發(fā)動(dòng)機(jī)EGR管路沉積物的形成研究

曹東冬　陽培

摘 要：本文講述了發(fā)動(dòng)機(jī)EGR管路沉積物組成以及對(duì)其整機(jī)性能的影響，分析了沉積物的形成機(jī)理。研究表明，在EGR管路沉積物的形成過程中，EGR管路的表面溫度是沉積物形成最重要的外部因素，燃油及其添加劑、機(jī)油等的物理化學(xué)性質(zhì)也是沉積物形成的重要因素，同時(shí)也是EGR管路沉積物的成形來源。另外發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)EGR管路沉積物的形成也有一定的影響。

關(guān)鍵詞：EGR管路;沉積物成分;形成因素

1 引言

當(dāng)前社會(huì)能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，各國汽車制造廠家都在開發(fā)研究動(dòng)力新技術(shù)，為了適應(yīng)更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，近年來發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)，廢氣再循環(huán)利用（EGR）技術(shù)便成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。當(dāng)前國內(nèi)外汽車公司都有比較成熟的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，但新的問題亦出現(xiàn)，那就是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的沉積物會(huì)影響其自身的性能，所以就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的沉積物加以研究，分析沉積物的形成機(jī)理，盡量減少沉積物的生成。

根據(jù)沉積物的熱分析，可將其分為五種類型。易揮發(fā)物質(zhì);易聚合、降解物質(zhì);氧化產(chǎn)物;碳化產(chǎn)物;灰分等5類。沉積物的狀態(tài)：溫度較低時(shí)它會(huì)以液態(tài)或膠質(zhì)的形式存在;溫度高時(shí)碳化過程加快變成堅(jiān)硬多孔的黑色物質(zhì)，俗稱積碳。通常上述的5種類型是同時(shí)存在的，但各類型沉積物的比例會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和其工況而變化，EGR管路不同位置處沉積物其外觀各異，如圖1所示。

對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)沉積物的研究國外相對(duì)很多，而國內(nèi)則主要集中在PFI發(fā)動(dòng)機(jī)沉積物上面。本文在前人研究工作基礎(chǔ)上，詳細(xì)地總結(jié)了GDI與PFI形成沉積物的差別。提出了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)EGR管路沉積物的形成機(jī)理、以及形成因素，這里需要強(qiáng)調(diào)的是沉積物形成過程相當(dāng)復(fù)雜，影響因素也頗多[1-3]，故具體問題要具體分析。

2 沉積物的形成機(jī)理

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，EGR管路氣體溫度變化范圍較大，管路中機(jī)油氧化物和碳煙的含量相對(duì)增多，導(dǎo)致EGR管路中沉積物的含量增加。另外EGR管路中氣體揮發(fā)性物質(zhì)的濃縮以及雜質(zhì)顆粒物的沉積，也是沉積物形成的來源，所以說EGR管路內(nèi)沉積物的形成機(jī)理非常復(fù)雜，在這里主要以積碳為例來研究。

2.1 積碳的成分

積碳的成分和性質(zhì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況其形態(tài)各異，由于機(jī)件表面溫度、燃料及機(jī)油性質(zhì)和空氣中雜質(zhì)等原因[3-5]，即便同一燃燒室，不同零件及部位上積碳的性質(zhì)和成分亦不完全相同。通常其化學(xué)成分有以下物質(zhì)：燃料燃燒生成的碳質(zhì)沉積物[6，7];燃料中的硫元素與金屬反應(yīng)生成的硫酸鹽;四乙鉛抗爆劑生成的鉛化合物;EGR管路氣體中灰、顆粒物形成的硅化合物;運(yùn)動(dòng)件磨損的微量金屬屑等等。本文研究的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)行駛2×104Km，各部件積碳的元素分析結(jié)果如表1所示。

柴油機(jī)和汽油機(jī)因燃料不同其積碳成分也不同，在此以汽油為燃料來加以研究。

2.2 積炭的形成機(jī)理

汽油機(jī)EGR管路內(nèi)積炭的形成過程及機(jī)理如圖2所示：剛起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，EGR管路溫度較低，混合氣及少量潤(rùn)滑油受燃?xì)鉄崃康淖饔茫l(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，在燃燒室壁以及EGR管路中形成樹脂。這些樹脂上粘附有炭、煙和少量氯化鉛，因有氯化鉛的存在從而形成漆狀物膜[8，9]。漆狀物導(dǎo)熱性能差，汽油的尾餾成分不易凝結(jié)。嗅化鉛和氯化鉛隨之蒸發(fā)，但耐熱的鉛及其它金屬化合物跟著形成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度正常后，易揮發(fā)性物質(zhì)漸失，熱穩(wěn)定性高的物質(zhì)增多。當(dāng)沉積物在EGR管路中達(dá)到某一厚度，即使冷起動(dòng)，EGR管路表面溫度上升很快。故管路表層不再有揮發(fā)性產(chǎn)物及碳煙，貼近金屬壁的是含炭及氯化鉛較多的沉積物，表層沉積物則是耐熱的硫酸鹽和氧化物。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械震動(dòng)和熱應(yīng)力的作用，管壁上的沉積物有碎裂剝落的可能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，也有沉積物會(huì)吸水潮解而隨之脫落。也就是說沉積物的形成和消失同時(shí)發(fā)生，積炭保持一定平衡也有可能，見圖2。

3 沉積物的形成因素

EGR管路沉積物有很多因素引起，首先發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，進(jìn)氣溫度，冷卻液溫度，壓縮比，空燃比，點(diǎn)火提前角以及EGR管路表面材料等。其次是燃料品質(zhì)，機(jī)油，燃油添加劑等[10-12]。本文著重對(duì)以下影響因素進(jìn)行研究：

3.1 溫度因素

沉積物形成的重要因素之一就是溫度，溫度導(dǎo)致了EGR管路不同部分沉積物的形成。溫度很大程度上決定了沉積物成分，溫度也導(dǎo)致沉積物的形狀以及在管路中的不同位置。溫度是EGR管路沉積物形成最主要的外因[13，14]。本文研究了在EGR管路中燃油的蒸發(fā)條件以及與此相關(guān)的沉積物形成因素。在熱學(xué)條件下對(duì)燃油蒸發(fā)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究如圖3所示。得出結(jié)論：溫度會(huì)影響EGR管路沉積物的位置和形狀，且管路溫度達(dá)180℃的時(shí)有結(jié)焦現(xiàn)象，200～300℃溫度范圍沉積物生成較多，見圖3。

3.2 燃料因素

燃油對(duì)EGR管路沉積物也有非常明顯的影響，在形成沉積物的同時(shí)對(duì)沉積物也有一定的溶解作用[15，16]。烯烴、芳香烴和飽和烴是汽油主要成分，烯烴被氧化生成膠質(zhì)，膠質(zhì)恰恰也是EGR管路沉積物的主要成分。因汽油中烯烴含量較高，就容易生成沉積物。本研究采用了兩種油品的汽油：一種含烯烴量35%～40%，另一種烯烴含量13%～20%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用烯烴含量高的汽油，沉積物的生成量明顯大于烯烴含量低的汽油。這也就意味著增加燃料中烯烴的含量會(huì)大幅增加沉積物的生成量。

3.3 機(jī)油因素

機(jī)油主要由基礎(chǔ)油及各種添加劑組成，添加劑主要有分散劑、清凈劑、機(jī)壓抗磨劑、抗氧抗腐劑、摩擦改進(jìn)劑和油性劑、金屬減活劑和抗氧劑、降凝劑、粘度指數(shù)改進(jìn)劑、防銹劑和抗泡沫劑等。這些添加劑中，分散劑、清凈劑以及黏度VI增加劑等都能促進(jìn)沉積物的形成，相反高沸點(diǎn)基礎(chǔ)油則有保潔作用。故機(jī)油的調(diào)配對(duì)EGR管路沉積物的生成有重要影響。

本試驗(yàn)采用了三種黏度級(jí)數(shù)的機(jī)油：SAE5W-30，SAE10W-30和SAE15W-40.結(jié)果顯示采用SAE15W-40的機(jī)油，EGR管路產(chǎn)生的沉積物最少。通過試驗(yàn)說明采用高黏度的機(jī)油相對(duì)低黏度機(jī)油EGR管路的沉積物會(huì)相對(duì)減少。

3.4 運(yùn)行工況

在采用相同燃料和機(jī)油的情況下，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。本試驗(yàn)中不論負(fù)荷怎么變化，都要盡量保證混合氣濃度在理論空燃比附近，進(jìn)氣管壓力和點(diǎn)火正時(shí)可做相應(yīng)變化。沉積物生成量的變化是EGR管路壓力的函數(shù)。在中等負(fù)荷下，沉積物質(zhì)量達(dá)到最高。

4 結(jié)論

（1）EGR管路沉積物主要來自燃料，烯烴含量高的汽油則容易產(chǎn)生沉積物。調(diào)配適度的機(jī)油能降低EGR管路沉積物的生成，EGR管路的溫度是生成沉積物的主要外因。

（2）影響EGR管路沉積物的因素眾多，除本文研究的主要因素，EGR管路結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)等，也對(duì)沉積物的生成有影響。

（3）本研究的下一步任務(wù)就是提出EGR管路沉積物的評(píng)價(jià)體系，以及如何抑制EGR管路沉積物生成的控制措施。

基金項(xiàng)目：畢節(jié)市科學(xué)技術(shù)局聯(lián)合基金資助項(xiàng)目ZY[2017]04號(hào)。

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