濰坊工程職業(yè)學(xué)院 李炳賢

增壓直噴發(fā)動機容易積碳原因分析及清除方法

濰坊工程職業(yè)學(xué)院 李炳賢

本文主要從積碳產(chǎn)生的原因分析了增壓直噴發(fā)動機比普通自然吸氣、歧管噴射發(fā)動機更容易形成積碳的原因以及積碳的清除方法。

積碳；直噴；增壓

近幾年，隨著環(huán)保政策越來越嚴格，世界各大汽車廠商紛紛采用小排量渦輪增壓發(fā)動機，為了提高動力，渦輪增壓發(fā)動機大多開始使用缸內(nèi)直噴技術(shù)，渦輪增加+缸內(nèi)直噴發(fā)動機在提高汽車動力的情況下，降低了對環(huán)境的污染，降低了燃油消耗，給廣大消費者帶來了福音。新技術(shù)給我們帶來便利的同時，也產(chǎn)生了相應(yīng)的問題，那就是渦輪增壓+缸內(nèi)直噴發(fā)動機比普通發(fā)動機更容易積碳，本文從結(jié)構(gòu)、原理方面分析了這類發(fā)動機容易產(chǎn)生積碳的原因及清除積碳的方法。

1 什么是積碳

積碳指的是燃燒后的殘留物，汽車在行駛過程中，燃油和潤滑油在高溫、氧化及不充分燃燒的情況下形成的。積炭主要分為氣缸外部的積炭和氣缸內(nèi)部的積炭。發(fā)動機工作時，燃油、少量的機油蒸汽和一些雜質(zhì)不能完全燃燒，在高溫作用下，未燃燒的的部分氧化形成膠質(zhì)黏附在進氣歧管、氣門、活塞和燃燒室表面，在經(jīng)過高溫作用進一步形成瀝青狀的物質(zhì)，這樣就形成了積炭。積炭附著在進氣管、氣門及燃燒室內(nèi)，對發(fā)動機的性能存在不良影響。

2 積碳產(chǎn)生的原因

2.1 燃油因素

燃油在提煉過程中，由于技術(shù)的原因，其中或多或少地含有一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在發(fā)動機工作時有些不能參與燃燒，雖然大部分被排除，但仍有殘留，還有一部分并不能充分燃燒，這些殘留物隨著發(fā)動機的工作不斷積累，附著在進氣管、氣門及燃燒室表面，形成積碳，影響發(fā)動機的正常工作。

2.2 曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)

發(fā)動機在正常工作時，為了維持活塞的正常運轉(zhuǎn)，曲軸箱內(nèi)空氣被強制排入進氣管。但由于曲軸箱存放大量機油，機油會隨著曲軸的轉(zhuǎn)動而被攪動，因此曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)在正常工作

從優(yōu)化結(jié)果分析得出，在載荷密度比較大的地方保留的材料比較多，能在保證結(jié)果強度的前提下最大限度減少材料。另外，在車身大梁分布的位置，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果也符合車身實際設(shè)計要求。

3 新能源客車結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析

新能源客車車身設(shè)計時應(yīng)注意把車身機構(gòu)盡量設(shè)計成一體，形成閉合空間，這樣不僅可以減少加工量還可以增強其結(jié)構(gòu)強度，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 新能源客車車身骨架結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，車身骨架形成一個緊密結(jié)合的整體，避免了應(yīng)力集中，增強了車身整體剛度，車架受力得到改善。

采用Hypermesh軟件對優(yōu)化后車身骨架進行靜強度分析，材料屬性及力學(xué)特性同表1，其中,車身結(jié)構(gòu)焊縫部分采用焊接單元模擬，分析結(jié)果為車身骨架最大應(yīng)力為153.5MPa，小于Q235材料所允許的屈服強度，車身最大變形為5.05mm，滿足設(shè)計需求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某新能源客車實際研究課題，采用拓撲優(yōu)化方法對其車身骨架進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計并對拓撲后車身結(jié)構(gòu)做屈曲強度分析，分析證明：拓撲后車身安全性良好，并且符合車身設(shè)計要求。

[1]田文華.華晨純電動全承載式公交客車的輕量化研究和設(shè)計[D].大連理工大學(xué),2015.

[2]黃成杰.承載式客車結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究[D].華南理工大學(xué), 2014.

[3]王超.電動客車鉚接車身骨架有限元分析及輕量化設(shè)計[D].合肥工業(yè)大學(xué),2015.

[4]焦洪宇,周奇才,李文軍,李英.基于變密度法的周期性拓撲優(yōu)化[J].機械工程學(xué)報,2013,13:132-1.

[5]王愛民,王旭,任慧龍,盧小龍.基于直接計算法的雙體船強度有限元分析[J].船海工程,2016,04:24-27+32.時，除了會把空氣排入進氣管內(nèi)，還會把一些機油或者夾在空氣里的機油蒸汽排入進氣管，這些機油會隨著高流量的空氣進入氣門頂部，由于靠近氣缸的地方溫度很高，機油容易在這里形成沉積，逐漸形成積碳。

2.3 外部環(huán)境

由于現(xiàn)在城市交通路況比較擁堵，車輛經(jīng)常處于走走停停的狀態(tài)，發(fā)動機經(jīng)常處于怠速狀態(tài)，或者北方冬天溫度較低，發(fā)動機經(jīng)常以濃混合氣狀態(tài)工作，造成汽油不完全燃燒，逐漸形成積碳。

2.4 發(fā)動機自身問題

發(fā)動機在停止運轉(zhuǎn)時，由于燃燒室溫度急劇降低，噴油器孔處的油滴不能完全蒸發(fā)，會吸附空氣中的雜質(zhì)，長時間積累會在噴孔處形成積碳；另一方面，發(fā)動機熄火瞬間，噴油器噴入燃燒室內(nèi)的汽油在高溫作用下會很快蒸發(fā)，但其中的膠質(zhì)物質(zhì)卻被吸附在汽缸表面和氣門頂部，日積月累形成積碳。

2.5 空氣質(zhì)量差

由于吸入的空氣中含有細小灰塵，汽車中雖有空氣濾清器，但無法全部濾除，伴隨汽油一起沖刷氣門背部，長時間沖刷造成細微劃痕。細小顆粒與來自曲軸箱的潤滑油儲存在劃痕中，在高溫下形成漆狀物，經(jīng)長時間積累，并混合燃油中的蠟等成分形成積碳。

3 增壓直噴發(fā)動機為什么比普通自然吸氣+歧管噴射的發(fā)動機更容易形成積炭

對于缸外噴射的發(fā)動機，進入進氣歧管的是空氣和燃油的混合氣，這一部分燃油會對進氣歧管及進氣門進行一定的沖刷，從而減少進氣管及氣門部位積碳的沉積。而對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機來說，由于進入進氣道的是純空氣，這樣就不能對進氣管及氣門進行沖刷，那么就更容易在進氣歧管及氣門頂部形成積碳。對渦輪增壓加缸內(nèi)直噴發(fā)動機來說，由于渦輪增壓的作用，從曲軸箱進入進氣道的空氣壓力更大，把更多的燃油及燃油蒸汽帶入進氣管中，在高溫作用下，在進氣歧管及氣門頂部形成更多積碳。

4 發(fā)動機積碳對汽車的危害

4.1 節(jié)氣門處的積碳

如果節(jié)氣門處積碳，會造成電腦接收錯誤信號，造成發(fā)動機怠速不穩(wěn)、油耗升高等問題。

4.2 氣門處積碳

氣門處積碳會造成氣門關(guān)閉不嚴，進氣量減少，造成發(fā)動機動力性能減弱，油耗增加。另一方面，節(jié)氣門處的積碳會吸附混合氣中的燃油，使原有的空燃比發(fā)生改變，造成發(fā)動機怠速不穩(wěn)、失火、冷啟動困難等問題。

4.3 燃燒室表面積碳

燃燒室表面積碳，會減小燃燒室的表面積，從而增大發(fā)動機的壓縮比，造成發(fā)動機爆震，同時積碳會使燃燒室溫度升高，造成早燃，影響發(fā)動機性能和使用壽命。

4.4 活塞積碳

活塞頂部積碳，會形成許多熾熱面，引起發(fā)動機早燃和爆燃，縮短發(fā)動機的使用壽命。活塞環(huán)內(nèi)積碳，會使活塞環(huán)背隙、邊隙變小，甚至無間隙；造成活塞環(huán)膠結(jié)失去彈性，甚至折斷活塞環(huán)而拉缸。

5 清除積碳的方法

5.1 化學(xué)清除法

化學(xué)清除積碳主要是使用燃油清潔劑。燃油清潔劑的主要成分是：聚醚胺、聚乙丁烯胺，其原理是利用極性基團將沉積物微小顆粒包圍起來，與汽油形成油溶性膠束分散到汽油中，隨汽油燃燒，實現(xiàn)清洗目的，利用非極性基團優(yōu)先吸附金屬表面，形成一層保護膜，防止沉積物在金屬表面黏附，保持清潔作用。燃油清潔劑對歧管噴射發(fā)動機效果非常明顯，不僅能清除氣缸內(nèi)部的積碳，對進氣歧管及氣門部位也有很好的清潔作用，但對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機來說，由于噴油器被布置在氣缸內(nèi)部，從進氣歧管進來的是純空氣，燃油清潔劑是混合在燃油中的，所以對缸內(nèi)直噴車型來說，燃油清潔劑只能清洗氣缸內(nèi)部的積碳，而對進氣管及氣門頂部的積碳無法清理。

5.2 物理清除法

對于積碳比較嚴重的發(fā)動機，使用燃油清潔劑效果并不明顯，只能借助工具進行刮除。節(jié)氣門和氣門積碳比較容易處理，拆解后，噴上清潔劑用毛巾擦除即可。對于氣缸內(nèi)的積碳，拆解后，利用鏟刀等工具對燃燒室表面、活塞環(huán)槽表面的積碳予以鏟除，這種方法雖然簡單有效，但是由于積碳附著在金屬表面比較牢固，在鏟除的過程中容易對氣缸造成損傷，而且對氣缸拆解后，由于技術(shù)原因，密封性沒有出廠時好，這些都會為發(fā)動機性能造成不良影響，因此一般不建議采用此種方法。

6 結(jié)語

增壓直噴發(fā)動機是各大汽車廠商主推的技術(shù)，但這種發(fā)動機非常容易形成積碳，因此很多汽車廠家開始采用混合噴射，從源頭抑制積碳的產(chǎn)生。

參考文獻：

[1]張宏洲,廖銀生,李傳寶.增壓直噴發(fā)動機積碳形成機理及對策[J].汽車技術(shù),2013,10:30-34.

[2]劉浩.汽車發(fā)動機積碳分析及控制措施[J].汽車實用技術(shù), 2014,10:7-10.