汽车发动机积碳形成机理与清洗维修技术研究

1. 发动机积碳形成机理

1.1 燃油不完全燃烧的化学过程

发动机积碳核心源于燃油在气缸内未完全氧化。高温富氧条件下，碳氢化合物热裂解产生游离碳原子和小分子烃类。混合气过浓或燃烧室湍流不足时，局部缺氧导致裂解产物聚合，形成 0.1～1μm 碳烟颗粒。未燃 HC包裹颗粒形成黏附性胶质物，在进气门、活塞顶面累积。实验显示空燃比低于14.7:1 时碳烟生成量指数增长，构成积碳物质基础。

1.2 机油窜入燃烧室的物理沉积

曲轴箱通风系统失效或活塞环张力衰退导致机油蒸汽窜入燃烧室。压缩行程中，高温燃气通过活塞环间隙倒灌曲轴箱，携带金属磨屑的机油蒸汽在进气门背部冷凝。涡轮增压发动机因增压压力波动加剧气门油封老化，机油渗入量增加 3\~5 倍。冷凝机油组分在 300～400^∘C 环境下热氧化生成沥青质沉积物，与燃油裂解产物形成复合积碳层。

1.3 燃烧室高温固化催化作用

燃烧室金属表面对积碳形成有双重催化作用：表面粗糙度 Ra>0.8μ m时，金属离子通过化学吸附促进碳烟颗粒附着；高温环境下沉积物有机成分发生脱氢缩合反应，形成三维网状硬质积碳。

2. 积碳检测与诊断技术

2.1 非侵入式检测方法

工业内窥镜通过直径 4mm 的耐热探头，可直观获取燃烧室三维形貌，结合图像处理算法可实现积碳覆盖率量化。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术利用脉冲激光烧蚀沉积物，通过等离子体光谱特征识别积碳成分。某检测设备实现 0.1 秒内完成 Fe、Ca、P 等元素定量分析，与实验室 ICP-AES结果误差 <5‰

2.2 油液金属元素检测

发动机润滑油中Fe、Cu、Pb 元素含量与积碳剥落存在强相关性。某研究建立数学模型：积碳剥落量 ，模型决定系数 R²=0.92 。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）可检测至 ppb 级金属元素，结合油液更新周期，可反演积碳生成速率。

2.3 尾气排放数据反演

建立 CO/HC 排放浓度与燃烧室积碳量的非线性映射模型。某 2.0L 自然吸气发动机测试表明，当进气门积碳厚度超过 0.15mm 时，怠速 CO 排放量上升 18‰ 。通过支持向量机（SVM）算法训练的预测模型，在台架试验中实现积碳量预测误差 <10% ，为免拆诊断提供新途径。

3. 物理清洗技术

3.1 干冰喷射清洗工艺

干冰颗粒以 300～500m/s 速度撞击积碳层时，产生- .78.5^∘C 低温使沉积物骤冷收缩。热应力导致积碳与基体间结合强度下降 60%～70% ，同时干冰升华体积膨胀 800 倍形成微爆炸效应。通过正交试验优化喷嘴距离、喷射角

度和干冰粒径，可实现进气门背部积碳清除率达 92% 以上，且对铝制部件无热损伤。

3.2 核桃砂清洗设备设计

采用三级粒径分级系统，将核桃壳颗粒按 0.6～1.2mm 粒径分级。气动输送系统设计压力 0.6～0.8MPa ，通过文丘里管实现砂粒加速。实验表明，1.0mm 粒径砂粒在 0.7MPa 压力下，可有效清除活塞环槽积碳而不损伤镀铬层。设备配备双级旋风分离器，实现砂粒回收率 295‰

3.3 超声波清洗装置开发

选用 28kHz/40kHz 双频复合振动系统，换能器采用环形阵列布局，功率密度控制在 0.5～0.8W/cm² 。在专用清洗液中，超声波空化效应产生的微射流速度可达 100m/s ，可清除喷油器 0.15mm 孔径内的积碳堵塞。温度控制系统维持液温 40～50^∘C ，避免空化阈值上升导致的清洗效率衰减。

4. 化学清洗技术

以聚醚胺（PEA）为主剂，通过环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚合成，分子量控制在 1500～2000Da 。复配胺类抗氧剂（ 0.5% ）和破乳剂（ 0.2% ），在台架试验中使燃烧室积碳生成量减少 68‰ 。某市售添加剂实测显示，连续使用5 箱油后，进气阀积碳清除率达 83‰

采用二乙二醇丁醚（ 30% ）作为主溶剂，复配脂肪醇聚氧乙烯醚（ 5% ）表面活性剂。通过 HLB 值匹配技术，使清洗剂在 50^∘C 时表面张力降至25mN/m 以下。

自主研发5kW 级电解水制氢装置，产氢纯度达 99.9‰ 。将氢氧混合气（体积比 2:1）导入燃烧室，在 650^∘C 条件下使积碳中的碳质组分发生气化反应： C+H2OCO+H2o 。某2.0T 发动机试验显示，2 小时处理可使活塞顶面积碳厚度减少 0.12mm ，同时尾气 CO 浓度下降 42‰

5. 维修工艺与效果评估

采用无线缸压传感器采集压缩上止点压力曲线，通过傅里叶变换提取高频分量特征。使用白光干涉仪测量清洗后表面形貌，当 Ra 值控制在0.2～0.4μm 区间时，再积碳速率最低。建立 3 万公里整车道路试验规范，每5000 公里采用内窥镜检测积碳厚度。

试验车辆在清洗后 1.5 万公里内积碳再生量低于 0.05mm ，2.5 万公里时积碳厚度仍控制在临界值（ 0.2mm ）以下，证明综合清洗工艺具有18 个月以上的有效周期。

参考文献

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2 袁杰,周云龙.积碳对发动机性能的影响及处理分析[J].现代工业经济和信息化,2020,10(8):84-86.

3 蒋晶,申会明,何依航.汽车发动机积碳处理新技术方法的探讨[J].装备制造技术,2017(4):155-157.