汽車發(fā)動機積碳的成因及處理方法研究

陳澤健 蘇財茂

（嶺南師范學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 湛江 524000）

0 引言

數(shù)據(jù)顯示，目前我國各類汽車保有量超過4.2億輛，汽車業(yè)已成為生產(chǎn)生活中不可或缺的工具。汽車使用一段時間后，性能會出現(xiàn)一定程度的下降。排除各方面的磨損消耗，汽車發(fā)動機里的積碳是影響性能的主要因素之一。積碳的產(chǎn)生原因復(fù)雜多樣，它對汽車運行所造成的后果主要體現(xiàn)在動力衰退、啟動困難或啟動后怠速不穩(wěn)、發(fā)動機抖動等，嚴重時會造成發(fā)動機爆振或氣缸拉缸。

1 積碳與積碳成因分析

積碳是汽油發(fā)動機工作時，汽油和機油中含有的烯烴、芳烴等碳氫化合物，以及石蠟、雜質(zhì)等無法被完全燃燒分解，而在發(fā)動機部分區(qū)域產(chǎn)生的沉積物；它是具有吸油特性的膠狀殘留物混合空氣中或其他來源的雜質(zhì)，形成的一種膠狀或樹脂狀的黏稠物。積碳主要存在于發(fā)動機氣門、節(jié)氣門、氣缸頂部、活塞頂部和活塞環(huán)、火花塞和噴油嘴以及進氣歧管襯墊、排氣管消聲器內(nèi)[1]。

積碳按性質(zhì)可以分為油泥沉積物和碳化沉積物兩種類型。

1）油泥沉積物。油泥沉積物主要見于進氣歧管及其附屬配件，如節(jié)氣門和氣門桿背部，也被稱之為進氣道積碳；不直接接觸發(fā)動機的燃燒，雜質(zhì)主要為油水混合物，性狀呈膠質(zhì)，附著不嚴密。這些來源于燃燒室外部的積碳，直接影響的是PCV（Positive Crankcase Ventilation，曲軸箱強制通風(fēng)）和EGR（Exhaust Gas Re-circulation，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）。

發(fā)動機內(nèi)部主要由燃燒室和燃燒室下方的曲軸箱兩個腔體組成。曲軸箱并非完全密封，所以燃燒室里總有一小部分未燃燒的汽油顆粒泄漏到曲軸箱內(nèi)，箱內(nèi)的溫度和壓力是隨時變化的，所以需要一套通風(fēng)系統(tǒng)平衡曲軸箱產(chǎn)生的壓力差。當(dāng)曲軸箱內(nèi)部壓力過大，多余的壓力就通過單向的PCV閥泄壓到進氣道內(nèi)。曲軸箱內(nèi)儲存的機油因為高壓高溫的環(huán)境有一部分氣化變成機油顆粒，這部分汽油和機油也隨著曲軸箱釋放的壓力一起被排進進氣歧管，重新進入發(fā)動機燃燒，就會在進氣門的背面形成油泥沉積物。附著在進氣門背面的積碳更常見于使用了缸內(nèi)直噴的車型，如果是歧管噴射的話噴油嘴位于氣門的上方，噴油的時候直接沖刷氣門的背面，油泥不能輕易沉積。

EGR系統(tǒng)是把已經(jīng)燃燒過的廢氣在適當(dāng)?shù)臅r候抽出一部分重新送入進氣道參與燃燒，達到限制氣缸內(nèi)新鮮空氣的含量來控制燃燒的規(guī)模、降低缸內(nèi)溫度、減少尾氣氮氧化物排放的目的。而尾氣中未燃燒完全的汽油顆粒和燃燒過后的固體顆粒，就是俗稱的PM級污染物，也被重新送進進氣道，在進氣歧管、氣門背面和節(jié)氣門沉積形成積碳。

2）碳化沉積物。碳化沉積物主要見于氣缸內(nèi)壁和火花塞噴油嘴等部位，也被稱之為燃燒室積碳；由于直接接觸發(fā)動機燃燒過程，高溫高壓的灼燒使不斷沉積的雜質(zhì)碳化，性狀格外堅硬。碳化沉積物形成過程復(fù)雜且不穩(wěn)定，主要成分是機油和汽油的雜質(zhì)，各類汽油和機油濾清器都無法將油液中的雜質(zhì)完全過濾。雜質(zhì)和發(fā)動機活塞、氣缸在工作中摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑混合在一起，在燃燒室內(nèi)部高溫高壓下形成一種類似碳化層的物質(zhì)，附著在氣缸壁、活塞頂部、氣門頂部、火花塞和噴油嘴等處。

除以上基于發(fā)動機正常工作所形成的積碳外，當(dāng)發(fā)動機零部件出現(xiàn)故障的時候也有可能產(chǎn)生積碳。如氣門油封漏油，機油直接滴漏到氣門的背部形成油泥；活塞環(huán)的密封不嚴造成發(fā)動機曲軸箱廢氣竄氣漏氣等，導(dǎo)致過多的油脂顆粒出現(xiàn)在曲軸箱并上竄到燃燒室；或者發(fā)動機某些零部件有先天的設(shè)計缺陷等[2]。

2 積碳的危害及對其認知的誤區(qū)

2.1 積碳的危害

發(fā)動機積碳的危害主要體現(xiàn)在兩個層次：性能下降以及舒適度降低，和發(fā)動機零部件或發(fā)動機本體損壞。不同部位的積碳對汽車的使用影響也不一樣，一般在發(fā)動機進排氣系統(tǒng)里，越靠近發(fā)動機缸體的積碳造成的影響越大，在排氣中尾段，若三元催化器被積碳堵塞，影響也很嚴重。

1）舒適性與性能影響。積碳對性能影響一般體現(xiàn)為：節(jié)氣門的積碳使節(jié)氣門運動不靈活或者節(jié)氣門關(guān)閉不嚴密，導(dǎo)致發(fā)動機怠速不穩(wěn)以及啟動時空燃比不正確，造成啟動困難等現(xiàn)象?；鸹ㄈe碳降低了火花塞的點火效率，影響正常的點火啟動，表現(xiàn)為冷車啟動困難，更影響行駛中的提速發(fā)力。如果是歧管噴射的車型，進氣門背部存在積碳的話，積碳會吸附一部分汽油，造成混合氣過稀，發(fā)動機啟動困難，怠速不穩(wěn)。當(dāng)發(fā)動機活塞頂部存在積碳，就會占據(jù)一部分燃燒室空間，如單一燃燒室總?cè)莘e500 mL，活塞上止點容積50 mL，壓縮比是10:1。如果積碳占據(jù)了5 mL的容積，壓縮比就變成了495/45=11。積碳的存在使得壓縮比增大，積碳越多，壓縮比越大，導(dǎo)致當(dāng)活塞還沒有運行到上止點的時候，就有部分混合氣因為壓力過大發(fā)生自燃的現(xiàn)象，稱為發(fā)動機爆振，爆振會伴隨著發(fā)動機輸出動力下降和抖動。

2）發(fā)動機危害。積碳甚至?xí)p壞發(fā)動機硬件，如進氣門背面的積碳會導(dǎo)致發(fā)動機進氣不順暢，降低進氣效率，使動力下降，倘若積碳進一步增多將導(dǎo)致氣門密封不好，缸壓降低。而氣門背面的積碳如果掉進發(fā)動機氣缸的內(nèi)部，會造成氣缸壁拉傷。

活塞環(huán)上的積碳會堵死活塞環(huán)和活塞環(huán)槽之間的空隙，最終導(dǎo)致卡死活塞環(huán)，沒有冗余空間，無法自由轉(zhuǎn)動，這樣會造成在上方的兩個氣環(huán)不能有效密封燃燒室，導(dǎo)致燃燒室里高壓的氣體竄入曲軸箱中（俗稱竄氣），導(dǎo)致缸壓降低，曲軸箱里的壓力會越來越大，就會有越來越多的曲軸箱氣體被排放到進氣歧管里，又會加劇進氣部分的積碳情況，形成惡性循環(huán)。若油環(huán)卡死在環(huán)槽內(nèi)，那油環(huán)就不能把氣缸壁上的機油及時徹底刮回曲軸箱，導(dǎo)致燒機油，而燒機油持續(xù)又會反過來加劇氣缸內(nèi)的積碳情況。

缸內(nèi)直噴的車型，噴油嘴直接接觸燃燒，積碳會附著在噴油嘴頭部，輕則造成燃油霧化不均勻、軌跡分叉等，重則積碳進入到噴油嘴閥門和本體之間的空隙，卡住閥門，導(dǎo)致噴油嘴關(guān)閉不嚴，造成燃油滴漏，油耗增加，甚至發(fā)動機淹缸、失火。

2.2 積碳認知誤區(qū)

目前，人們對積碳的認知主要存在如下誤區(qū)：

誤區(qū)一：多跑高速能吹走進氣道內(nèi)的積碳。空氣進入發(fā)動機內(nèi)部，要經(jīng)過空氣濾芯、節(jié)氣門等部件。首先空氣濾芯就像一個口罩，通過空氣濾芯的空氣流量和流速都有很大的下降；再者節(jié)氣門是發(fā)動機電子控制單元根據(jù)汽車的油門開度和發(fā)動機當(dāng)下的車速工況來自主控制開度，發(fā)動機需要多少空氣就提供多大的開度以達到合理的空燃比，所以空氣的流量、流速和車速沒有必然的聯(lián)系。能清積碳的要素是高發(fā)動機轉(zhuǎn)速而不是高車速，現(xiàn)在汽車變速箱的齒傳動比已能將法定限速內(nèi)的轉(zhuǎn)速限制在2 000轉(zhuǎn)以下，清理積碳的效果微乎其微。跑高速只能做到發(fā)動機工作在熱值最大、效率最高的區(qū)間，以延緩積碳的形成。

誤區(qū)二：發(fā)動機積碳是故障的起因，正常產(chǎn)生的積碳量不會對汽車的運行造成影響。能造成影響的積碳是異常增多或出現(xiàn)在本不應(yīng)出現(xiàn)的位置，這主要包括兩種情況：一是發(fā)動機本身故障導(dǎo)致的積碳異常增多，如活塞環(huán)密封不嚴、汽車自身設(shè)計有缺陷等；二是車主用車方法不當(dāng)或疏于保養(yǎng)，以及自身駕駛習(xí)慣的差異等，導(dǎo)致積碳不正常增加，誘發(fā)其他故障?？梢姡e碳不是故障的成因而本身就是故障，然后成為其他故障的誘因。

誤區(qū)三：燃油添加劑評價片面。市面上燃油添加劑一類產(chǎn)品性能參差不齊，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一標(biāo)準。燃油添加劑對參與燃燒部位積碳確有一定的清潔作用，但僅限于積碳不嚴重且有連續(xù)使用的情況。燃油添加劑對不同車型的作用也有差異。

3 積碳預(yù)防和處理方法

積碳是發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中的產(chǎn)物，與發(fā)動機是共存的關(guān)系，無法完全消除也不能完全阻止其形成，預(yù)防和處理只能延緩形成和階段性清潔。但對積碳的干預(yù)是有必要的，某4S店曾對一輛行駛了4萬km的家用小型轎車進行了積碳清洗，結(jié)果顯示尾氣的CO含量降低96%，NOx含量降低56%，HC含量降低78%，發(fā)動機燃燒更充分，動力提升效果明顯，體感上油門變得輕快，加速效果較以前有改善，發(fā)動機振動雜音有明顯降低[3]。

3.1 積碳預(yù)防方法

首先，要杜絕使用來源不明或者質(zhì)量低劣的汽油和機油，這是預(yù)防措施的基石。積碳的增多伴隨著多種癥狀，在用車過程中需要留意汽車的某些異常情況，倘若出現(xiàn)如下情況，須及時檢查：機油消耗速度過快、尾氣顏色異常、發(fā)動機行駛過程中抖動增大、異響增多等，這些都有可能是積碳積累過多導(dǎo)致的故障顯現(xiàn)。

其次，要避免短時間、短途、低水溫的行駛。發(fā)動機在剛啟動冷車和怠速階段，為了保證盡快升溫和潤滑，都處在富油運行的狀態(tài)，其大量噴油，燃燒都是不充分的，這種工況下燃燒室就是一個積碳大量形成的空間。如果行駛的里程太短，發(fā)動機尚未進入工作溫度，剛剛形成的積碳還沒來得及被沖刷掉就結(jié)束了運行，久而久之積碳就異常增多，還會出現(xiàn)機油乳化等其他故障。

還要留意避免長時間在低速、小油門開度的情況下行駛，這種工況下節(jié)氣門開度比較小，負荷率比較低，發(fā)動機也是富油運行，不僅油耗增加，更是積碳形成的有利條件。倘若有條件的話，要讓發(fā)動機跑跑高速，在合適情況下油門開度大于2/3來行駛一下，讓噴油和進排氣系統(tǒng)高負荷運轉(zhuǎn)，盡可能沖刷掉一些不嚴重的積碳層。建議直噴發(fā)動機將轉(zhuǎn)速維持在3 000轉(zhuǎn)以上，維持一定時間可以沖刷掉一定量的積碳。不建議在空擋狀態(tài)進行或者單獨踩油門，有可能加劇積碳的形成。

除用車習(xí)慣影響積碳的形成外，可以考慮使用好的燃油添加劑。據(jù)臺架試驗和實車試驗，使用定量的燃油添加劑在一定工況下至高可以獲得4.47%的油耗降低[4]。燃油添加劑通過改善燃油雜質(zhì)的不穩(wěn)定性，阻礙雜質(zhì)吸附在發(fā)動機零部件上達到清潔的目的，建議每2 000～5 000 km為一個周期來使用。注意，如果汽車已經(jīng)形成了較為嚴重的積碳，使用燃油添加劑清洗出來的積碳過多可能造成三元催化器堵塞；同時，燃油添加劑只能清理燃油流經(jīng)的噴油嘴和燃燒室內(nèi)部的積碳，進氣部分的積碳就無法清理。

進氣部分積碳主要來源是PCV系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)，PCV系統(tǒng)能做的就是定期檢查PCV閥門的工作情況，也可以考慮使用機油透氣壺或者油水分離器。機油透氣壺是一種能將PCV系統(tǒng)排出來的廢氣里面的機油汽油顆粒攔截下來，只留氣體通過的裝置。如某品牌發(fā)動機的油水分離器效果較差，導(dǎo)致該發(fā)動機積碳問題嚴重，此時可以考慮更換更好的油水分離器，將PVC排出來的廢氣中的機油汽油顆粒物攔截下來，抑制積碳的產(chǎn)生[5]。注意，加裝機油透氣壺需要定時檢查儲液罐里面過濾出來的機油量并及時清理，否則會被反過來吸進發(fā)動機造成故障。EGR系統(tǒng)是因為環(huán)保要求而增設(shè)，理論上拆除它對發(fā)動機運行不會有影響，但尾氣的污染會增加，新法規(guī)下的車型可能會因為尾氣傳感器數(shù)據(jù)有誤而報故障碼，故最好不要拆除。

3.2 積碳治理方法

清理積碳主要有拆機清洗和免拆機清洗兩種方法。拆機清洗是傳統(tǒng)方法，效果更為徹底，步驟更加煩瑣，如果不是氣缸深處的積碳一般不采用此方法。免拆機清洗法主要針對發(fā)動機零部件表面不太嚴重的積碳，主要有藥液清洗、核桃砂或者干冰刷洗等，以及目前較新的超聲波清碳法和高純氫除碳法等。

1）附著在節(jié)氣門上的積碳主要是油泥，拆出來刷洗即可；附著在進氣門背部的積碳可以使用核桃砂或者干冰清洗。

2）燃燒室內(nèi)部火花塞如果積碳不是特別嚴重，可以單獨清潔，否則應(yīng)更換火花塞。

3）噴油嘴和氣缸內(nèi)比較輕微的積碳可以通過使用積碳清洗劑（俗稱“打吊瓶”）來清洗，嚴重的應(yīng)該更換噴油嘴，并將活塞和缸蓋拆出來單獨清潔。如果活塞環(huán)積碳嚴重，只能考慮拆除更換，否則對活塞環(huán)積碳幾乎沒有效果。

4 結(jié)束語

發(fā)動機正常工作定會產(chǎn)生積碳，影響積碳產(chǎn)生的因素很多且不可控制。積碳是觀察汽車是否正常運行的特征，若要保證汽車工作良好，需要了解積碳的本身特質(zhì)，更好地應(yīng)對積碳問題，提升汽車使用體驗，減少污染物排放，延長發(fā)動機壽命。