Процесс сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием всегда сопровождается отложением нагара на головке поршня, стенках камеры сгорания, свечах зажигания и на клапанах. Отлагающийся нагар на 70-75% состоит из углерода при применении неэтилированных бензинов или содержит 60-90% соединений свинца в случае использования этилированных бензинов [6]. Отложения нагара уменьшают отвод тепла из камеры сгорания и ее объем. Раскаленные частицы нагара могут вызвать неуправляемое воспламенение топливовоздушной смеси — калильное зажигание. Нагар обладает свойством катализатора ускорения предпламенных реакций. Нагар, отлагающийся на фасках выпускных клапанов, нарушает их герметичность и, как следствие, вызывает разрушение фасок и седел клапанов за счет прорыва раскаленных газов в такте рабочего хода. Отложения нагара на электродах свечей зажигания вызывают перебои в их работе, понижают энергию электрической искры. Последствия отложения нагара: повышение требований двигателя к детонационной стойкости бензина (на несколько пунктов октанового числа), возникновение детонационного сгорания, увеличение удельного расхода топлива, снижение мощности двигателя и его перегрев, необходимость частой смены или чистки свечей зажигания, быстрый выход двигателя из строя вследствие «прогара» выпускных клапанов. Обеспечение минимального нагароотложения в камере сгорания является необходимым условием длительного сохранения высоких мощностных и экономических характеристик двигателем.
Среди факторов, влияющих на отложение нагара, можно выделить конструктивные, эксплуатационные и физико-химические. К первым относятся степень сжатия, частота вращения коленчатого вала, форма камеры сгорания, конструкция и диаметр выпускных клапанов, совершенство поршневых колец. При увеличении степени сжатия и числа оборотов, приводящих к повышению температуры в камере сгорания, отложение нагара уменьшается. Совершенствование формы камеры сгорания и увеличение диаметра выпускных клапанов, повышающих полноту очистки цилиндров от продуктов сгорания, также способствуют снижению нагароотложения. Уменьшение поступления в камеру сгорания моторного масла за счет улучшения конструкции поршневых колец приводит к заметному снижению углеродистых отложений на головке поршня.
При эксплуатации двигателя на нагароотложение заметно влияют температурный режим (температура охлаждающей жидкости или головки цилиндров у двигателя с воздушным охлаждением), нагрузка, скорость движения автомобиля, продолжительность работы, состав топливовоздушной смеси и др. Отложение нагара возрастает при понижении температуры охлаждающей жидкости и головки цилиндров, движении с небольшими скоростями и частыми остановками, работе на обогащенных топливовоздушных смесях. И наоборот, длительная езда при повышенных скоростях с поддержанием номинального теплового режима в системе охлаждения и правильной регулировке дозирующих систем карбюратора приводят к самоочищению камеры сгорания от нагара.
Однако соиершенствование конструкции двигателя и оптимизация условий его эксплуатации не могут полностью исключить образование нагара, являющегося неизбежным следствием сгорания бензина. На количество и состав нагароотложений в камере сгорания оказывают существенное влияние химические и физические параметры топлива. Из химических параметров можно выделить углеводородный состав и наличие гетероатомных примесей, из физических — температуру конца кипения бензина.
Склонность автомобильных бензинов к нагароотложению оценивают косвенными и прямыми модельными методами. К косвенным методам относится определение группового углеводородного состава или содержания ароматических углеводородов, содержания сернистых соединений, свинцовых антидетонаторов и выносителей. Прямые методы заключаются в определении количества нагара, отлагающегося на специальных нагарниках, устанавливаемых в камере сгорания натурного одноцилиндрового или полноразмерного двигателя при его работе на испытуемом топливе в течение определенного времени при строго регламентируемых температуре головки цилиндров, составе топливовоздушной смеси, нагрузке и частоте вращения коленчатого вала.
Установлено [5],.что процесс нагарообразования в поршневом двигателе включает начало образования нагара, фазу роста нагара и фазу равновесного состояния нагара. На основании обобщения данных по состоянию карбюраторных двигателей, поступающих в ремонт, была выявлена еще одна— заключительная, фаза роста нагара, вызванного увеличением поступления моторного масла в камеру сгорания из-за большой изношенности гильз цилиндров, поршней и поршневых колец. Таким образом, весь процесс нагарообразования в двигателе с момента начала эксплуатации и до ее прекращения в связи со значительной потерей мощности, повышенным расходом топлива и масла можно изобразить графически.
Фаза равновесного состояния нагара наиболее продолжительная. В этот период сохраняется динамическое равновесие между скоростью накопления нагара и скоростью его выгорания. Поэтому общее количество нагара остается примерно постоянным и зависит главным образом от свойств топлива и режима эксплуатации двигателя.
Влияние на нагарообразование углеводородного состава бензинов было достаточно подробно исследовано в работах [7—9]. Установлено, что наибольшее нагарообразование вызывают бензины с высоким содержанием непредельных и ароматических углеводородов. Вследствие этого базовые бензины по возрастанию склонности к нагарообразованию располагаются в ряд: прямогонные бензины < бензины каталитического крекинга <- бензины каталитического риформинга < бензины термического крекинга.
На нагарообразование большое влияние оказывает температура конца кипения бензина. Было выявлено, что непредельные и ароматические углеводороды особенно заметно повышают отложения нагара, если их температуры кипения близки или превосходят 20С/С.
На основании этих исследований был предложен механизм образования нагара, начальной стадией которого является жидкофазное окисление высококипящих углеводородов, попадающих в камеру сгорания в виде отдельных мелких капель. Последующие конденсация, полимеризация и уплотнение продуктов окисления образуют материал для формирования нагара в определенных зонах его существования, зависящих от температурных и газодинамических условий в камере сгорания. Вне этих зон нагар выгорает. Из этого механизма следует, что склонность бензина к нагарообразованию зависит главным образом от химической стабильности его высококипящих фракций.
Учитывая, что наличие в бензине ароматических углеводородов весьма желательно для повышения детонационной стойкости, исследовали зависимость нагарообразования от содержания в бензине различных ароматических углеводородов. Установлено, что удельный прирост количества нагара, соответствующий повышению детонационной стойкости на один пункт октанового числа, практически не изменяется для ароматических углеводородов различного строения при увеличении их содержания от 0 до 40-45% мас. Однако с увеличением молекулярной массы ароматических углеводородов количество нагара растет. Более поздней работой [10], проведенной с использованием современных базовых и товарных автомобильных бензинов, было показано, что существенное увеличение нагарообразования наблюдается при содержании ароматических углеводородов свыше 50% мае. На основании результатов исследований, проведенных в НАМИ в 1994 г., был сделан вывод, что для обеспечения умеренного нагарообразования в двигателе товарные автомобильные бензины не должны содержать более 60% мае. (55% объемн.) ароматических углеводородов независимо от их состава.