LSPI (low speed pre-ignition) teoriaa ja käytäntöä

Viime aikoina on noussut esiin huoli korkean suorituskyvyn pienten moottorien taipumuksesta "nakuttaa" matalilla kierroksilla tuhoisin seurauksin. Todellisuudessa kyse ei ole nakutuksesta (suomenkielisenä terminä nakutus on eri nakutus). Kyseessä on ilmiö, josta käytetään akronyymiä LSPI eli low speed pre-ignition, matalan käyntinopeuden itsesyttyminen. Sille ei ole nakutuksen tavoin yhtä hyvin vakiintunutta termiä, mutta itsesytytystä voisi pitää yhtenä vahvana vaihtoehtona. Englanninkielisessä puheessa tälle ilmiölle on myös muita nakutus-termejä kuten super-knock tai mega-knock, jotka ehkä osaltaan sotkevat termistöä.

Luultavimmin myös jonkin verran Ecoboost ST 2.0L koneita on tuhoutunut juuri LSPI seurauksena. Vauriot ja kuvaillut tapahtumat ennen vaurioiden syntyä viittaisivat siihen ja normaali nakutus on näissä moottoreissa todella hyvin hallinnassa.
Todennäköisesti myös oman ST:ni moottori on kokenut näitä ikäviä tapahtumia, mutta toistaiseksi kestänyt sen määrän ja sattuman summana ovat osuneet sellaiseen kohden ettei ole päässyt muodostumaan moottorin rikkovaa erityisen suurta painetta puristustahdin loppuun. Pidän näitä LSPI-tapahtumia kuitenkin todennäköisimpänä syynä hetkellisiin tehon katoamisiin tai yllättäviin nykimisiin matalalla kierroslukualueella rasitellessa silloin, kun luistonesto tai vastaavat tekijät eivät selitä häiriöitä.

Nakutuksen ja itsesytytyksen (myöhemmin LSPI) välisiä eroja:
Nakutus on nopeasti kasvava painepiikki, joka synnyttää kuuluvan 6-7kHz äänen kuin moottorin kylkeen olisi kolautettu metalliesineellä. Nakutus syntyy sytytystulpan kipinän syttymisen jälkeisenä ajankohtana ja syntyvä korkea painepiikki saadaan sytytystä säätämällä siirrettyä jo valmiiksi tai nopeasti nakutusanturin avulla yläkuolokohdan jälkeiseen aikaan, jotta sen vaikutus moottorin toimintaan olisi mahdollisimman vähäinen. Tavanomaisesti nakutus on niin nopea, ettei paine ehdi kasvaa kovin montaa kertaa isommaksi kuin normaalisti, mutta se osuu väärään kohden ja häiritsee moottorin toimintaa.
LSPI sen sijaan tapahtuu ennen kipinän muodostusta. Se ei pidä mitään kuuluvaa tunnusomaista ääntä, ajoittuu useimmiten puristustahdin alkupuolelle ja synnyttää moottorin normaaliin paineen muodostukseen nähden jopa yli 10-kertaisen painepiikin lähelle yläkuolokohtaa. Se ole nykytietämyksellä ennakoitavissa moottorin toiminnasta antureita seuraamalla, eikä sen havaitseminen jo tapahtumaketjun alettua auta suojelemaan moottoria. Erityisen vaaralliseksi sen tekee korkea paine ja lämpötila, mikä saattaa rikkoa mekaanisesti tai jopa sulattaa alumiinimännän.

Nakutusta moottorit kestävät hyvin suuria määriä (moottorit ovat tavanomaisesti suunniteltu kestämään huomattavasti korkeampia hetkellisiä paineita ja suunnittelussa on huomioitu myöskin paineen tuottama hetkellinen lämmön kohoaminen palotilan äärilaidoilla ja männässä), mutta yksikin tarpeeksi aikaisin syntynyt voimakas LSPI voi tuhota männän tai kiertokangen kerrasta jo mekaanisen iskuvoiman takia.

Vaikka ilmiötä on jo ainakin 1940-luvulta asti tutkittu, se oli yllättävä uusi haaste palatessa tekemään pieniä suorituskykyisiä moottoreita. Kun näihin ongelmiin aikoinaan törmättiin ja suorituskykyä tarvittiin lisää, ongelman ratkaisun sijaan se ohitettiin oikoreitillä eli suurentamalla moottoreita ja heikentämällä sylinterikohtaista hyötysuhdetta. Sen jälkeen vain tavanomainen nakutus oli ongelma, mutta se on helposti hallittava ongelma toisin kuin LSPI. Keksittiin nakutusanturi, josta ei kuitenkaan LSPI suhteen ole mitään hyötyä. Nostaessa huipputehoja tyydyttiin heikentämään suorituskykyä matalilla kierroslukualueilla, jolloin LSPI ei esiinny edelleenkään ja bensiinimoottorit muuttuivat "kierroskoneiksi" vääntävän moottorityypin sijaan. Vääntävän moottorin tarpeisiin tehtiin isompia sylinteritilavuuksia ja pieniä diesel-moottoreita.

    Tähän asti LSPI osalta tunnetaan jo ainakin seuraavat tekijät ja niiden tuntemisen kautta ilmiötä voidaan hillitä tai ehkäistä kokonaan:
  • LSPI esiintyy vain alle 3000 rpm kierroslukualueella, kun BMEP normaalissa toimintatilassa on yli tietyn rajan (muutoin paine ei riitä räjähdysmäiseen polttoaineseoksen paloon tai aika ei riitä liiallisen paineen kasvuun ennen venttiilien raottamista)
  • LSPI syntymekanismeista yleisin on kemiallinen reaktio öljyn kalsiumyhdisteiden ja polttoaineen kesken, leimahdus roiskeista joita irtoaa ylimmän männänrenkaan alueelta tai jäämistä sylinteriseinämällä
  • LSPI syntyy herkemmin matalamman tiheyden polttoaineella
  • LSPI syntyy herkemmin korkean aromaattipitoisuuden bensoilla
  • LSPI syntyy herkemmin korkeammalla pakopaineella
  • LSPI syntyy herkemmin matalalla ilmankosteudella, joten pakkasella korottunut riski
  • matala moottorin lämpötila ja suorasuihkutus sylinteriseinämää kohden korottavat riskiä LSPI esiintymiselle (kondenssi)
  • ZDDP ehkäisee tehokkaasti LSPI syntymistä kemiallisena reaktiona bensan ja kalsiumin kesken, mutta vasta vähintään 800ppm fosforin pitoisuutena voi estää sen täysin
  • myös molybdeeni ehkäisee kalsiumpitoisia ylimmän männänrenkaan alueelta lähteviä leimahtavia roiskeita, mutta sen vaikutus on selvästi fosforia heikompi vielä 500ppm pitoisuudessakin (sen ollessa huomattavasti tavanomaista korkeampi pitoisuus moottoriöljyssä)

Toisin sanoen päästönhallintalaitteiden kehitys ja muu historian kulku ovat muokanneet öljyn lisäainepaketin kohden LSPI suurempaa esiintymistiheyttä. Yhtenä suurena tekijänä voisi pitää päästönhallintalaitteiden kehitystä, sillä pakokaasun takaisinkierrätys (EGR) lisää riskiä herkemmin syttyvien seosten reagoida kalsiumpitoisen lisäainepaketin kanssa. Eikä asiaa yhtään parantanut katalysaattorin suojelemiseksi vähennetty suurimman sallitun fosforipitoisuuden madaltaminen vuonna 2004 nykyiseen 800ppm maksimipitoisuuteen, joka tuottaa öljyn elinkaaren loppua kohden korottuneen riskin LSPI esiintymiselle, vaikka tuore öljy kykeneekin vastustamaan näitä reaktioita tehokkaasti.
Jotta yhdistelmä olisi mahdollisimman räjähdysherkkä, haluttiin taloudellisuutta. Kaksoismassapyörä mahdollistaa pienenkin moottorin olla käyttökelpoinen jo matalilta kierrosalueilta lähtien. Täten voidaan säästää polttoainetta ja lisätä suorituskykyä korkeammalla puristussuhteella ja turboahtamalla. Pisteenä I:n päälle jo varhain kehitetty nakutusanturi, joka tuo väärää turvallisuuden tunnetta hakiessa suurinta suorituskykyä myös matalaoktaanisella polttoaineella. Suomalaisten onneksi E10-laatu ehti tulla ennen LSPI-taipumukseltaan korottuneita moottoreita, sillä sen kaltainen polttoaine on kuitekin LSPI suhteen keskivertoa parempi matalaoktaaninen polttoaine.

Yllättäen LSPI-herkkyys olisi kuitenkin ehkäistävissä hyvin yksinkertaisella tavalla. Testien perusteella (SAE 2012-01-1615) kalsium-pohjaisten puhtaana pitävien lisäaineiden poistaminen öljyistä esti täydellisesti LSPI syntymisen sille muutoin tavanomaisissa olosuhteissa. Tämä täysin riippumatta käytetystä polttoaineesta tai lämpötilasta. Toisaalta voidaan myös nostaa fosforin ja molybdeenin pitoisuuksia, joiden läsnäolo ehkäisee tehokkaasti LSPI syntyä kalsium-lähtöisenä reaktiona öljypisaroiden ja polttoainejäämien irrotessa pinnoilta palotilaan.

Havaintojen pohjalta ryhdyttiin kehittämään uusia standardeja: voitelualan yleinen standardi ILSAC GF-6 ja GM Dexos1™ generation 2, sekä GM Dexos2™ uuden GF-6 vastineena sisältäen vain matalaviskositeettiset polttoainetaloudelliset uudet öljylaadut. Täten ILSAC GF-6 on ensimmäinen yleinen öljylaadun luokitus, jossa testataan vaatimuksenmukaisuus jakoketjun venymän ja LSPI varalta, Dexos® lisenssin ollessa vaihtoehtoinen ostettava laatuluokituksen sertifikaatti. ILSAC standradista on tulossa kaksi rinnakkaista standardia 6A ja 6B, joista ensiksi mainittu korvaa GF-5 luokan samoilla minimivaatimuksilla ja jälkimmäinen on tulevaisuuden optio pienikitkaisemmille öljyille alennetulla kuumankeston vaatimuksella.

Koska ILSAC GF-6 on vielä tätä kirjoittaessa keskeneräinen projekti (ensimmäiset öljyt pitäisi tulla markkinoille vuoden 2018 alkupuolella), esimerkiksi Ford Ecoboosteja varten BP Castrol kanssa yhteistyössä kehitetty Magnatec professional E 5W20 on luokiteltu toistaiseksi GF-5 luokkaan (mitä ei turhaan mainita nykyisessä kuluttajapakkauksessa). Kilpailevista öljymerkeistä poiketen sen pitäisi kuitenkin olla vähimmillään GF-6 luokituksen mukainen ja kyseisen standardin LSPI ja ketjun venymän testit ovatkin Fordin kehittämiä ja vaatimuksenmukaisuuden täyttäminen perustuu Ford Ecoboost 2.0L testimoottoriin.

    Mitä voin siis tehdä (ILSAC GF-6 luokkaa odotellessa), jotta moottori kestäisi?
  • käytä mahdollisimman pienen kalsiumpitoisuuden öljyä (tätä et valitettavasti tiedä ilman öljyanalyysiä)
  • vaihtoehtoisesti käytä hyvin korkean ZDDP-pitoisuuden öljyä (sinkin ja fosforin yhdistelmä, fosforia yli 800ppm, katalysaattorin surma, etkä tiedä tätäkään ilman öljyanalyysiä)
  • älä tuota suuria kuormituksia alle 3000rpm kierroslukualueella, käytä pieniä vaihteita kiihdytyksissä vaikka taloudellisuus kärsiikin
  • älä sekoita öljyyn ylimääräisiä lisäaineita tai muita öljyjä, sillä fosforipitoisuus voi laskea liikaa
  • käytä Fordille kehitettyä Castrol Magnatec Professional E 5W20 ecoboost-öljyä jos mahdollista
  • noudata huomattavasti suositeltua lyhyempiä öljyn vaihtovälejä

Ulkomaisen foorumin lähteiden perusteella vuoden 2014 Castrol Magnatec Professional E 5W20 "Ecoboost-öljy" sisälsi tuoreena seuraavan myös LSPI syntyyn vaikuttavan kemikaalitasapainon (lähtötietona öljyn kemiallinen analyysi): noin 30ppm molybdeeniä, 850ppm fosforia, 10ppm magnesiumia ja 2100ppm kalsiumia.
Käytetyn öljyn (10tkm vaihtoväli) analyysi sen sijaan näytti jo aika pahalta: enää 720ppm fosforia, mutta yhä 1900ppm kalsiumia.
Näistä vuoden 2014 öljynäytteiden tuloksista tuli ristiriitainen vaikutelma. Miten juuri tällaisessa öljyssä saatetaan käyttää noin suurta kalsiumpitoisuutta, vaikka fosforipitoisuus laskee väistämättä alle täydellisesti LSPI-taipumusta ehkäisevän rajan.
Avainsana vaikuttaisi olevan kyseisen öljylaadun hapettumisen esto. Sillä on normaaliin 5W20 tai jopa 5W30 nähden korkeampi leimahduspiste ja monista muista öljyistä poiketen Magnatec Professional E ei ylläpidä palamista vaan on itsesammuva. Se siis vastustaa hyvin voimakkaasti hapettumista ja todennäköisesti juuri siksi vähentää myös LSPI-taipumusta kalsiumpitoisuudesta huolimatta. Normaalit öljyanalyysit eivät tule paljastamaan mekanismia, sillä niissä testataan vain kulumametallit ja tavanomaiset lisäainepakettien alkuainepitoisuudet, sekä normaalit öljyn fyysiset laatutekijät.
Todennäköisesti suurin tämän öljylaadun salaisuus liittyy fenolijohdannaisiin ja amineihin, vahvoihin antioksidantteihin, sillä tuotteen käyttöturvatiedotteissa on esiintynyt siihen viittaavia merkintöjä. Ainakin näiden suhteen kyseinen öljy on toistaiseksi ainutlaatuinen ja aikaansa edellä. Ja suositus LSPI ehkäisemiseksi suorituskykyisissä Fordeissa.