張宏洲 廖銀生 李傳寶

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院）

1 前言

近年來，渦輪增壓和缸內(nèi)直噴技術成為點燃式汽油機的重要技術趨勢。渦輪增壓在提高發(fā)動機功率密度、增加扭矩輸出上優(yōu)勢明顯，因而在不增加排量的情況下提升了發(fā)動機動力性；缸內(nèi)直噴技術則在改善燃油經(jīng)濟性、滿足更高的排放標準上有優(yōu)勢。

但是，因為增壓直噴（TI）發(fā)動機在使用過程中形成的沉積物會顯著影響其優(yōu)越性能，且發(fā)動機管理系統(tǒng)不能補償過量沉積物所造成的影響，故需對沉積物形成機理和控制方法進行研究，以減少其生成。

2 積碳現(xiàn)象的對比

不同行駛里程車輛的積碳情況如圖1～圖3所示，可知:

a.對于自然進氣發(fā)動機，積碳的主要位置是進氣門。

b.對于直噴發(fā)動機，積碳的主要位置是噴嘴和進氣門。

3 物質(zhì)表征—TI發(fā)動機積碳的來源分析

通過積碳結構和成分的表征，可推斷各處積碳的來源。

3.1 熱重分析

熱重分析法是一種分析物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關系的方法。圖4為進氣門積碳（取自直噴發(fā)動機1，取樣時該車輛行駛里程為103594 km）的熱失重曲線，熱重分析的升溫程序為:在0～600℃之間，以20℃/min的升溫速率加熱，同時通高純N2；在600～800℃之間，以20℃/min的升溫速率加熱，同時通高純O2；當溫度到達800℃時，保溫10 min。

由圖4可知，進氣門積碳約在升溫至250℃時開始分解，至460℃時呈現(xiàn)一個臺階面，在該段溫度范圍，其代表的物質(zhì)主要為燃油和潤滑油的組分，分解溫度較低；460～630℃過程中，主要為碳煙顆粒物與O2反應生成CO2而失重；630℃以后，積碳質(zhì)量保持不變，該段代表的是積碳中既不燃燒也不分解的無機灰分。

根據(jù)樣品失重百分數(shù)可知，在進氣門積碳中，燃油和潤滑油組分占50%，碳煙顆粒占30%，灰分約占20%。由于在測試過程中氣體流動、設備振動、試驗樓振動等影響，導致熱重曲線漂移（曲線起點高于100%），但漂移量不大，在允許誤差范圍內(nèi)。

圖5為燃燒室積碳（發(fā)動機1同圖4）的熱失重曲線，熱重分析的升溫程序與進氣門積炭的熱重分析升溫程序相同。

燃燒室積碳與進氣門積碳有些不同，前者所含的灰分（約36%）和碳煙顆粒（約47%）較多，而燃油和潤滑油等易分解組分含量（17%）較少。這與燃燒室所處的高溫環(huán)境有關，因為燃燒室溫度高，故易分解的組分難以積累下來。

3.2 紅外光譜

如圖6所示，積碳的紅外光譜主要特征與汽油、機油的光譜比較接近。積碳的樣品均取自圖4發(fā)動機，測試用機油型號為A3B45W-40，汽油型號為市售國Ⅳ93號。

IVD、FID和CCD中均包含烯烴的基團，這說明進氣門、燃燒室、噴油嘴的積碳均與汽油有關。而且IVD、FID和CCD中均包含烯烴氧化后生成的酸、酯，而新鮮的汽油和機油未包含，這顯示出積碳的形成經(jīng)歷了烯烴等不飽和組分氧化生成酸、酯的過程。

因為TI發(fā)動機的機油主要由美國石油學會（API）潤滑油基礎油分類中的Ⅲ類基礎油調(diào)成的，所以機油中的不飽和組分（烯烴、苯、芳烴）很少。其紅外光譜比較簡單，積碳和汽油的光譜也均包含了機油的光譜特征，因而IVD、CCD、FID可能與機油有關，但仍然無法確認。

3.3 元素分析

根據(jù)圖7可知，進氣門積碳中含有較多的Ca、S、Zn、Mo元素，這些元素絕大部分來自發(fā)動機機油中的添加劑，汽油中含量較少。其中，Ca元素來自清凈分散劑，S元素來自極壓劑、抗磨劑，Zn元素來自抗磨劑、抗氧劑，Mo元素來自抗磨劑。則進氣門積碳的形成與機油的沉積有關。

根據(jù)圖8可知，燃燒室積碳中含有較多的Ca、Zn、Mn元素，其中Ca、Zn元素來自機油中的添加劑，Mn元素來自汽油中的抗暴劑。則燃燒室積碳的形成與汽油、機油的沉積有關。

圖9為噴油嘴積碳的X射線光電子能譜。在噴油嘴積碳中，C、O、Si、Fe 的含量分別為 85.8%、11.0%、2.5%、0.6%，因為X射線光電子能譜的檢測限為0.1%，因此汽油中的Mn等微量元素未檢出。Si、Fe等元素主要來自于進氣中的灰塵等含硅、鐵化合物。

3.4 表面結構和形態(tài)

圖10為進氣門積碳和燃燒室積碳在電子顯微鏡下的照片。由圖10可知，進氣門積碳為冠狀結構，疏松地堆積在一起;而燃燒室積碳呈現(xiàn)出顆粒狀堆積形態(tài)，總體比較疏松，但比進氣閥積碳致密，這與燃燒室溫度更高有關。

進氣閥沉積物有一定的液態(tài)特性，而燃燒室沉積物大多不表現(xiàn)液態(tài)特性，噴油嘴沉積物大多都呈現(xiàn)液態(tài)特性，這與進氣閥、燃燒室、噴油器的表面溫度有關。

積碳的結構使其容易吸收燃油和混合氣，從而改變空燃比，影響發(fā)動機的性能。積碳的成分主要是汽油和潤滑油組分、碳煙顆粒、無機灰分。進氣門、燃燒室、噴嘴積碳的形成過程中均包含燃油和潤滑油因素。燃油對噴嘴和燃燒室的積碳貢獻更大，潤滑油對進氣門的積碳貢獻更大。

4 形成機理—TI發(fā)動機積碳的影響因素

4.1 溫度因素

溫度是影響發(fā)動機沉積物形成的關鍵因素之一。平均表面溫度230℃時，沉積物的形成速度較高，低于200℃和高于350℃的時候，沉積速度顯著減小，即沉積物形成的主要溫度區(qū)間為230～350℃。

在直噴發(fā)動機中，燃油不會直接噴射在進氣門表面，進氣門因沒有經(jīng)過燃油的冷卻和清洗而容易形成進氣門沉積物。而氣門的表面溫度還會影響沉積物的成分和分布位置，如圖11所示，在進氣門桿的某一位置，會有更多的沉積物積聚。

由于直噴發(fā)動機的噴嘴位于氣缸內(nèi)，發(fā)動機正常運轉時，其表面溫度很高，積碳通常難以聚集。但在熄火情況下會有所不同，由于冷卻液不再循環(huán)，燃燒室會在較長時間里維持在某一溫度區(qū)間，而積碳在此時積聚。

對于電噴發(fā)動機，其工作模式是先噴油再點火。當發(fā)動機熄滅時，此次工作循環(huán)所噴出的燃油并未燃燒，一部分燃油便氧化、積聚在噴油器表面。

當噴嘴溫度低于燃油90%餾分溫度（T90）時，滯留在噴孔的燃油保持在液態(tài)，沉積物會較快分解。當噴嘴溫度高于T90時，燃油中易沉積物相互結合在一起并粘附在壁面上，很難被噴射的燃油清洗掉。

對于燃燒室沉積物，在發(fā)動機轉速或負荷增加時，燃燒室溫度升高，從而能減少CCD的生成。

4.2 汽油因素

汽油的主要成分為烯烴、芳香烴和飽和烴等（表1）。烯烴在常溫液相條件下容易與空氣中的氧發(fā)生自氧化反應，其間生成的過氧化合物和烴基自由基彼此間還會發(fā)生聚合，生成低聚粘稠物—膠質(zhì)。膠質(zhì)中含過氧鍵，當溫度超過70℃以后，汽油中的過氧自由基增加，因為膠質(zhì)中還含有雙鍵，使自由基鏈式反應在低聚物的基礎上繼續(xù)進行，形成分子量更大的聚合物。

表1 各地區(qū)燃油規(guī)范對汽油組成的規(guī)定

因為膠質(zhì)是極性物質(zhì)，一方面膠質(zhì)分子間容易積聚，使汽油的重質(zhì)組分增加；另一方面膠質(zhì)分子的極性基團與金屬的親和力強，易吸附在金屬表面，形成沉積物。

對于直噴發(fā)動機，進氣門積碳的汽油成分主要來自于2個方面:一方面是可燃混合氣在進氣門打開時竄入，形成內(nèi)部EGR；另一方面是可燃混合氣經(jīng)活塞缸套間隙竄入曲軸箱，燃油中的輕組分又經(jīng)曲軸箱通風系統(tǒng)返回到進氣歧管。

4.3 潤滑油因素

對于直噴發(fā)動機，進氣門積碳有很大部分來自發(fā)動機機油的沉積。機油竄入進氣歧管，在進氣門上沉積主要有兩個途徑:一方面是機油蒸氣通過曲軸箱通風系統(tǒng)竄入進氣歧管（表2），另一方面是氣門油封存在滲漏。

表2 直噴發(fā)動機漏油量

試驗方法為將車輛掛P擋駐車，給一定開度的油門，發(fā)動機轉速維持在一定轉速40 min，采集油氣分離器出口處漏出的油量。噴油嘴積碳未檢出有明顯的機油成分?；钊敳康某练e物有來自發(fā)動機機油的成分。其來源有兩方面:一方面是機油蒸氣經(jīng)曲軸箱通風系統(tǒng)返回燃燒室燃燒；另一方面是缸壁表面殘留的機油在不完全燃燒時生成碳煙、灰分而沉積在活塞頂部，直噴發(fā)動機采用的缸孔網(wǎng)紋絎磨工藝更有利于潤滑油存留在缸壁上。

潤滑油成分會關系到其作用是保持進氣門清潔還是促進IVD的形成。有研究表明，單級油比多級油產(chǎn)生的IVD少，低粘度油比高粘度油產(chǎn)生的IVD多。

5 汽油清凈劑對積碳的控制作用

為了保持噴嘴等關鍵部件清潔性，應驗證汽油清凈劑對積碳的控制作用。清凈劑效果對比如表3所列，試驗用發(fā)動機型號為476ZQA。

由表3可知，兩種汽油清凈劑均對燃油噴嘴的積碳有良好的清洗效果，其中中研院汽油清凈劑的清凈性更佳。汽油清凈劑的清洗效果與其含氮量有關，中研院產(chǎn)品的含氮量約為62%，巴斯夫產(chǎn)品的含氮量約為35%。因此，直噴發(fā)動機應在每次保養(yǎng)時使用適量汽油清凈劑。

表3 汽油清凈劑效果對比

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.