發(fā)動機積碳分析及處理方法

李金暢,陽林,鐘興華,駱文星,左宇城

(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

0 引言

根據(jù)公安部數(shù)據(jù)統(tǒng)計：截至2017年底，中國機動車保有量達(dá)到3.1億輛。隨著我國經(jīng)濟實力的快速發(fā)展，車輛的保有量持續(xù)快速增長，越來越成為人類生活不可或缺的交通工具。但汽車隨著里程增長及工作時間的推移，其發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性、環(huán)保性等各項性能會逐漸下降，主要表現(xiàn)為：引擎動力不足、冷車啟動不易、怠速不穩(wěn)、加速不暢、爆震、排放超標(biāo)、發(fā)動機過熱及油耗升高等問題[1]，造成這些情況的主要原因便是燃油系統(tǒng)的積碳。

1 發(fā)動機積碳分析

1.1 積碳形成機制

當(dāng)發(fā)動機進(jìn)入工作狀態(tài)時，燃燒室內(nèi)部的燃油及潤滑油等有機化合物將在高溫及金屬的催化作用下，發(fā)生深度的氧化及縮合，形成樹脂和漆膜。因為樹脂和漆膜具備一定程度的黏性，進(jìn)而能將進(jìn)入燃燒室的燃料和潤滑油燃燒后生成的碳質(zhì)沉積物，原有汽油抗爆劑生成的鉛化物，燃料中的硫燃燒后與金屬生成的鹽類，潤滑油中的金屬添加劑燃燒后形成的金屬氧化物，空氣攜帶的灰沙等硅化物，發(fā)動機零部件磨損下來的金屬屑及其化合物等粘附在上面，同時雜質(zhì)又會不斷形成樹脂和漆膜[2]。簡而言之，積碳就是汽油或柴油與潤滑油由于不完全燃燒而產(chǎn)生的，這些產(chǎn)物與燃油和潤滑油所處的環(huán)境條件、各自的品質(zhì)、性能等有著緊密的關(guān)聯(lián)。

歸結(jié)起來的原因有以下幾個方面：

(1)燃油混合物的濃度過高

發(fā)動機內(nèi)部供油超過所需，或者空氣濾芯長期沒有清理，進(jìn)氣管道堵塞造成進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致實際空燃比小于理論空燃比，混合氣過濃，燃燒不充分，造成積碳的形成。

(2)點火時刻或供油時間不準(zhǔn)

供油時間或點火時刻不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致發(fā)動機燃燒室溫度改變，進(jìn)而造成燃油無法完全燃燒。若提前點火，混合物將在壓縮行程活塞還未到達(dá)上止點時就發(fā)生燃燒，此時燃燒室內(nèi)壓力已經(jīng)達(dá)到最大值，燃油的消耗量增大；點火時刻如果延遲，燃燒將會發(fā)生在做功膨脹過程，此時燃燒室壓力已經(jīng)降低，導(dǎo)致燃油的消耗量增加。

(3)氣門及氣門密封座圈密封不良

氣門與氣門座圈之間密封不良，或者發(fā)動機工作一定時間之后，機械磨損使氣門桿與氣門導(dǎo)管的間隙過大，最終導(dǎo)致機油竄入燃燒室。

(4)燃油品質(zhì)過差

燃油當(dāng)中所含有的雜質(zhì)不能參與燃燒，一部分會隨著尾氣被排出發(fā)動機外部，但仍有部分無法排出，會與混合氣中的蠟以及樹脂粘附在發(fā)動機表面形成積碳。

(5)長時間處于怠速狀態(tài)

發(fā)動機長時間在低溫或怠速狀態(tài)運轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)的可燃混合氣不能完全燃燒，燃燒不充分的混合氣體和從氣缸與活塞間隙竄入的少量機油在燃燒室中混合，在發(fā)動機溫度相對較低的部位(如節(jié)氣門后部、氣門、火花塞和噴油器)逐漸積累形成積碳[3]。

1.2 積碳造成的危害

積碳造成的危害主要分為發(fā)動機結(jié)構(gòu)損壞以及發(fā)動機性能下降。

1.2.1 發(fā)動機結(jié)構(gòu)損壞

發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)是由進(jìn)排氣管道、進(jìn)排氣門、噴油嘴、火花塞、燃燒室等結(jié)構(gòu)組成，而積碳的形成往往是伴隨這些燃燒發(fā)生，因此積碳主要發(fā)生的部位在以上各種結(jié)構(gòu)中。

1.2.2 發(fā)動機性能下降

(1)動力性能。當(dāng)積碳位于火花塞部位，將堵塞火花塞，進(jìn)而造成點火能力下降甚至無法點火。積碳將造成氣缸的密封性下降，如進(jìn)排氣門處、火花塞處的間隙過大而漏氣，造成氣缸的燃燒壓力下降，特別是在低轉(zhuǎn)速或大負(fù)荷狀態(tài)下尤為明顯。

(2)油耗。在發(fā)動機動力性能下降的同時，還將造成燃油消耗量上升，主要是由于在獲得同等動力性能時，受積碳影響的發(fā)動機需要更多的燃油供給，即是增大節(jié)氣門開度。

(3)尾氣排放。尾氣排放污染物主要是一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸铮?dāng)發(fā)動機產(chǎn)生積碳時，尾氣污染物的3項指標(biāo)都將上升或超標(biāo)，這個危害將早于動力性能下降與油耗的增加。

2 積碳處理

2.1 積碳的預(yù)防及減少措施

發(fā)動機積碳的產(chǎn)生是不可避免的，但是可以通過科學(xué)合理的措施減少積碳的產(chǎn)生。以下是幾種常見的預(yù)防措施：

(1)清理空氣濾芯

空氣濾芯是用來過濾空氣中的雜質(zhì)，長時間不清理會導(dǎo)致空氣濾芯及進(jìn)氣道堵塞，最終造成進(jìn)入燃燒室的空氣不足，燃燒不充分，造成積碳。所以要定期清理或更換空氣濾芯。

(2)避免長時間怠速或熱車

怠速和熱車是導(dǎo)致積碳產(chǎn)生的重要原因，主要由于發(fā)動機的工作溫度達(dá)不到最佳燃燒溫度，造成燃燒不充分，產(chǎn)生積碳；另外，熱車時間過久，會導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動機的進(jìn)氣量減少，空氣對于積碳的沖刷作用減弱。

(3)加注清潔燃油

清潔燃油并不是高標(biāo)號燃油，標(biāo)號只是代表燃油所含辛烷值，汽油中的蠟和膠質(zhì)等不純物是形成積碳的主要成分，所以清潔度高的汽油形成積碳的趨勢就弱一些[4]。

(4)發(fā)動機要進(jìn)行定期清洗及養(yǎng)護(hù)

常規(guī)保養(yǎng)主要是更換機油及三濾，但積碳及其他的雜質(zhì)并不能由于更換機油而清除，因此，專業(yè)的清洗養(yǎng)護(hù)劑就能夠派上用場。清洗劑的主要工作原理是：將發(fā)動機機艙內(nèi)的膠狀物質(zhì)、雜質(zhì)、積碳、沉積物溶解，進(jìn)而清理出去，與此同時發(fā)動機內(nèi)壁將在加注養(yǎng)護(hù)劑后生成一層新的保護(hù)膜，從而能夠延緩積碳的產(chǎn)生。

2.2 傳統(tǒng)的積碳處理方法

傳統(tǒng)積碳的清洗方式分為兩種：第一種是把噴油器從發(fā)動機上拆解，然后用超聲波噴油器清洗機進(jìn)行清洗，該清洗方式雖然能將噴油器清洗干凈，但將造成噴油器密封圈的密封性能一定程度的下降，進(jìn)而導(dǎo)致氣缸漏氣；第二種是免拆清洗方式，使用專用的清洗設(shè)備并配合清洗劑對燃油進(jìn)氣系統(tǒng)、三元催化系統(tǒng)進(jìn)行徹底清洗，這種是在不拆卸原有零部件的情況下利用加入設(shè)備內(nèi)的清洗產(chǎn)品，對噴油嘴、氣門、活塞頂部及燃燒室等部位的積碳進(jìn)行逐層清洗，清洗下來的積碳成微粒狀通過尾氣排出，不會損壞氧傳感器及堵塞三元催化器[5]。

3 一種新型清洗劑進(jìn)行積碳的處理

對比兩種傳統(tǒng)的積碳處理方法，大多數(shù)人選擇免拆除清洗方式，主要是因為能夠避免機械部件的損壞，發(fā)動機無論是噴油嘴或者節(jié)氣門都屬于密封件，并且每個機械部件都有壽命，多次拆裝必然導(dǎo)致密封性能下降、機械部件壽命受損，由此造成發(fā)動機的工作性能及效率降低。然而，綜合國內(nèi)外市場上良莠不齊的清洗產(chǎn)品，提出一種新型清洗劑進(jìn)行積碳處理，并進(jìn)行試驗驗證其效果。

積碳的主要評價指標(biāo)為：(1)CO2的含量。CO2是混合氣充分燃燒的產(chǎn)物，其含量的多少是發(fā)動機燃燒效率的直接反映。CO2的含量一般為13%～19%。當(dāng)發(fā)動機形成的油氣混合物過濃或過稀時，CO2的含量都將下降。CO2的含量是衡量車輛是否費油的依據(jù)。(2)O2的含量。O2是直接反映混合氣的空燃比，是最具有代表性的組合分析數(shù)據(jù)。正常燃燒工作時，僅有少許未燃燒的O2通過汽缸，尾氣中O2的含量一般不超過1%。測得O2的含量小，說明混合氣濃；測得O2的含量大，說明混合氣稀。此時就會出現(xiàn)HC和CO不同的變化。(3)混合氣。根據(jù)λ值、O2確定混合氣是否正常，怠速工況時，閉環(huán)控制電噴車輛的λ值一般為0.99～1.02。如果超過這個范圍，一般就不單單是積碳臟污常規(guī)性問題造成的，要考慮電器元件的實效性故障。(4)NOx含量。如果混合氣情況正常，NOx含量偏高且HC、CO含量也偏高，說明三元催化器失效，需要進(jìn)一步檢查三元催化器。如果僅僅NOx含量偏高，考慮燃燒室內(nèi)積碳的影響。

3.1 積碳清洗原理

引擎清洗設(shè)備將引擎納米除碳復(fù)新劑轉(zhuǎn)化成霧態(tài)超細(xì)小分子，超細(xì)小分子能鉆進(jìn)內(nèi)部積碳縫隙，具有超強的極性，通過與積碳緊密吸附，破壞并松動積碳，隨著發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱脹冷縮，使其快速脫落，脫落后經(jīng)燃燒從排氣管排出。清洗裝置如圖1所示。

3.2 檢測方法

一種快速輪邊功率掃描和煙度排放測試方法用于汽車加載減速工況下煙度排放測試：應(yīng)用底盤測功機的力矩調(diào)節(jié)方式，通過設(shè)定合理的力矩調(diào)節(jié)步長和速度穩(wěn)定時間，實現(xiàn)快速輪邊功率掃描，自動切換到煙度測試界面，通過設(shè)定合理的調(diào)節(jié)速率和速度穩(wěn)定時間，快速進(jìn)行100%、90%和80%最大功率對應(yīng)車速點的煙度排放測試，不需要操作人員進(jìn)行任何操作，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測試流程符合標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

3.3 檢測依據(jù)

GB 18285-2005《點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》；DB44/592-2009《在用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法(穩(wěn)態(tài)工況法)》。

3.4 檢測對比

此次試驗車所用發(fā)動機為汽油機，表1為清洗之前的發(fā)動機檢測結(jié)果，表2為使用過此次清洗劑之后的檢測結(jié)果，通過對比明顯觀察到發(fā)動機清洗之后排氣污染物的含量有明顯下降，但對于積碳長期未清洗的發(fā)動機需要2～3次才能夠完全清除。其中表1—表2中5025表示穩(wěn)態(tài)工況，2540表示簡易工況。

表1 清洗之前檢測結(jié)果

表2 清洗之后檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

清洗設(shè)備將除碳清洗劑霧化形成超細(xì)小分子，小分子進(jìn)入積碳縫隙，具有超強的吸附性，通過與積碳的緊密吸附，破壞積碳并使積碳松動，隨著發(fā)動機啟動熱脹冷縮，積碳脫落且隨著排氣被帶出發(fā)動機外部，進(jìn)而達(dá)到清洗積碳的目的。對比傳統(tǒng)積碳的清洗方式，該方式不僅提高了工作效率，還避免了由于拆解所造成的機械磨損。該方法的有效性、經(jīng)濟性、環(huán)保性是社會的發(fā)展大趨勢，是一種先進(jìn)的積碳處理方法。