Co to jest spalanie superstukowe? Producenci silników wpadli w pułapkę downsizingu

Tzw. spalanie superstukowe (ang. super knock) to bardzo gwałtowny rodzaj spalania stukowego, który powstaje w niekontrolowany sposób, powoduje znacznie wyższy wzrost ciśnienia w cylindrze, co może doprowadzić nawet do zniszczenia silnika. Jest wynikiem zjawiska określonego jako LSPI i dotyczy współczesnych silników o małej pojemności. Czyli w praktyce większości stosowanych w nowych samochodach.

Spalanie stukowe, czyli spalanie mieszanki w innym momencie niż jest to potrzebne, to zjawisko znane od lat, ale już dawno temu wyeliminowano je poprzez elektroniczną kontrolę zapłonu. Jednak wraz z rozwojem silników benzynowych oraz ich coraz większym obciążeniem za sprawą wzrostu ciśnienia w cylindrze (turbodoładowanie, bezpośredni wtrysk benzyny, zmienne fazy rozrządu, wysoka temperatura spalania), zjawisko "stukania" powróciło w nowej, znacznie groźniejszej formie.

Nazwano je przedwczesnym zapłonem przy niskich prędkościach obrotowych (ang. low-speed pre-ignition). Używa się także skrótu LSPI, a najgorszym efektem tego zjawiska jest spalanie superstukowe, które może szybko zniszczyć silnik.

Zjawisko LSPI jest bardzo podobne do tradycyjnego spalania stukowego i dokładnie tak samo je słychać – metaliczne dzwonienie podczas przyspieszenia. Jednak jego główną przyczyną nie jest źle ustawiony zapłon czy kiepskiej jakości paliwo, jak w przypadku zwykłego spalania stukowego, lecz tzw. gorące punkty w cylindrze.

Nie do końca jest pewne, co tworzy te punkty (kropla gorącego oleju, skrawek rozgrzanego osadu z silnika, może coś innego). Powstają zupełnie przypadkowo, natomiast pojawiają się przy niskich obrotach i wysokim obciążeniu, czyli wraz ze wzrostem ciśnienia, wtedy, kiedy cylinder jest napełniony mieszanką paliwo-powietrze i za chwilę ma dojść do zapłonu.

Każdy rodzaj spalania stukowego to zjawisko niepożądane, ale dzięki temu, że pojawia się po zapłonie mieszanki lub bardzo blisko momentu zapłonu, nie jest aż tak groźne. Zdarzają się poważne awarie, jednak destrukcja np. tłoków jest dość powolna. Gorzej jest w przypadku LSPI i spalania superstukowego, ponieważ występuje ono przed zapłonem mieszanki, czyli jest nie tylko niepożądane, ale pojawia się w najgorszym dla silnika momencie, ponieważ rośnie ciśnienie w cylindrze.

Spalanie typu super knock ("superstukowe" to nowe pojęcie w polskim słownictwie technicznym) jest znane bardziej pod skrótem LSPI. Nie dość, że powstaje wcześniej przed zapłonem mieszanki, to jeszcze jest bardziej gwałtowne, bardziej niekontrolowane i nie da się mu technicznie zapobiec, np. poprzez stosowanie jakichś czujników czy kontrolę zapłonu. Przedwczesny zapłon przy niskich prędkościach obrotowych i w efekcie pojawiające się spalanie superstukowe jest dużym ograniczeniem w dalszym rozwoju małych silników.

Problemem jest to, że nowoczesne silniki, aby faktycznie zużywały mało paliwa, a jednocześnie dawały odpowiednią dynamikę, muszą pracować w niskim zakresie prędkości obrotowych, zwłaszcza podczas przyspieszania, czyli pod obciążeniem. Tym samym producenci muszą dążyć do tego, by przy niskich obrotach silnik wytwarzał wysoki moment obrotowy, a w efekcie tego kierowca korzystał z niego. Opisując bardziej kolokwialnie - silnik ma jechać z dołu.

Niestety, to właśnie wtedy najczęściej dochodzi do LSPI. To pułapka, w którą wpadli konstruktorzy silników o wysokiej mocy z pojemności (tzw. downsizing), by ograniczyć zużycie paliwa i tym samym emisję CO2.

Spalanie superstukowe, super knock, LSPI to stosunkowo niedawno poznane zjawisko, nad którego zapobieganiem pracuje się raptem od kilku lat. W internecie tak na dobrą sprawę pojawiło się wraz z powstaniem normy olejowej API SN Plus, która ma mu zapobiegać.

Zapytałem doświadczonego mechanika, czy słyszał o spalaniu superstukowym.

• Tak, jest to zjawisko mi znane i nazywa się LSPI – potwierdza Adam Lehnort, ekspert ProfiAuto. – Występuje w nowoczesnych silnikach benzynowych, w których konstruktorzy starają się "wycisnąć" jak największą moc z małej pojemności. Dochodzi w nich do nieplanowanych eksplozji. Potęgowane bywają przez niskiej jakości paliwo oraz słabą jakość olejów silnikowych. Wpływa to destrukcyjne na mechanizm korbowo-tłokowy – wyjaśnia.

Jeszcze stosunkowo niedawno trudno było znaleźć rozwiązanie, kiedy nie wiadomo było, co jest przyczyną. Intensywne badania prowadzone w kierunku przeciwdziałania zjawisku LSPI doprowadziły do wniosków, że jedną z ważniejszych przyczyn powstawania tzw. gorących punktów jest olej silnikowy, m.in. o wysokim stężeniu wapnia.

Kolejną przyczyną wydaje się być również tzw. serwis long life, czyli długie okresy pomiędzy wymianami oleju, co prowadzi do jego starzenia. Sprzyja to tworzeniu się nagaru na denkach tłoka, a jego niewielkie odrywające się cząsteczki tworzą wspomniane gorące punkty.

Producenci olejów doprowadzili do rozszerzenia normy API SN o API SN Plus, czyli wzbogaconej o test wpływu jakości oleju na powstawianie zjawiska LSPI. Można więc przyjąć, że olej spełniający normę API SN Plus zapobiega zjawisku, które tworzy spalanie super stukowe.

Dobór odpowiedniego oleju silnikowego to jedno, ale chcąc cieszyć się dłuższą żywotnością silnika, warto zadbać o tankowanie wysokiej jakości paliwa, które przy zbyt niskiej liczbie oktanowej może doprowadzić do spalania stukowego. Przypomnę tylko, że w praktyce benzyna w Polsce nie zawsze ma liczbę oktanową odpowiadającą napisowi na dystrybutorze. Cieszy jedynie fakt, że współczesne silniki przy niedostatecznej liczbie oktanowej zmieniają swoje parametry, by zapobiegać temu zjawisku, czego efektem jest m.in. obniżona moc.

Firma Liqui Moly w jednym ze swoich poradników zaleca stosowanie płukanek przed każdą zmianą oleju oraz skrócenie przebiegu pomiędzy wymianami do 10-15 tys. km. W niektórych typach silników zaleca także stosowanie środków zapobiegających starzeniu się oleju silnikowego oraz dodatków do paliwa, które minimalizują ryzyko tworzenia się nagaru.

Firmy olejowe już od pewnego czasu oferują gamę olejów spełniających normę API SN Plus. Jednymi z pierwszych na naszym rynku były marki Wolf czy Yacco. Pod koniec roku 2019 swoją linią produktów pochwaliła się bardziej rozpoznawalna marka Shell.

Warto takie oleje stosować, jeśli silnik o stosunkowo małej pojemności generuje wysoki moment obrotowy, a do tego zastosowano turbodoładowanie, bezpośredni wtrysk paliwa i zmienne fazy rozrządu. Warto też jeździć tak, by nie przyspieszać za mocno przy ekstremalnie niskich obrotach.