增压直喷发动机积碳形成机理及对策

张宏洲 廖银生 李传宝

（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院）

1 前言

近年来，涡轮增压和缸内直喷技术成为点燃式汽油机的重要技术趋势。涡轮增压在提高发动机功率密度、增加扭矩输出上优势明显，因而在不增加排量的情况下提升了发动机动力性；缸内直喷技术则在改善燃油经济性、满足更高的排放标准上有优势。

但是，因为增压直喷（TI）发动机在使用过程中形成的沉积物会显著影响其优越性能，且发动机管理系统不能补偿过量沉积物所造成的影响，故需对沉积物形成机理和控制方法进行研究，以减少其生成。

2 积碳现象的对比

不同行驶里程车辆的积碳情况如图1～图3所示，可知:

a.对于自然进气发动机，积碳的主要位置是进气门。

b.对于直喷发动机，积碳的主要位置是喷嘴和进气门。

3 物质表征—TI发动机积碳的来源分析

通过积碳结构和成分的表征，可推断各处积碳的来源。

3.1 热重分析

热重分析法是一种分析物质的质量与温度关系的方法。图4为进气门积碳（取自直喷发动机1，取样时该车辆行驶里程为103594 km）的热失重曲线，热重分析的升温程序为:在0～600℃之间，以20℃/min的升温速率加热，同时通高纯N2；在600～800℃之间，以20℃/min的升温速率加热，同时通高纯O2；当温度到达800℃时，保温10 min。

由图4可知，进气门积碳约在升温至250℃时开始分解，至460℃时呈现一个台阶面，在该段温度范围，其代表的物质主要为燃油和润滑油的组分，分解温度较低；460～630℃过程中，主要为碳烟颗粒物与O2反应生成CO2而失重；630℃以后，积碳质量保持不变，该段代表的是积碳中既不燃烧也不分解的无机灰分。

根据样品失重百分数可知，在进气门积碳中，燃油和润滑油组分占50%，碳烟颗粒占30%，灰分约占20%。由于在测试过程中气体流动、设备振动、试验楼振动等影响，导致热重曲线漂移（曲线起点高于100%），但漂移量不大，在允许误差范围内。

图5为燃烧室积碳（发动机1同图4）的热失重曲线，热重分析的升温程序与进气门积炭的热重分析升温程序相同。

燃烧室积碳与进气门积碳有些不同，前者所含的灰分（约36%）和碳烟颗粒（约47%）较多，而燃油和润滑油等易分解组分含量（17%）较少。这与燃烧室所处的高温环境有关，因为燃烧室温度高，故易分解的组分难以积累下来。

3.2 红外光谱

如图6所示，积碳的红外光谱主要特征与汽油、机油的光谱比较接近。积碳的样品均取自图4发动机，测试用机油型号为A3B45W-40，汽油型号为市售国Ⅳ93号。

IVD、FID和CCD中均包含烯烃的基团，这说明进气门、燃烧室、喷油嘴的积碳均与汽油有关。而且IVD、FID和CCD中均包含烯烃氧化后生成的酸、酯，而新鲜的汽油和机油未包含，这显示出积碳的形成经历了烯烃等不饱和组分氧化生成酸、酯的过程。

因为TI发动机的机油主要由美国石油学会（API）润滑油基础油分类中的Ⅲ类基础油调成的，所以机油中的不饱和组分（烯烃、苯、芳烃）很少。其红外光谱比较简单，积碳和汽油的光谱也均包含了机油的光谱特征，因而IVD、CCD、FID可能与机油有关，但仍然无法确认。

3.3 元素分析

根据图7可知，进气门积碳中含有较多的Ca、S、Zn、Mo元素，这些元素绝大部分来自发动机机油中的添加剂，汽油中含量较少。其中，Ca元素来自清净分散剂，S元素来自极压剂、抗磨剂，Zn元素来自抗磨剂、抗氧剂，Mo元素来自抗磨剂。则进气门积碳的形成与机油的沉积有关。

根据图8可知，燃烧室积碳中含有较多的Ca、Zn、Mn元素，其中Ca、Zn元素来自机油中的添加剂，Mn元素来自汽油中的抗暴剂。则燃烧室积碳的形成与汽油、机油的沉积有关。

图9为喷油嘴积碳的X射线光电子能谱。在喷油嘴积碳中，C、O、Si、Fe 的含量分别为 85.8%、11.0%、2.5%、0.6%，因为X射线光电子能谱的检测限为0.1%，因此汽油中的Mn等微量元素未检出。Si、Fe等元素主要来自于进气中的灰尘等含硅、铁化合物。

3.4 表面结构和形态

图10为进气门积碳和燃烧室积碳在电子显微镜下的照片。由图10可知，进气门积碳为冠状结构，疏松地堆积在一起;而燃烧室积碳呈现出颗粒状堆积形态，总体比较疏松，但比进气阀积碳致密，这与燃烧室温度更高有关。

进气阀沉积物有一定的液态特性，而燃烧室沉积物大多不表现液态特性，喷油嘴沉积物大多都呈现液态特性，这与进气阀、燃烧室、喷油器的表面温度有关。

积碳的结构使其容易吸收燃油和混合气，从而改变空燃比，影响发动机的性能。积碳的成分主要是汽油和润滑油组分、碳烟颗粒、无机灰分。进气门、燃烧室、喷嘴积碳的形成过程中均包含燃油和润滑油因素。燃油对喷嘴和燃烧室的积碳贡献更大，润滑油对进气门的积碳贡献更大。

4 形成机理—TI发动机积碳的影响因素

4.1 温度因素

温度是影响发动机沉积物形成的关键因素之一。平均表面温度230℃时，沉积物的形成速度较高，低于200℃和高于350℃的时候，沉积速度显著减小，即沉积物形成的主要温度区间为230～350℃。

在直喷发动机中，燃油不会直接喷射在进气门表面，进气门因没有经过燃油的冷却和清洗而容易形成进气门沉积物。而气门的表面温度还会影响沉积物的成分和分布位置，如图11所示，在进气门杆的某一位置，会有更多的沉积物积聚。

由于直喷发动机的喷嘴位于气缸内，发动机正常运转时，其表面温度很高，积碳通常难以聚集。但在熄火情况下会有所不同，由于冷却液不再循环，燃烧室会在较长时间里维持在某一温度区间，而积碳在此时积聚。

对于电喷发动机，其工作模式是先喷油再点火。当发动机熄灭时，此次工作循环所喷出的燃油并未燃烧，一部分燃油便氧化、积聚在喷油器表面。

当喷嘴温度低于燃油90%馏分温度（T90）时，滞留在喷孔的燃油保持在液态，沉积物会较快分解。当喷嘴温度高于T90时，燃油中易沉积物相互结合在一起并粘附在壁面上，很难被喷射的燃油清洗掉。

对于燃烧室沉积物，在发动机转速或负荷增加时，燃烧室温度升高，从而能减少CCD的生成。

4.2 汽油因素

汽油的主要成分为烯烃、芳香烃和饱和烃等（表1）。烯烃在常温液相条件下容易与空气中的氧发生自氧化反应，其间生成的过氧化合物和烃基自由基彼此间还会发生聚合，生成低聚粘稠物—胶质。胶质中含过氧键，当温度超过70℃以后，汽油中的过氧自由基增加，因为胶质中还含有双键，使自由基链式反应在低聚物的基础上继续进行，形成分子量更大的聚合物。

表1 各地区燃油规范对汽油组成的规定

因为胶质是极性物质，一方面胶质分子间容易积聚，使汽油的重质组分增加；另一方面胶质分子的极性基团与金属的亲和力强，易吸附在金属表面，形成沉积物。

对于直喷发动机，进气门积碳的汽油成分主要来自于2个方面:一方面是可燃混合气在进气门打开时窜入，形成内部EGR；另一方面是可燃混合气经活塞缸套间隙窜入曲轴箱，燃油中的轻组分又经曲轴箱通风系统返回到进气歧管。

4.3 润滑油因素

对于直喷发动机，进气门积碳有很大部分来自发动机机油的沉积。机油窜入进气歧管，在进气门上沉积主要有两个途径:一方面是机油蒸气通过曲轴箱通风系统窜入进气歧管（表2），另一方面是气门油封存在渗漏。

表2 直喷发动机漏油量

试验方法为将车辆挂P挡驻车，给一定开度的油门，发动机转速维持在一定转速40 min，采集油气分离器出口处漏出的油量。喷油嘴积碳未检出有明显的机油成分。活塞顶部的沉积物有来自发动机机油的成分。其来源有两方面:一方面是机油蒸气经曲轴箱通风系统返回燃烧室燃烧；另一方面是缸壁表面残留的机油在不完全燃烧时生成碳烟、灰分而沉积在活塞顶部，直喷发动机采用的缸孔网纹绗磨工艺更有利于润滑油存留在缸壁上。

润滑油成分会关系到其作用是保持进气门清洁还是促进IVD的形成。有研究表明，单级油比多级油产生的IVD少，低粘度油比高粘度油产生的IVD多。

5 汽油清净剂对积碳的控制作用

为了保持喷嘴等关键部件清洁性，应验证汽油清净剂对积碳的控制作用。清净剂效果对比如表3所列，试验用发动机型号为476ZQA。

由表3可知，两种汽油清净剂均对燃油喷嘴的积碳有良好的清洗效果，其中中研院汽油清净剂的清净性更佳。汽油清净剂的清洗效果与其含氮量有关，中研院产品的含氮量约为62%，巴斯夫产品的含氮量约为35%。因此，直喷发动机应在每次保养时使用适量汽油清净剂。

表3 汽油清净剂效果对比

1 Paul WG.A review of fuel,intake and combustion system deposite issues relevant to 4-stroke gasoline direct fuel injection engines.SAE paper 2001-01-1202，2001.

2 Kazutoshi Noma,Keiichi Koseki,Satoshi Ohta.A study of injector deposites,combustion chamber deposites （CCD）and intake valve deposites （IVD）in direct injection spark ignition engines.SAE Paper 2003-01-3162.