汽车发动机积碳的成因及处理方法研究

2024-04-13陈泽健苏财茂

机电信息 2024年2期

陈泽健苏财茂

（岭南师范学院机电工程学院，广东湛江 524000）

0 引言

数据显示，目前我国各类汽车保有量超过4.2亿辆，汽车业已成为生产生活中不可或缺的工具。汽车使用一段时间后，性能会出现一定程度的下降。排除各方面的磨损消耗，汽车发动机里的积碳是影响性能的主要因素之一。积碳的产生原因复杂多样，它对汽车运行所造成的后果主要体现在动力衰退、启动困难或启动后怠速不稳、发动机抖动等，严重时会造成发动机爆振或气缸拉缸。

1 积碳与积碳成因分析

积碳是汽油发动机工作时，汽油和机油中含有的烯烃、芳烃等碳氢化合物，以及石蜡、杂质等无法被完全燃烧分解，而在发动机部分区域产生的沉积物；它是具有吸油特性的胶状残留物混合空气中或其他来源的杂质，形成的一种胶状或树脂状的黏稠物。积碳主要存在于发动机气门、节气门、气缸顶部、活塞顶部和活塞环、火花塞和喷油嘴以及进气歧管衬垫、排气管消声器内[1]。

积碳按性质可以分为油泥沉积物和碳化沉积物两种类型。

1）油泥沉积物。油泥沉积物主要见于进气歧管及其附属配件，如节气门和气门杆背部，也被称之为进气道积碳；不直接接触发动机的燃烧，杂质主要为油水混合物，性状呈胶质，附着不严密。这些来源于燃烧室外部的积碳，直接影响的是PCV（Positive Crankcase Ventilation，曲轴箱强制通风）和EGR（Exhaust Gas Re-circulation，废气再循环系统）。

发动机内部主要由燃烧室和燃烧室下方的曲轴箱两个腔体组成。曲轴箱并非完全密封，所以燃烧室里总有一小部分未燃烧的汽油颗粒泄漏到曲轴箱内，箱内的温度和压力是随时变化的，所以需要一套通风系统平衡曲轴箱产生的压力差。当曲轴箱内部压力过大，多余的压力就通过单向的PCV阀泄压到进气道内。曲轴箱内储存的机油因为高压高温的环境有一部分气化变成机油颗粒，这部分汽油和机油也随着曲轴箱释放的压力一起被排进进气歧管，重新进入发动机燃烧，就会在进气门的背面形成油泥沉积物。附着在进气门背面的积碳更常见于使用了缸内直喷的车型，如果是歧管喷射的话喷油嘴位于气门的上方，喷油的时候直接冲刷气门的背面，油泥不能轻易沉积。

EGR系统是把已经燃烧过的废气在适当的时候抽出一部分重新送入进气道参与燃烧，达到限制气缸内新鲜空气的含量来控制燃烧的规模、降低缸内温度、减少尾气氮氧化物排放的目的。而尾气中未燃烧完全的汽油颗粒和燃烧过后的固体颗粒，就是俗称的PM级污染物，也被重新送进进气道，在进气歧管、气门背面和节气门沉积形成积碳。

2）碳化沉积物。碳化沉积物主要见于气缸内壁和火花塞喷油嘴等部位，也被称之为燃烧室积碳；由于直接接触发动机燃烧过程，高温高压的灼烧使不断沉积的杂质碳化，性状格外坚硬。碳化沉积物形成过程复杂且不稳定，主要成分是机油和汽油的杂质，各类汽油和机油滤清器都无法将油液中的杂质完全过滤。杂质和发动机活塞、气缸在工作中摩擦产生的金属碎屑混合在一起，在燃烧室内部高温高压下形成一种类似碳化层的物质，附着在气缸壁、活塞顶部、气门顶部、火花塞和喷油嘴等处。

除以上基于发动机正常工作所形成的积碳外，当发动机零部件出现故障的时候也有可能产生积碳。如气门油封漏油，机油直接滴漏到气门的背部形成油泥；活塞环的密封不严造成发动机曲轴箱废气窜气漏气等，导致过多的油脂颗粒出现在曲轴箱并上窜到燃烧室；或者发动机某些零部件有先天的设计缺陷等[2]。

2 积碳的危害及对其认知的误区

2.1 积碳的危害

发动机积碳的危害主要体现在两个层次：性能下降以及舒适度降低，和发动机零部件或发动机本体损坏。不同部位的积碳对汽车的使用影响也不一样，一般在发动机进排气系统里，越靠近发动机缸体的积碳造成的影响越大，在排气中尾段，若三元催化器被积碳堵塞，影响也很严重。

1）舒适性与性能影响。积碳对性能影响一般体现为：节气门的积碳使节气门运动不灵活或者节气门关闭不严密，导致发动机怠速不稳以及启动时空燃比不正确，造成启动困难等现象。火花塞积碳降低了火花塞的点火效率，影响正常的点火启动，表现为冷车启动困难，更影响行驶中的提速发力。如果是歧管喷射的车型，进气门背部存在积碳的话，积碳会吸附一部分汽油，造成混合气过稀，发动机启动困难，怠速不稳。当发动机活塞顶部存在积碳，就会占据一部分燃烧室空间，如单一燃烧室总容积500 mL，活塞上止点容积50 mL，压缩比是10:1。如果积碳占据了5 mL的容积，压缩比就变成了495/45=11。积碳的存在使得压缩比增大，积碳越多，压缩比越大，导致当活塞还没有运行到上止点的时候，就有部分混合气因为压力过大发生自燃的现象，称为发动机爆振，爆振会伴随着发动机输出动力下降和抖动。

2）发动机危害。积碳甚至会损坏发动机硬件，如进气门背面的积碳会导致发动机进气不顺畅，降低进气效率，使动力下降，倘若积碳进一步增多将导致气门密封不好，缸压降低。而气门背面的积碳如果掉进发动机气缸的内部，会造成气缸壁拉伤。

活塞环上的积碳会堵死活塞环和活塞环槽之间的空隙，最终导致卡死活塞环，没有冗余空间，无法自由转动，这样会造成在上方的两个气环不能有效密封燃烧室，导致燃烧室里高压的气体窜入曲轴箱中（俗称窜气），导致缸压降低，曲轴箱里的压力会越来越大，就会有越来越多的曲轴箱气体被排放到进气歧管里，又会加剧进气部分的积碳情况，形成恶性循环。若油环卡死在环槽内，那油环就不能把气缸壁上的机油及时彻底刮回曲轴箱，导致烧机油，而烧机油持续又会反过来加剧气缸内的积碳情况。

缸内直喷的车型，喷油嘴直接接触燃烧，积碳会附着在喷油嘴头部，轻则造成燃油雾化不均匀、轨迹分叉等，重则积碳进入到喷油嘴阀门和本体之间的空隙，卡住阀门，导致喷油嘴关闭不严，造成燃油滴漏，油耗增加，甚至发动机淹缸、失火。

2.2 积碳认知误区

目前，人们对积碳的认知主要存在如下误区：

误区一：多跑高速能吹走进气道内的积碳。空气进入发动机内部，要经过空气滤芯、节气门等部件。首先空气滤芯就像一个口罩，通过空气滤芯的空气流量和流速都有很大的下降；再者节气门是发动机电子控制单元根据汽车的油门开度和发动机当下的车速工况来自主控制开度，发动机需要多少空气就提供多大的开度以达到合理的空燃比，所以空气的流量、流速和车速没有必然的联系。能清积碳的要素是高发动机转速而不是高车速，现在汽车变速箱的齿传动比已能将法定限速内的转速限制在2 000转以下，清理积碳的效果微乎其微。跑高速只能做到发动机工作在热值最大、效率最高的区间，以延缓积碳的形成。

误区二：发动机积碳是故障的起因，正常产生的积碳量不会对汽车的运行造成影响。能造成影响的积碳是异常增多或出现在本不应出现的位置，这主要包括两种情况：一是发动机本身故障导致的积碳异常增多，如活塞环密封不严、汽车自身设计有缺陷等；二是车主用车方法不当或疏于保养，以及自身驾驶习惯的差异等，导致积碳不正常增加，诱发其他故障。可见，积碳不是故障的成因而本身就是故障，然后成为其他故障的诱因。

误区三：燃油添加剂评价片面。市面上燃油添加剂一类产品性能参差不齐，现在没有统一标准。燃油添加剂对参与燃烧部位积碳确有一定的清洁作用，但仅限于积碳不严重且有连续使用的情况。燃油添加剂对不同车型的作用也有差异。

3 积碳预防和处理方法

积碳是发动机运转过程中的产物，与发动机是共存的关系，无法完全消除也不能完全阻止其形成，预防和处理只能延缓形成和阶段性清洁。但对积碳的干预是有必要的，某4S店曾对一辆行驶了4万km的家用小型轿车进行了积碳清洗，结果显示尾气的CO含量降低96%，NOx含量降低56%，HC含量降低78%，发动机燃烧更充分，动力提升效果明显，体感上油门变得轻快，加速效果较以前有改善，发动机振动杂音有明显降低[3]。

3.1 积碳预防方法

首先，要杜绝使用来源不明或者质量低劣的汽油和机油，这是预防措施的基石。积碳的增多伴随着多种症状，在用车过程中需要留意汽车的某些异常情况，倘若出现如下情况，须及时检查：机油消耗速度过快、尾气颜色异常、发动机行驶过程中抖动增大、异响增多等，这些都有可能是积碳积累过多导致的故障显现。

其次，要避免短时间、短途、低水温的行驶。发动机在刚启动冷车和怠速阶段，为了保证尽快升温和润滑，都处在富油运行的状态，其大量喷油，燃烧都是不充分的，这种工况下燃烧室就是一个积碳大量形成的空间。如果行驶的里程太短，发动机尚未进入工作温度，刚刚形成的积碳还没来得及被冲刷掉就结束了运行，久而久之积碳就异常增多，还会出现机油乳化等其他故障。

还要留意避免长时间在低速、小油门开度的情况下行驶，这种工况下节气门开度比较小，负荷率比较低，发动机也是富油运行，不仅油耗增加，更是积碳形成的有利条件。倘若有条件的话，要让发动机跑跑高速，在合适情况下油门开度大于2/3来行驶一下，让喷油和进排气系统高负荷运转，尽可能冲刷掉一些不严重的积碳层。建议直喷发动机将转速维持在3 000转以上，维持一定时间可以冲刷掉一定量的积碳。不建议在空挡状态进行或者单独踩油门，有可能加剧积碳的形成。

除用车习惯影响积碳的形成外，可以考虑使用好的燃油添加剂。据台架试验和实车试验，使用定量的燃油添加剂在一定工况下至高可以获得4.47%的油耗降低[4]。燃油添加剂通过改善燃油杂质的不稳定性，阻碍杂质吸附在发动机零部件上达到清洁的目的，建议每2 000～5 000 km为一个周期来使用。注意，如果汽车已经形成了较为严重的积碳，使用燃油添加剂清洗出来的积碳过多可能造成三元催化器堵塞；同时，燃油添加剂只能清理燃油流经的喷油嘴和燃烧室内部的积碳，进气部分的积碳就无法清理。

进气部分积碳主要来源是PCV系统和EGR系统，PCV系统能做的就是定期检查PCV阀门的工作情况，也可以考虑使用机油透气壶或者油水分离器。机油透气壶是一种能将PCV系统排出来的废气里面的机油汽油颗粒拦截下来，只留气体通过的装置。如某品牌发动机的油水分离器效果较差，导致该发动机积碳问题严重，此时可以考虑更换更好的油水分离器，将PVC排出来的废气中的机油汽油颗粒物拦截下来，抑制积碳的产生[5]。注意，加装机油透气壶需要定时检查储液罐里面过滤出来的机油量并及时清理，否则会被反过来吸进发动机造成故障。EGR系统是因为环保要求而增设，理论上拆除它对发动机运行不会有影响，但尾气的污染会增加，新法规下的车型可能会因为尾气传感器数据有误而报故障码，故最好不要拆除。