汽车发动机积炭分析及控制措施

刘 浩

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

汽车发动机积炭分析及控制措施

刘 浩

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

现今的发动机技术虽然相当的成熟，但燃烧的效率也仅达25%—30%而已，因此积炭主要是由机械本身所造成的现象，以及汽油品质不佳所引起，汽车行驶一段时间后，燃油系统就形成一定积炭。行驶在二万公里以上汽车积炭特别严重，就会出现发动机怠速不稳、忽高忽低；加油时，加速不良，有发闷的现象；行驶无力，尤其超车时，提速反应慢，无法达到原车动力；尾气刺眼、刺鼻，严重超标；油耗也比以往增加。

汽车发动机；积炭；预防

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

前言

积炭指的是燃烧后的残留物，其化学成分不是纯的“碳”元素，更多的是有机物脱水（炭化反应）后的炭化物，产生的原因是未完全燃烧，如此产生的炭化物在汽缸内逐渐沉积就成了“积炭”。积炭应该只存在于汽缸燃烧室内和排气歧管壁上，这里的温度非常高，混合气体中有空气，雾化的汽油，很少的机油蒸汽，燃烧室里的积炭对发动机正常工作影响很大，例如导致气门关闭不严、进气阀或排气阀漏气、爆震等。积碳造成发动机性能下降，加速不良、怠速不稳等。

1、积炭组成成分以及产生原因

1.1 积炭组成成分

积炭有密实、疏松、柔软等各种形态，其组成随发动机工况、燃料、润滑油性质以及进入燃烧室中的杂质不同而有差异。研究发现，积炭的组成成分主要有：燃料和润滑油燃烧生成的碳质沉积物；汽油中的抗暴剂（四乙基铅）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；发动机零件磨损形成的金属屑及其化合物。积炭中各种元素的质量百分比如表1-1所示：

表1-1 积炭元素组成

1.2 发动机产生积炭的原因

各类发动机在工作时，由于受相关因素影响，都或多或少地生成积炭。积碳是燃料或润滑油在高温和氧的作用下形成的产物。积炭形成的原因有许多，主要取决于车辆行驶状况，发动机工作温度、进气歧管气流速度和热积蓄循环等。

发动机长时间处于超负荷，发动机进气门油封不良，低温低速或高温高速运行时，造成燃烧室中混合气不能充分燃烧，通过长时间积累便形成积炭。发动机工作在各种环境中，如道路环境，天气条件等等，最主要的是燃油的品质，其中含有杂质，胶质以及空气灰尘中的硅化物等在燃烧室中发生氧化作用，长期积累后在发动机中形成了积炭现象。

2、产生积炭的影响

积炭是不良的导体，本身温度高，它的存在不但占据一定空间，而且在高温下易形成炽热点，引起汽油机早燃和爆震，影响发动机工作性能和使用寿命。

2.1 积炭对发动机工作性能影响

2.1.1 积碳对进气量的影响

沉积在发动机进气门、进气道(进气歧管)当中的积碳会破坏进气歧管内的光滑度，阻碍气体的流动性能，降低气体的流动速度，形成进气阻力，同时，通过面积也降低了，使得进入燃烧室的空气大量减少，直接导致发动机功率下降。

2.1.2 积碳对爆燃及火花塞的影响

汽油机在工作时，燃烧不完全的燃料和窜入燃烧室内的润滑油，在氧和高温的作用下，在燃烧室内形成积碳。积碳使机件传热不良，温度上升，并促使混合气体温度升高。积碳减少了燃烧室内的有效容积，提高了实际压缩比，使气体压力升高，这种情况下很容易引起爆燃。在强烈爆燃时，发动机过热，气缸盖、冷却水、润滑油温度上升，使发动机内各零件磨损加剧。如果燃烧室中的火花塞电极之间存有积碳，可使火花塞两个电极漏电，减弱跳火能量，影响可燃混合气的点燃时间和火花中心的能量，对发动机正常工作不利。

2.1.3 积碳对三元催化器及氧传感器的影响

尾气中的积碳会通过三元催化器，当积碳严重时，可以堵塞通道的大部分，导致排气不畅，背压升高，最危险的可导致汽车自燃。

由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。

2.1.4 积碳对传感器信号的影响

由于积碳造成气缸压缩压力增大，发动机易产生爆燃，产生错误信号。喷油器喷出的一部分燃油被气门积碳吸收，使进入气缸中的实际空燃比与电脑给定的值不同步，会造成氧传感器信号迟后。

2.2 积炭对发动机部件的影响

气门及其坐圈工作面上聚有积炭，会引起气门关闭不严而漏气出现发动机难启动、工作无力以及气门易烧蚀等不良现象。气门导管和气门杆部积炭结胶，将加速气门杆与气门导管的磨损，甚至会引起气门杆在气门导管中运动发涩而卡死。

活塞环槽内积炭，会使活塞环边隙、背隙变小，甚至无间隙；端隙受积炭影响而无膨胀余隙。这时极易造成活塞环胶结失去弹性，汽缸密封性不严，甚至折断活塞环而拉缸。喷油嘴有积炭，极易堵塞喷油孔，造成发动机突然熄火。

2.3 积炭对经济性的影响

积炭的增多会导致发动机异常耗油。对汽车燃油经济性的评估，通常是根据发动机的万有特性曲线与汽车功率平衡图来进行计算。

万有特性曲线是一组绘制有等功率和等燃油消耗率曲线，如图2-1所示。根据曲线可以确定发动机在一定转速n，发出一定功率P时的燃油消耗率b。计算时根据等速行驶车速Ua 以及阻力功率P，在万有特性图上利用插值法可确定相应的燃油消耗率b,从而计算出以该速度行驶时单位时间内的燃油消耗量Qt为：

其中b为燃油消耗率，g为燃油的重度，假设燃油品质一定的情况下，燃油重度g为一常量。从上面对于动力性的分析中可以得到，当存在积炭现象时将会降低发动机的动力性，亦即发动机输出功率将会降低，则当汽车在以同样的等速行驶速度行驶时，为了获得相同的功率，必然需要更高的燃油消耗率。

2.4 发动机积炭过热导致的不良现象

汽车在高温环境里，发动机冷却系的散热温差小，散热能力差，发动机容易过热。汽车发动机散热器的散热量Q可用下式表示：

式中：

Q——散热量(J)

K——传热系数(J/2mh℃)

S——散热器的散热面积(2m)

△T——散热器内外温度差(℃)

当散热器一定时，K和S的数值变化不大，由此可见，散热量Q主要取决于△T。在炎热的夏天，由于外界气温高，发动冷却液与大气温差变小，使发动机过热，从而会出现一系列的问题。

（1）发动机的充气系数下降

大气温度高，进入气缸的混合气温度也高，发动机整个工作循环的温度也高，而散热器的散热效率又低，使发动机处于过热状态，燃烧室内末端混合气接受热量多，加剧焰前反应，这就容易产生爆燃。另外，过热的发动机使积存于活塞顶部、燃烧室壁、气门顶部及火花塞上的积碳形成炽热点，易造成可燃混合气的早燃。这种不正常的燃烧，更加剧了发动机的过热现象，形成恶性循环，气缸体和缸盖易产生热变形甚至裂纹，较为常见的是烧坏气缸垫、气门及气门座。

（2）发动机燃烧不正常

发动机缸内积炭过多，会造成混合气燃烧不充分，甚至会产生自燃、爆燃。当急加速回来，怠速时的排放，尾气有明显的漂移量。CO和HC的漂移量都很大，这是因为调节范围变宽了。从我们公司奥迪车清洗前后看出排放的变化量。

表 2-1 清洗前尾气含量尾气成分

表2-2 清洗后尾气含量尾气成分

从表2-1和2-2可以看出尾气成分变化量发生了变化，使燃烧更加充分，排放也符合国家标准。

（3）机油变质

发动机的机油在高温、高压下工作时，使机油的抗氧化安定性变坏，加剧了其热分解、氧化和聚合的过程。机油与燃烧不完全的产物、凝结的水蒸气以及进气中夹带的灰尘混合，引起机油变质。

（4）供油系易发生气阻

气温越高，发动机罩内温度也就越高，越易产生气阻现象。供油系受热后，部分汽油蒸发成气体状态存在于油管及汽油泵中，不仅增加了汽油的流动阻力，同时由于气体的可压缩性，汽油泵出油管中的油蒸汽随着汽油泵的脉动压力不断地被压缩和膨胀，破坏了汽油泵在吸油行程中所形成的真空度，造成发动机供油不足甚至中断，形成供油系气阻。这种现象在炎热地区，特别是汽车满载爬坡或低速长时间行驶时，更容易发生。

（5）点火系工作不正常

汽车在高温环境中行驶时，因点火线圈过热而使高压火花减弱，容易出现发动机高速断火现象。严重时使点火线圈烧坏，影响汽车正常行驶。

3、发动机积炭的预防措施

在汽车维修中对于积炭的诊断处理是一个很繁琐、费工、费时的问题，与其出了问题再修不如防患于未然，用日常维护和正确操作的手段来减少和预防积炭的产生。

3.1 使用高质量的汽油

汽油中的蜡和胶质等不纯物是形成积炭的主要成分，所以清洁度高的汽油形成积炭的趋势就弱一些。但是，目前我国的汽油质量与发达国家相比还有一定差距，只能因陋就简。然而高标号并不等于高清洁度，比如说97号汽油并不一定比93号汽油杂质少，标号只代表燃油的辛烷值，并不能代表品质和清洁度。如果为了保证汽油的清洁度，在汽油里添加汽油清洁剂，这样可有效地防止在金属表面形成积炭结层，并能逐渐活化原有的积炭颗粒，使其慢慢去除，从而保护发动机免受伤害。

3.2 多跑高速，尽量提高换挡转速

多跑高速的目的就是要利用气流对进气道的冲刷作用来预防积炭产生。另外，提高换挡的转速也与多跑高速有着异曲同工之妙．不但可以有效预防积炭生成，还可以提高汽车的动力性，也避免了换挡时转速过低带来的爆震，保护发动机。

3.3 保证发动机缸内有足够的新鲜的空气，废气排除干净

首先，保持气缸良好的密封性、进气道畅通无阻，然后定期清洁空气滤清器，保证空气充足新鲜清洁；最后，定期清理排气管道中的积炭，保证管道内壁光滑，排气顺畅无阻，提高发动机功率。

3.4 重视合理使用与正确规范操作

3.4.1 保持正常温度

尽量避免发动机超负荷作业，保持发动机有一定的功率储备，保证发动机工作温度在85—95℃之间。及时清理水套水垢，防止冷却水温及润滑油温度过高。防止过热而产生早燃，特别是夏天，更应防止机油温度过高。

3.4.2 保持正常供油量和点火时间

合理调整发动机，使发动机燃料系及点火系在良好的状态下工作，保持火花塞和喷油器工作性能良好，防止过早或过迟而引起燃烧不完全。

3.4.3 避免发动机长时间怠速运转

怠速时间长，汽油机节气门开度小，进气量和供油量均小，混合气较浓，燃烧速度降低而无法完全燃烧。同时经常怠速行驶，进入发动机的空气流量也就小，这样对已有积炭

的冲刷作用也变得很弱。

3.4.4 养成良好驾驶习惯

“高档低速”加减油时，要力争做到“轻踏、缓抬”柔和过度，避免突然加减油的不良习惯。很可能造成混合气不能充分燃烧，容易形成积炭和胶质，而合理状况下的高速换挡有利于混合气的充分燃烧，使发动机动力性能得到充分的发挥，并且减少积炭形成。尤其是正处于实习期间的车主更应当避免“高档低速”的驾驶习惯。例如捷达车型把原来在转速2500RPM时换挡变成3000RPM转换，这样不但可以有效预防积炭的生成，还可以提高汽车的动力性，也避免了换挡转速过低带来的爆震，保护了发动机。但是这样在一定程度上会使发动机油耗增高，燃油经济性降低。

3.4.5 掌握熄火时机

对于装有涡轮增压器的汽车，在高速行驶或是爬坡后不要马上熄火，在怠速运转5分钟左右后再熄火，这样有助于预防积炭，因为装有涡轮增压器的汽车其形成积炭的速度比一般自然吸气式的汽车要快数倍。

3.4.6 按时保养

根据不同季节和地区，正确选用机油牌号，防止机油过稀而在内燃机工作时串机油，保持空气滤清器清洁干燥，滤芯过脏应及时清洗或更换，禁止不带滤清器工作。

4、积炭的清除方法

目前清除积炭的方法一般采用机械刮除法和化学除炭法。

4.1 机械刮除法

用机械方法清除积炭时，一般采用铲刀或金属丝在气缸盖、燃烧室表面、活塞顶以及活塞环槽等部位做机械铲除。机械刮除法虽然工作简便，但由于积炭与金属粘结得比较牢固，这种方法很难将积炭清除干净，而且极易在金属表面上留下伤痕，这些伤痕会成为新的积炭中心，导致更加严重的积炭。

4.2 化学除炭法

化学除炭法主要是用脱炭剂先将零件上的积炭软化，然后加以清除。这种方法清除积炭较为彻底，也不会划伤零件表面。

4.2.1 化学除炭法的原理

用化学方法清除积炭的过程是氧化的聚合物膨胀和溶解的过程。脱炭剂与积炭接触后，首先在积炭层表面形成吸附层，而后由于分子之间的运动以及脱炭剂分子与积炭分子极性基的相互作用，使脱炭分子逐渐向积炭内部扩散，并能在积炭网状分子的极性基之间生成键结合，使网状分子之间的极性力减弱，破坏网状聚合物的有序排列，使之逐渐变松软化而被清除。

4.2.2 脱炭剂的分类和组成

脱炭剂可分为无机脱炭剂和有机脱炭剂两种。常用的无机脱炭剂由氢氧化(NaOH)、磷酸三钠(NaaPO4)、水玻璃和软肥皂等构成，它具有毒性小、来源广、成本低廉等优点， 但是脱炭效果差；有机脱炭剂一般由醋酸乙酯、丙酮、乙醇、苯、石蜡和氨水等构成，其脱炭能力强，常温使用对有色金属无腐蚀，但是成本高，毒性大，因此，使用中一定要加强保护管理。

4.3 免拆清洗

最近市场上存在一种免拆清洗的除炭方法，就是在常规保养都满足的条件下，车辆每行驶2万至4万公里时，在发动机不解体的前提下用专用设备做一下进气系统等的免拆清洗，主要是对车辆的进排气道、气门、喷油嘴、油路等容易形成积炭的部位进行清洗积炭的操作。

目前市场上的清洗机产品主要有以下5种：

a.喷油嘴清洗机；b．燃油系统清洗机c．润滑系统清洗机；d．自动变速箱清洗机；e．冷却系统清洗机。

当然这种做法的效果目前还没有一个确切的定论，还有待于进一步地研究。

5、结论

汽车发动机的消除积炭应重在预防， 科学合理地使用汽车可以有效预防或减少积碳的产生， 另外汽车发动机各系统的清洗应属定期保养项目（一般每隔2 万至4 万km 清洗一次），而不要等到积碳已明显引起汽车性能下降时才进行清洗，到那时车辆已经受损。因此，为保持车辆良好的驾驶性能，应定期免拆清洗汽车的各主要系统， 特别是燃油系统、进气系统等。

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

[2]蒋德明．火花点火式发动机的燃烧．西安：西安交通大学出版社，1992．

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

[4]刘易之．元征清洗后起发力，逐鹿汽车清洗机市场．汽车后市场，2005，1．

[5]段长生．国外汽车发动机积炭清净剂的研究．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

刘浩，硕士研究生，就读于青岛黄海学院交通与船舶工程学院，主要研究方向汽车电子控制技术。