积炭对发动机性能影响

一、燃油系统中积炭形成的原因
jM!Z;L3}fT&yK;P M    日常行驶和保养中的一些不正确操作都会造成积炭的快速形成，归纳起来主要有：发动机经常处于短时运行状态；长期在低温，低速状态下行驶；长期在高温，高速，超负荷状态下工作；发动机进气门油封不良；经常在灰尘较多的场所中运行；汽油标号低，发动机爆震；汽油中含有大量的水分和胶质。8848汽车技术网:[5G!hK`uz
    以上几种情况可以归结为两种原因：一种是与发动机运行工况相关的，如发动机经常处于短时运行或者超负荷运行等；另一种是与外部条件相关的，如燃油品质不好或者工作环境恶劣等。8848汽车技术网``1T4uFP-d
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    下面我们按照积炭形成的两种原因分别进行分析。
T4@ Id${R    第一种与发动机运行工况相关的情况，主要是因为当发动机长时间处于超负荷，发动机进气门油封不良，低温低速或者高温高速运行时，空燃比不能保证稳定在8848汽车技术网LY;q^h%p
14.7附近并且不能保证燃烧室中的混合气体完全燃烧，从而造成部分未燃烧的燃料以及渗入的润滑油在燃烧室中混合，同时会在发动机温度较低的部位，如活塞顶，喷油嘴，火花塞以及节气门内侧逐渐凝固成为固体，通过长期的积累便会形成积炭现象。8848汽车技术网A? \O%o0O0mDK,X
    第二种是与发动机所处的外部环境相关的，如燃油品质不好或者是工作环境恶劣等。对于燃油品质不好的情况其实与上面的第一种情况非常相似。因为空燃比是按照空气与燃油的体积比值进行计算的，如果燃油品质不好，则在进入燃烧室燃油体积相同的情况下，实际可以燃烧的燃油体积比例下降，相当于造成空燃比升高，同时燃油中含有的杂质，胶质以及空气灰尘中的硅化物等在燃烧室中发生氧化，长期积累后同样在发动机中形成了积炭现象。8848汽车技术网5hxVW)T
二、积炭的组成成分以及元素8848汽车技术网 Wh.z |J
    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图1所示。
.Pq8t6Z| k图1 积炭中各种元素的质量百分比

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    从图1中的数据可以发现：金属元素中钙铁的含量较高，其中铁元素主要来自于机械磨损的铁屑和润滑油氧化产生的酸性产物以及硫酸等无机酸对于缸体的腐蚀；而钙元素主要来自于润滑油添加剂。另外，通过对积炭进行红外光谱分析发现：积炭中存在双官能团以及大量的极性集团，因此积炭为极性化合物。正因为如此，当汽车发动机中形成积炭之后，积炭的形成速度与未形成积炭时相比会增加许多。8848汽车技术网s%UL[,gI
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c)eErE*f"T三、积炭对汽车的影响8848汽车技术网8J5UP*a5lw
1. 积炭对动力性的影响8848汽车技术网tnu&z U
    对动力性的影响主要表现有：怠速不稳、高速失速；难启动、常熄火、动力下降；易爆震。积炭为什么会影响发动机的动力性呢？8848汽车技术网\?d`%fT
    首先，发动机进气道中的气体流动性能，可以影响到燃烧室中的湍流强度，火焰传播速度和燃烧速率以及燃烧持续时间，从而对发动机的动力性和经济性产生影响。当进气道中存在积炭现象时，会对进气道中气流的流动特性产生影响，通过上面的分析可以得出结论，必然会影响到发动机的动力性和经济性。8848汽车技术网 Il/YXg
    其次，由于积炭是热的不良导体，所以温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，从而最终提高了终燃混合气的温度；积炭本身占有一定的体积，因而提高了压缩比。其综合效果为沉积物的存在使得爆震倾向增加。8848汽车技术网 l#tx9j8G6Lr
    最后，因为积炭占据了燃烧室中一定的体积，在发动机功率不变的前提下，发动机的输出功率将会降低。在汽车行驶过程中，发动机功率和汽车的行驶的阻力功率总是平衡的。汽车的运动阻力所消耗的功率包括滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率以及加速阻力功率，而这些项直接对应的就是汽车动力性指标，所以会导致汽车的动力性能下降。
*\;Ht&\ _9kM Qd2. 积炭对经济性的影响
)@m#p#P0oO8w g V:FK    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。8848汽车技术网l9SY8{#ET yCh
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图2 发动机万有特性曲线8848汽车技术网4P l a]4o+i&n|p-k*r

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    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：

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:l`Hy6O!jJYA    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。8848汽车技术网4YD4o"ub,T’p
3. 积炭对汽车排放的影响
7Ph9WFV@w*v    积炭对汽车排放影响的直观表现在汽车冒黑烟。8848汽车技术网NJi"~xS
    燃油在燃烧室中被完全燃烧时，将只会产生二氧化碳和水。但是由于发动机燃烧时间极短，可燃混合气不是完全均匀，燃料的氧化反应不彻底，所以产生了不完全燃烧产物。一氧化碳是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的中间产物。产生碳氢化合物的主要途径有：在汽缸内燃烧过程中产生；从燃烧室通过活塞与汽缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气；从发动机和燃油系统等处蒸发产生的汽油蒸汽。氮氧化合物的主要来源是空气中的氮气。
O+UT^1KM    影响发动机排放性的因素很多，但是具体到积炭方面则主要是表现在过量空气系数对排放性的影响。由于发动机出现积炭层之后将会吸收部分燃油，从而导致进入燃烧室中的燃油减少，混合气体的浓度降低，影响到发动机的正常启动。此时，必须增加燃油的供给量以提高混合气体的浓度，实验证明当存在积炭现象的发动机启动时，燃烧室中的混合气浓度已经超过了正常的浓度标准，导致过量空气系数变小。图3为排气污染物与过量空气系数的关系图。从图3可以看出，在过量空气系数从大变小的过程中，氮氧化合物的变化趋势是逐渐减少，而一氧化碳和碳氢化合物的含量逐渐增加。
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图3 排气污染物与过量空气系数的关系

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    另外，由于积炭占用了燃烧室中的部分体积，从而导致了压缩比的提高，亦即燃烧室表面积和体积之比（面容比）增加，相对增加了激冷面积，增加了碳氢化合物的排放量。这种现象在发动机冷启动、怠速和暖机时对于碳氢化合物的排放量影响较大。同时压缩比的升高，使得最高燃烧温度增加，氮氧化物的排放量增加。

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