发动机积碳分析及处理方法

李金畅,阳林,钟兴华,骆文星,左宇城

(广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006)

0 引言

根据公安部数据统计：截至2017年底，中国机动车保有量达到3.1亿辆。随着我国经济实力的快速发展，车辆的保有量持续快速增长，越来越成为人类生活不可或缺的交通工具。但汽车随着里程增长及工作时间的推移，其发动机的经济性、动力性、环保性等各项性能会逐渐下降，主要表现为：引擎动力不足、冷车启动不易、怠速不稳、加速不畅、爆震、排放超标、发动机过热及油耗升高等问题[1]，造成这些情况的主要原因便是燃油系统的积碳。

1 发动机积碳分析

1.1 积碳形成机制

当发动机进入工作状态时，燃烧室内部的燃油及润滑油等有机化合物将在高温及金属的催化作用下，发生深度的氧化及缩合，形成树脂和漆膜。因为树脂和漆膜具备一定程度的黏性，进而能将进入燃烧室的燃料和润滑油燃烧后生成的碳质沉积物，原有汽油抗爆剂生成的铅化物，燃料中的硫燃烧后与金属生成的盐类，润滑油中的金属添加剂燃烧后形成的金属氧化物，空气携带的灰沙等硅化物，发动机零部件磨损下来的金属屑及其化合物等粘附在上面，同时杂质又会不断形成树脂和漆膜[2]。简而言之，积碳就是汽油或柴油与润滑油由于不完全燃烧而产生的，这些产物与燃油和润滑油所处的环境条件、各自的品质、性能等有着紧密的关联。

归结起来的原因有以下几个方面：

(1)燃油混合物的浓度过高

发动机内部供油超过所需，或者空气滤芯长期没有清理，进气管道堵塞造成进气量不足，导致实际空燃比小于理论空燃比，混合气过浓，燃烧不充分，造成积碳的形成。

(2)点火时刻或供油时间不准

供油时间或点火时刻不准确，会导致发动机燃烧室温度改变，进而造成燃油无法完全燃烧。若提前点火，混合物将在压缩行程活塞还未到达上止点时就发生燃烧，此时燃烧室内压力已经达到最大值，燃油的消耗量增大；点火时刻如果延迟，燃烧将会发生在做功膨胀过程，此时燃烧室压力已经降低，导致燃油的消耗量增加。

(3)气门及气门密封座圈密封不良

气门与气门座圈之间密封不良，或者发动机工作一定时间之后，机械磨损使气门杆与气门导管的间隙过大，最终导致机油窜入燃烧室。

(4)燃油品质过差

燃油当中所含有的杂质不能参与燃烧，一部分会随着尾气被排出发动机外部，但仍有部分无法排出，会与混合气中的蜡以及树脂粘附在发动机表面形成积碳。

(5)长时间处于怠速状态

发动机长时间在低温或怠速状态运转时，气缸内的可燃混合气不能完全燃烧，燃烧不充分的混合气体和从气缸与活塞间隙窜入的少量机油在燃烧室中混合，在发动机温度相对较低的部位(如节气门后部、气门、火花塞和喷油器)逐渐积累形成积碳[3]。

1.2 积碳造成的危害

积碳造成的危害主要分为发动机结构损坏以及发动机性能下降。

1.2.1 发动机结构损坏

发动机的燃烧系统是由进排气管道、进排气门、喷油嘴、火花塞、燃烧室等结构组成，而积碳的形成往往是伴随这些燃烧发生，因此积碳主要发生的部位在以上各种结构中。

1.2.2 发动机性能下降

(1)动力性能。当积碳位于火花塞部位，将堵塞火花塞，进而造成点火能力下降甚至无法点火。积碳将造成气缸的密封性下降，如进排气门处、火花塞处的间隙过大而漏气，造成气缸的燃烧压力下降，特别是在低转速或大负荷状态下尤为明显。

(2)油耗。在发动机动力性能下降的同时，还将造成燃油消耗量上升，主要是由于在获得同等动力性能时，受积碳影响的发动机需要更多的燃油供给，即是增大节气门开度。

(3)尾气排放。尾气排放污染物主要是一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物，当发动机产生积碳时，尾气污染物的3项指标都将上升或超标，这个危害将早于动力性能下降与油耗的增加。

2 积碳处理

2.1 积碳的预防及减少措施

发动机积碳的产生是不可避免的，但是可以通过科学合理的措施减少积碳的产生。以下是几种常见的预防措施：

(1)清理空气滤芯

空气滤芯是用来过滤空气中的杂质，长时间不清理会导致空气滤芯及进气道堵塞，最终造成进入燃烧室的空气不足，燃烧不充分，造成积碳。所以要定期清理或更换空气滤芯。

(2)避免长时间怠速或热车

怠速和热车是导致积碳产生的重要原因，主要由于发动机的工作温度达不到最佳燃烧温度，造成燃烧不充分，产生积碳；另外，热车时间过久，会导致进入发动机的进气量减少，空气对于积碳的冲刷作用减弱。

(3)加注清洁燃油

清洁燃油并不是高标号燃油，标号只是代表燃油所含辛烷值，汽油中的蜡和胶质等不纯物是形成积碳的主要成分，所以清洁度高的汽油形成积碳的趋势就弱一些[4]。

(4)发动机要进行定期清洗及养护

常规保养主要是更换机油及三滤，但积碳及其他的杂质并不能由于更换机油而清除，因此，专业的清洗养护剂就能够派上用场。清洗剂的主要工作原理是：将发动机机舱内的胶状物质、杂质、积碳、沉积物溶解，进而清理出去，与此同时发动机内壁将在加注养护剂后生成一层新的保护膜，从而能够延缓积碳的产生。

2.2 传统的积碳处理方法

传统积碳的清洗方式分为两种：第一种是把喷油器从发动机上拆解，然后用超声波喷油器清洗机进行清洗，该清洗方式虽然能将喷油器清洗干净，但将造成喷油器密封圈的密封性能一定程度的下降，进而导致气缸漏气；第二种是免拆清洗方式，使用专用的清洗设备并配合清洗剂对燃油进气系统、三元催化系统进行彻底清洗，这种是在不拆卸原有零部件的情况下利用加入设备内的清洗产品，对喷油嘴、气门、活塞顶部及燃烧室等部位的积碳进行逐层清洗，清洗下来的积碳成微粒状通过尾气排出，不会损坏氧传感器及堵塞三元催化器[5]。

3 一种新型清洗剂进行积碳的处理

对比两种传统的积碳处理方法，大多数人选择免拆除清洗方式，主要是因为能够避免机械部件的损坏，发动机无论是喷油嘴或者节气门都属于密封件，并且每个机械部件都有寿命，多次拆装必然导致密封性能下降、机械部件寿命受损，由此造成发动机的工作性能及效率降低。然而，综合国内外市场上良莠不齐的清洗产品，提出一种新型清洗剂进行积碳处理，并进行试验验证其效果。

积碳的主要评价指标为：(1)CO2的含量。CO2是混合气充分燃烧的产物，其含量的多少是发动机燃烧效率的直接反映。CO2的含量一般为13%～19%。当发动机形成的油气混合物过浓或过稀时，CO2的含量都将下降。CO2的含量是衡量车辆是否费油的依据。(2)O2的含量。O2是直接反映混合气的空燃比，是最具有代表性的组合分析数据。正常燃烧工作时，仅有少许未燃烧的O2通过汽缸，尾气中O2的含量一般不超过1%。测得O2的含量小，说明混合气浓；测得O2的含量大，说明混合气稀。此时就会出现HC和CO不同的变化。(3)混合气。根据λ值、O2确定混合气是否正常，怠速工况时，闭环控制电喷车辆的λ值一般为0.99～1.02。如果超过这个范围，一般就不单单是积碳脏污常规性问题造成的，要考虑电器元件的实效性故障。(4)NOx含量。如果混合气情况正常，NOx含量偏高且HC、CO含量也偏高，说明三元催化器失效，需要进一步检查三元催化器。如果仅仅NOx含量偏高，考虑燃烧室内积碳的影响。

3.1 积碳清洗原理

引擎清洗设备将引擎纳米除碳复新剂转化成雾态超细小分子，超细小分子能钻进内部积碳缝隙，具有超强的极性，通过与积碳紧密吸附，破坏并松动积碳，随着发动机运转时产生的热胀冷缩，使其快速脱落，脱落后经燃烧从排气管排出。清洗装置如图1所示。

3.2 检测方法

一种快速轮边功率扫描和烟度排放测试方法用于汽车加载减速工况下烟度排放测试：应用底盘测功机的力矩调节方式，通过设定合理的力矩调节步长和速度稳定时间，实现快速轮边功率扫描，自动切换到烟度测试界面，通过设定合理的调节速率和速度稳定时间，快速进行100%、90%和80%最大功率对应车速点的烟度排放测试，不需要操作人员进行任何操作，检测结果准确可靠，测试流程符合标准要求[6]。

3.3 检测依据

GB 18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》；DB44/592-2009《在用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(稳态工况法)》。

3.4 检测对比

此次试验车所用发动机为汽油机，表1为清洗之前的发动机检测结果，表2为使用过此次清洗剂之后的检测结果，通过对比明显观察到发动机清洗之后排气污染物的含量有明显下降，但对于积碳长期未清洗的发动机需要2～3次才能够完全清除。其中表1—表2中5025表示稳态工况，2540表示简易工况。

表1 清洗之前检测结果

表2 清洗之后检测结果

4 结束语

清洗设备将除碳清洗剂雾化形成超细小分子，小分子进入积碳缝隙，具有超强的吸附性，通过与积碳的紧密吸附，破坏积碳并使积碳松动，随着发动机启动热胀冷缩，积碳脱落且随着排气被带出发动机外部，进而达到清洗积碳的目的。对比传统积碳的清洗方式，该方式不仅提高了工作效率，还避免了由于拆解所造成的机械磨损。该方法的有效性、经济性、环保性是社会的发展大趋势，是一种先进的积碳处理方法。