживания или очистки может возникнуть ощущение: «А ведь раньше она работала иначе». При этом подобные ощущения сами по себе ещё не являются доказательством того, что причиной были именно отложения. Те же симптомы способны вызывать свечи, датчики, подсос воздуха, давление топлива, состояние системы зажигания, механические неисправности и множество других факторов.
Автомобиль стареет — но человек этого не замечает