发动机EGR管路沉积物的形成研究

曹东冬　阳培

摘 要：本文讲述了发动机EGR管路沉积物组成以及对其整机性能的影响，分析了沉积物的形成机理。研究表明，在EGR管路沉积物的形成过程中，EGR管路的表面温度是沉积物形成最重要的外部因素，燃油及其添加剂、机油等的物理化学性质也是沉积物形成的重要因素，同时也是EGR管路沉积物的成形来源。另外发动机运行工况对EGR管路沉积物的形成也有一定的影响。

关键词：EGR管路;沉积物成分;形成因素

1 引言

當前社会能源和环境问题日益严重，各国汽车制造厂家都在开发研究动力新技术，为了适应更加严格的排放法规，近年来发动机缸内直喷技术，废气再循环利用（EGR）技术便成为汽车发动机的一个发展方向。当前国内外汽车公司都有比较成熟的GDI发动机产品，但新的问题亦出现，那就是发动机工作过程中的沉积物会影响其自身的性能，所以就需要对发动机工作过程中产生的沉积物加以研究，分析沉积物的形成机理，尽量减少沉积物的生成。

根据沉积物的热分析，可将其分为五种类型。易挥发物质;易聚合、降解物质;氧化产物;碳化产物;灰分等5类。沉积物的状态：温度较低时它会以液态或胶质的形式存在;温度高时碳化过程加快变成坚硬多孔的黑色物质，俗称积碳。通常上述的5种类型是同时存在的，但各类型沉积物的比例会随发动机温度和其工况而变化，EGR管路不同位置处沉积物其外观各异，如图1所示。

对直喷发动机沉积物的研究国外相对很多，而国内则主要集中在PFI发动机沉积物上面。本文在前人研究工作基础上，详细地总结了GDI与PFI形成沉积物的差别。提出了GDI发动机EGR管路沉积物的形成机理、以及形成因素，这里需要强调的是沉积物形成过程相当复杂，影响因素也颇多[1-3]，故具体问题要具体分析。

2 沉积物的形成机理

在发动机运行过程中，EGR管路气体温度变化范围较大，管路中机油氧化物和碳烟的含量相对增多，导致EGR管路中沉积物的含量增加。另外EGR管路中气体挥发性物质的浓缩以及杂质颗粒物的沉积，也是沉积物形成的来源，所以说EGR管路内沉积物的形成机理非常复杂，在这里主要以积碳为例来研究。

2.1 积碳的成分

积碳的成分和性质随发动机工作状况其形态各异，由于机件表面温度、燃料及机油性质和空气中杂质等原因[3-5]，即便同一燃烧室，不同零件及部位上积碳的性质和成分亦不完全相同。通常其化学成分有以下物质：燃料燃烧生成的碳质沉积物[6，7];燃料中的硫元素与金属反应生成的硫酸盐;四乙铅抗爆剂生成的铅化合物;EGR管路气体中灰、颗粒物形成的硅化合物;运动件磨损的微量金属屑等等。本文研究的四冲程发动机行驶2×104Km，各部件积碳的元素分析结果如表1所示。

柴油机和汽油机因燃料不同其积碳成分也不同，在此以汽油为燃料来加以研究。

2.2 积炭的形成机理

汽油机EGR管路内积炭的形成过程及机理如图2所示：刚起动发动机，EGR管路温度较低，混合气及少量润滑油受燃气热量的作用，发生一系列复杂化学反应，在燃烧室壁以及EGR管路中形成树脂。这些树脂上粘附有炭、烟和少量氯化铅，因有氯化铅的存在从而形成漆状物膜[8，9]。漆状物导热性能差，汽油的尾馏成分不易凝结。嗅化铅和氯化铅随之蒸发，但耐热的铅及其它金属化合物跟着形成。当发动机工作温度正常后，易挥发性物质渐失，热稳定性高的物质增多。当沉积物在EGR管路中达到某一厚度，即使冷起动，EGR管路表面温度上升很快。故管路表层不再有挥发性产物及碳烟，贴近金属壁的是含炭及氯化铅较多的沉积物，表层沉积物则是耐热的硫酸盐和氧化物。此外，由于发动机机械震动和热应力的作用，管壁上的沉积物有碎裂剥落的可能。当发动机熄火时，也有沉积物会吸水潮解而随之脱落。也就是说沉积物的形成和消失同时发生，积炭保持一定平衡也有可能，见图2。

3 沉积物的形成因素

EGR管路沉积物有很多因素引起，首先发动机的运行参数：转速和负荷，进气温度，冷却液温度，压缩比，空燃比，点火提前角以及EGR管路表面材料等。其次是燃料品质，机油，燃油添加剂等[10-12]。本文着重对以下影响因素进行研究：

3.1 温度因素

沉积物形成的重要因素之一就是温度，温度导致了EGR管路不同部分沉积物的形成。温度很大程度上决定了沉积物成分，温度也导致沉积物的形状以及在管路中的不同位置。温度是EGR管路沉积物形成最主要的外因[13，14]。本文研究了在EGR管路中燃油的蒸发条件以及与此相关的沉积物形成因素。在热学条件下对燃油蒸发过程进行了试验研究如图3所示。得出结论：温度会影响EGR管路沉积物的位置和形状，且管路温度达180℃的时有结焦现象，200～300℃温度范围沉积物生成较多，见图3。

3.2 燃料因素

燃油对EGR管路沉积物也有非常明显的影响，在形成沉积物的同时对沉积物也有一定的溶解作用[15，16]。烯烃、芳香烃和饱和烃是汽油主要成分，烯烃被氧化生成胶质，胶质恰恰也是EGR管路沉积物的主要成分。因汽油中烯烃含量较高，就容易生成沉积物。本研究采用了两种油品的汽油：一种含烯烃量35%～40%，另一种烯烃含量13%～20%。试验发现应用烯烃含量高的汽油，沉积物的生成量明显大于烯烃含量低的汽油。这也就意味着增加燃料中烯烃的含量会大幅增加沉积物的生成量。

3.3 机油因素

机油主要由基础油及各种添加剂组成，添加剂主要有分散剂、清净剂、机压抗磨剂、抗氧抗腐剂、摩擦改进剂和油性剂、金属减活剂和抗氧剂、降凝剂、粘度指数改进剂、防锈剂和抗泡沫剂等。这些添加剂中，分散剂、清净剂以及黏度VI增加剂等都能促进沉积物的形成，相反高沸点基础油则有保洁作用。故机油的调配对EGR管路沉积物的生成有重要影响。

本试验采用了三种黏度级数的机油：SAE5W-30，SAE10W-30和SAE15W-40.结果显示采用SAE15W-40的机油，EGR管路产生的沉积物最少。通过试验说明采用高黏度的机油相对低黏度机油EGR管路的沉积物会相对减少。

3.4 運行工况

在采用相同燃料和机油的情况下，改变发动机的运行负荷。本试验中不论负荷怎么变化，都要尽量保证混合气浓度在理论空燃比附近，进气管压力和点火正时可做相应变化。沉积物生成量的变化是EGR管路压力的函数。在中等负荷下，沉积物质量达到最高。

4 结论

（1）EGR管路沉积物主要来自燃料，烯烃含量高的汽油则容易产生沉积物。调配适度的机油能降低EGR管路沉积物的生成，EGR管路的温度是生成沉积物的主要外因。

（2）影响EGR管路沉积物的因素众多，除本文研究的主要因素，EGR管路结构、发动机参数等，也对沉积物的生成有影响。

（3）本研究的下一步任务就是提出EGR管路沉积物的评价体系，以及如何抑制EGR管路沉积物生成的控制措施。

基金项目：毕节市科学技术局联合基金资助项目ZY[2017]04号。

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