劉 浩

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

汽車發(fā)動機積炭分析及控制措施

劉 浩

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

現(xiàn)今的發(fā)動機技術(shù)雖然相當(dāng)?shù)某墒?，但燃燒的效率也僅達25%—30%而已，因此積炭主要是由機械本身所造成的現(xiàn)象，以及汽油品質(zhì)不佳所引起，汽車行駛一段時間后，燃油系統(tǒng)就形成一定積炭。行駛在二萬公里以上汽車積炭特別嚴重，就會出現(xiàn)發(fā)動機怠速不穩(wěn)、忽高忽低；加油時，加速不良，有發(fā)悶的現(xiàn)象；行駛無力，尤其超車時，提速反應(yīng)慢，無法達到原車動力；尾氣刺眼、刺鼻，嚴重超標(biāo)；油耗也比以往增加。

汽車發(fā)動機；積炭；預(yù)防

CLC NO.: U464.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-07-04

前言

積炭指的是燃燒后的殘留物，其化學(xué)成分不是純的“碳”元素，更多的是有機物脫水（炭化反應(yīng)）后的炭化物，產(chǎn)生的原因是未完全燃燒，如此產(chǎn)生的炭化物在汽缸內(nèi)逐漸沉積就成了“積炭”。積炭應(yīng)該只存在于汽缸燃燒室內(nèi)和排氣歧管壁上，這里的溫度非常高，混合氣體中有空氣，霧化的汽油，很少的機油蒸汽，燃燒室里的積炭對發(fā)動機正常工作影響很大，例如導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴、進氣閥或排氣閥漏氣、爆震等。積碳造成發(fā)動機性能下降，加速不良、怠速不穩(wěn)等。

1、積炭組成成分以及產(chǎn)生原因

1.1 積炭組成成分

積炭有密實、疏松、柔軟等各種形態(tài)，其組成隨發(fā)動機工況、燃料、潤滑油性質(zhì)以及進入燃燒室中的雜質(zhì)不同而有差異。研究發(fā)現(xiàn)，積炭的組成成分主要有：燃料和潤滑油燃燒生成的碳質(zhì)沉積物；汽油中的抗暴劑（四乙基鉛）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)動機零件磨損形成的金屬屑及其化合物。積炭中各種元素的質(zhì)量百分比如表1-1所示：

表1-1 積炭元素組成

1.2 發(fā)動機產(chǎn)生積炭的原因

各類發(fā)動機在工作時，由于受相關(guān)因素影響，都或多或少地生成積炭。積碳是燃料或潤滑油在高溫和氧的作用下形成的產(chǎn)物。積炭形成的原因有許多，主要取決于車輛行駛狀況，發(fā)動機工作溫度、進氣歧管氣流速度和熱積蓄循環(huán)等。

發(fā)動機長時間處于超負荷，發(fā)動機進氣門油封不良，低溫低速或高溫高速運行時，造成燃燒室中混合氣不能充分燃燒，通過長時間積累便形成積炭。發(fā)動機工作在各種環(huán)境中，如道路環(huán)境，天氣條件等等，最主要的是燃油的品質(zhì)，其中含有雜質(zhì)，膠質(zhì)以及空氣灰塵中的硅化物等在燃燒室中發(fā)生氧化作用，長期積累后在發(fā)動機中形成了積炭現(xiàn)象。

2、產(chǎn)生積炭的影響

積炭是不良的導(dǎo)體，本身溫度高，它的存在不但占據(jù)一定空間，而且在高溫下易形成熾熱點，引起汽油機早燃和爆震，影響發(fā)動機工作性能和使用壽命。

2.1 積炭對發(fā)動機工作性能影響

2.1.1 積碳對進氣量的影響

沉積在發(fā)動機進氣門、進氣道(進氣歧管)當(dāng)中的積碳會破壞進氣歧管內(nèi)的光滑度，阻礙氣體的流動性能，降低氣體的流動速度，形成進氣阻力，同時，通過面積也降低了，使得進入燃燒室的空氣大量減少，直接導(dǎo)致發(fā)動機功率下降。

2.1.2 積碳對爆燃及火花塞的影響

汽油機在工作時，燃燒不完全的燃料和竄入燃燒室內(nèi)的潤滑油，在氧和高溫的作用下，在燃燒室內(nèi)形成積碳。積碳使機件傳熱不良，溫度上升，并促使混合氣體溫度升高。積碳減少了燃燒室內(nèi)的有效容積，提高了實際壓縮比，使氣體壓力升高，這種情況下很容易引起爆燃。在強烈爆燃時，發(fā)動機過熱，氣缸蓋、冷卻水、潤滑油溫度上升，使發(fā)動機內(nèi)各零件磨損加劇。如果燃燒室中的火花塞電極之間存有積碳，可使火花塞兩個電極漏電，減弱跳火能量，影響可燃混合氣的點燃時間和火花中心的能量，對發(fā)動機正常工作不利。

2.1.3 積碳對三元催化器及氧傳感器的影響

尾氣中的積碳會通過三元催化器，當(dāng)積碳嚴重時，可以堵塞通道的大部分，導(dǎo)致排氣不暢，背壓升高，最危險的可導(dǎo)致汽車自燃。

由于發(fā)動機燃燒不好，在氧傳感器表面形成積碳，使氧傳感器輸出的信號失準(zhǔn)，ECU不能及時地修正空燃比。

2.1.4 積碳對傳感器信號的影響

由于積碳造成氣缸壓縮壓力增大，發(fā)動機易產(chǎn)生爆燃，產(chǎn)生錯誤信號。噴油器噴出的一部分燃油被氣門積碳吸收，使進入氣缸中的實際空燃比與電腦給定的值不同步，會造成氧傳感器信號遲后。

2.2 積炭對發(fā)動機部件的影響

氣門及其坐圈工作面上聚有積炭，會引起氣門關(guān)閉不嚴而漏氣出現(xiàn)發(fā)動機難啟動、工作無力以及氣門易燒蝕等不良現(xiàn)象。氣門導(dǎo)管和氣門桿部積炭結(jié)膠，將加速氣門桿與氣門導(dǎo)管的磨損，甚至?xí)饸忾T桿在氣門導(dǎo)管中運動發(fā)澀而卡死。

活塞環(huán)槽內(nèi)積炭，會使活塞環(huán)邊隙、背隙變小，甚至無間隙；端隙受積炭影響而無膨脹余隙。這時極易造成活塞環(huán)膠結(jié)失去彈性，汽缸密封性不嚴，甚至折斷活塞環(huán)而拉缸。噴油嘴有積炭，極易堵塞噴油孔，造成發(fā)動機突然熄火。

2.3 積炭對經(jīng)濟性的影響

積炭的增多會導(dǎo)致發(fā)動機異常耗油。對汽車燃油經(jīng)濟性的評估，通常是根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線與汽車功率平衡圖來進行計算。

萬有特性曲線是一組繪制有等功率和等燃油消耗率曲線，如圖2-1所示。根據(jù)曲線可以確定發(fā)動機在一定轉(zhuǎn)速n，發(fā)出一定功率P時的燃油消耗率b。計算時根據(jù)等速行駛車速Ua 以及阻力功率P，在萬有特性圖上利用插值法可確定相應(yīng)的燃油消耗率b,從而計算出以該速度行駛時單位時間內(nèi)的燃油消耗量Qt為：

其中b為燃油消耗率，g為燃油的重度，假設(shè)燃油品質(zhì)一定的情況下，燃油重度g為一常量。從上面對于動力性的分析中可以得到，當(dāng)存在積炭現(xiàn)象時將會降低發(fā)動機的動力性，亦即發(fā)動機輸出功率將會降低，則當(dāng)汽車在以同樣的等速行駛速度行駛時，為了獲得相同的功率，必然需要更高的燃油消耗率。

2.4 發(fā)動機積炭過熱導(dǎo)致的不良現(xiàn)象

汽車在高溫環(huán)境里，發(fā)動機冷卻系的散熱溫差小，散熱能力差，發(fā)動機容易過熱。汽車發(fā)動機散熱器的散熱量Q可用下式表示：

式中：

Q——散熱量(J)

K——傳熱系數(shù)(J/2mh℃)

S——散熱器的散熱面積(2m)

△T——散熱器內(nèi)外溫度差(℃)

當(dāng)散熱器一定時，K和S的數(shù)值變化不大，由此可見，散熱量Q主要取決于△T。在炎熱的夏天，由于外界氣溫高，發(fā)動冷卻液與大氣溫差變小，使發(fā)動機過熱，從而會出現(xiàn)一系列的問題。

（1）發(fā)動機的充氣系數(shù)下降

大氣溫度高，進入氣缸的混合氣溫度也高，發(fā)動機整個工作循環(huán)的溫度也高，而散熱器的散熱效率又低，使發(fā)動機處于過熱狀態(tài)，燃燒室內(nèi)末端混合氣接受熱量多，加劇焰前反應(yīng)，這就容易產(chǎn)生爆燃。另外，過熱的發(fā)動機使積存于活塞頂部、燃燒室壁、氣門頂部及火花塞上的積碳形成熾熱點，易造成可燃混合氣的早燃。這種不正常的燃燒，更加劇了發(fā)動機的過熱現(xiàn)象，形成惡性循環(huán)，氣缸體和缸蓋易產(chǎn)生熱變形甚至裂紋，較為常見的是燒壞氣缸墊、氣門及氣門座。

（2）發(fā)動機燃燒不正常

發(fā)動機缸內(nèi)積炭過多，會造成混合氣燃燒不充分，甚至?xí)a(chǎn)生自燃、爆燃。當(dāng)急加速回來，怠速時的排放，尾氣有明顯的漂移量。CO和HC的漂移量都很大，這是因為調(diào)節(jié)范圍變寬了。從我們公司奧迪車清洗前后看出排放的變化量。

表 2-1 清洗前尾氣含量尾氣成分

表2-2 清洗后尾氣含量尾氣成分

從表2-1和2-2可以看出尾氣成分變化量發(fā)生了變化，使燃燒更加充分，排放也符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）機油變質(zhì)

發(fā)動機的機油在高溫、高壓下工作時，使機油的抗氧化安定性變壞，加劇了其熱分解、氧化和聚合的過程。機油與燃燒不完全的產(chǎn)物、凝結(jié)的水蒸氣以及進氣中夾帶的灰塵混合，引起機油變質(zhì)。

（4）供油系易發(fā)生氣阻

氣溫越高，發(fā)動機罩內(nèi)溫度也就越高，越易產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象。供油系受熱后，部分汽油蒸發(fā)成氣體狀態(tài)存在于油管及汽油泵中，不僅增加了汽油的流動阻力，同時由于氣體的可壓縮性，汽油泵出油管中的油蒸汽隨著汽油泵的脈動壓力不斷地被壓縮和膨脹，破壞了汽油泵在吸油行程中所形成的真空度，造成發(fā)動機供油不足甚至中斷，形成供油系氣阻。這種現(xiàn)象在炎熱地區(qū)，特別是汽車滿載爬坡或低速長時間行駛時，更容易發(fā)生。

（5）點火系工作不正常

汽車在高溫環(huán)境中行駛時，因點火線圈過熱而使高壓火花減弱，容易出現(xiàn)發(fā)動機高速斷火現(xiàn)象。嚴重時使點火線圈燒壞，影響汽車正常行駛。

3、發(fā)動機積炭的預(yù)防措施

在汽車維修中對于積炭的診斷處理是一個很繁瑣、費工、費時的問題，與其出了問題再修不如防患于未然，用日常維護和正確操作的手段來減少和預(yù)防積炭的產(chǎn)生。

3.1 使用高質(zhì)量的汽油

汽油中的蠟和膠質(zhì)等不純物是形成積炭的主要成分，所以清潔度高的汽油形成積炭的趨勢就弱一些。但是，目前我國的汽油質(zhì)量與發(fā)達國家相比還有一定差距，只能因陋就簡。然而高標(biāo)號并不等于高清潔度，比如說97號汽油并不一定比93號汽油雜質(zhì)少，標(biāo)號只代表燃油的辛烷值，并不能代表品質(zhì)和清潔度。如果為了保證汽油的清潔度，在汽油里添加汽油清潔劑，這樣可有效地防止在金屬表面形成積炭結(jié)層，并能逐漸活化原有的積炭顆粒，使其慢慢去除，從而保護發(fā)動機免受傷害。

3.2 多跑高速，盡量提高換擋轉(zhuǎn)速

多跑高速的目的就是要利用氣流對進氣道的沖刷作用來預(yù)防積炭產(chǎn)生。另外，提高換擋的轉(zhuǎn)速也與多跑高速有著異曲同工之妙．不但可以有效預(yù)防積炭生成，還可以提高汽車的動力性，也避免了換擋時轉(zhuǎn)速過低帶來的爆震，保護發(fā)動機。

3.3 保證發(fā)動機缸內(nèi)有足夠的新鮮的空氣，廢氣排除干凈

首先，保持氣缸良好的密封性、進氣道暢通無阻，然后定期清潔空氣濾清器，保證空氣充足新鮮清潔；最后，定期清理排氣管道中的積炭，保證管道內(nèi)壁光滑，排氣順暢無阻，提高發(fā)動機功率。

3.4 重視合理使用與正確規(guī)范操作

3.4.1 保持正常溫度

盡量避免發(fā)動機超負荷作業(yè)，保持發(fā)動機有一定的功率儲備，保證發(fā)動機工作溫度在85—95℃之間。及時清理水套水垢，防止冷卻水溫及潤滑油溫度過高。防止過熱而產(chǎn)生早燃，特別是夏天，更應(yīng)防止機油溫度過高。

3.4.2 保持正常供油量和點火時間

合理調(diào)整發(fā)動機，使發(fā)動機燃料系及點火系在良好的狀態(tài)下工作，保持火花塞和噴油器工作性能良好，防止過早或過遲而引起燃燒不完全。

3.4.3 避免發(fā)動機長時間怠速運轉(zhuǎn)

怠速時間長，汽油機節(jié)氣門開度小，進氣量和供油量均小，混合氣較濃，燃燒速度降低而無法完全燃燒。同時經(jīng)常怠速行駛，進入發(fā)動機的空氣流量也就小，這樣對已有積炭

的沖刷作用也變得很弱。

3.4.4 養(yǎng)成良好駕駛習(xí)慣

“高檔低速”加減油時，要力爭做到“輕踏、緩抬”柔和過度，避免突然加減油的不良習(xí)慣。很可能造成混合氣不能充分燃燒，容易形成積炭和膠質(zhì)，而合理狀況下的高速換擋有利于混合氣的充分燃燒，使發(fā)動機動力性能得到充分的發(fā)揮，并且減少積炭形成。尤其是正處于實習(xí)期間的車主更應(yīng)當(dāng)避免“高檔低速”的駕駛習(xí)慣。例如捷達車型把原來在轉(zhuǎn)速2500RPM時換擋變成3000RPM轉(zhuǎn)換，這樣不但可以有效預(yù)防積炭的生成，還可以提高汽車的動力性，也避免了換擋轉(zhuǎn)速過低帶來的爆震，保護了發(fā)動機。但是這樣在一定程度上會使發(fā)動機油耗增高，燃油經(jīng)濟性降低。

3.4.5 掌握熄火時機

對于裝有渦輪增壓器的汽車，在高速行駛或是爬坡后不要馬上熄火，在怠速運轉(zhuǎn)5分鐘左右后再熄火，這樣有助于預(yù)防積炭，因為裝有渦輪增壓器的汽車其形成積炭的速度比一般自然吸氣式的汽車要快數(shù)倍。

3.4.6 按時保養(yǎng)

根據(jù)不同季節(jié)和地區(qū)，正確選用機油牌號，防止機油過稀而在內(nèi)燃機工作時串機油，保持空氣濾清器清潔干燥，濾芯過臟應(yīng)及時清洗或更換，禁止不帶濾清器工作。

4、積炭的清除方法

目前清除積炭的方法一般采用機械刮除法和化學(xué)除炭法。

4.1 機械刮除法

用機械方法清除積炭時，一般采用鏟刀或金屬絲在氣缸蓋、燃燒室表面、活塞頂以及活塞環(huán)槽等部位做機械鏟除。機械刮除法雖然工作簡便，但由于積炭與金屬粘結(jié)得比較牢固，這種方法很難將積炭清除干凈，而且極易在金屬表面上留下傷痕，這些傷痕會成為新的積炭中心，導(dǎo)致更加嚴重的積炭。

4.2 化學(xué)除炭法

化學(xué)除炭法主要是用脫炭劑先將零件上的積炭軟化，然后加以清除。這種方法清除積炭較為徹底，也不會劃傷零件表面。

4.2.1 化學(xué)除炭法的原理

用化學(xué)方法清除積炭的過程是氧化的聚合物膨脹和溶解的過程。脫炭劑與積炭接觸后，首先在積炭層表面形成吸附層，而后由于分子之間的運動以及脫炭劑分子與積炭分子極性基的相互作用，使脫炭分子逐漸向積炭內(nèi)部擴散，并能在積炭網(wǎng)狀分子的極性基之間生成鍵結(jié)合，使網(wǎng)狀分子之間的極性力減弱，破壞網(wǎng)狀聚合物的有序排列，使之逐漸變松軟化而被清除。

4.2.2 脫炭劑的分類和組成

脫炭劑可分為無機脫炭劑和有機脫炭劑兩種。常用的無機脫炭劑由氫氧化(NaOH)、磷酸三鈉(NaaPO4)、水玻璃和軟肥皂等構(gòu)成，它具有毒性小、來源廣、成本低廉等優(yōu)點， 但是脫炭效果差；有機脫炭劑一般由醋酸乙酯、丙酮、乙醇、苯、石蠟和氨水等構(gòu)成，其脫炭能力強，常溫使用對有色金屬無腐蝕，但是成本高，毒性大，因此，使用中一定要加強保護管理。

4.3 免拆清洗

最近市場上存在一種免拆清洗的除炭方法，就是在常規(guī)保養(yǎng)都滿足的條件下，車輛每行駛2萬至4萬公里時，在發(fā)動機不解體的前提下用專用設(shè)備做一下進氣系統(tǒng)等的免拆清洗，主要是對車輛的進排氣道、氣門、噴油嘴、油路等容易形成積炭的部位進行清洗積炭的操作。

目前市場上的清洗機產(chǎn)品主要有以下5種：

a.噴油嘴清洗機；b．燃油系統(tǒng)清洗機c．潤滑系統(tǒng)清洗機；d．自動變速箱清洗機；e．冷卻系統(tǒng)清洗機。

當(dāng)然這種做法的效果目前還沒有一個確切的定論，還有待于進一步地研究。

5、結(jié)論

汽車發(fā)動機的消除積炭應(yīng)重在預(yù)防， 科學(xué)合理地使用汽車可以有效預(yù)防或減少積碳的產(chǎn)生， 另外汽車發(fā)動機各系統(tǒng)的清洗應(yīng)屬定期保養(yǎng)項目（一般每隔2 萬至4 萬km 清洗一次），而不要等到積碳已明顯引起汽車性能下降時才進行清洗，到那時車輛已經(jīng)受損。因此，為保持車輛良好的駕駛性能，應(yīng)定期免拆清洗汽車的各主要系統(tǒng)， 特別是燃油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)等。

[1]A．AlizadehD．L．Trimm．TheFormationofDepositsfromOil．under ConditionsPertinenttoDieselEnginePistons．J．Chem．Tech．Bio technol，1985，35A：291-296．

[2]蔣德明．火花點火式發(fā)動機的燃燒．西安：西安交通大學(xué)出版社，1992．

[3]Adams,etal.Engine cleaner composition,Method Apparatus [J]．J．Chem．Tech．Biotechnol,We 95，28236，1995．

[4]劉易之．元征清洗后起發(fā)力，逐鹿汽車清洗機市場．汽車后市場，2005，1．

[5]段長生．國外汽車發(fā)動機積炭清凈劑的研究．湖北化工，2011，1．

The Analysis and Control of Carbon Deposition in Automobile Engine

Liu Hao
（Qingdao Huanghai Vocational University, Shandong Qingdao 266427）

The engine technology is very progress suitable today,but the efficiency burning amounts 25% to 30% only.Therefore carbon is brought about mainly by the machinery itself and poor quality of gasoline. After the Vehicle running for a period of time,especially more than twenty kilometers，the carbon is particularly serious. It lead to the engine idle speed unsteadiness,the poor acceleration performance when refueling,driving weakness,slow reaction speed when overtaking,etc.The car will be unable to reach the original vehicle dynamic.Tail gas is over the standard gravely. Oil consumption straight up.

automobile engine；carbon；preventing

U464.3

A

1671-7988(2014)10-07-04

劉浩，碩士研究生，就讀于青島黃海學(xué)院交通與船舶工程學(xué)院，主要研究方向汽車電子控制技術(shù)。