發動機EGR管路沉積物的形成研究

曹東冬　陽培

摘 要：本文講述了發動機EGR管路沉積物組成以及對其整機性能的影響，分析了沉積物的形成機理。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、機油等的物理化學性質也是沉積物形成的重要因素，同時也是EGR管路沉積物的成形來源。另外發動機運行工況對EGR管路沉積物的形成也有一定的影響。

關鍵詞：EGR管路;沉積物成分;形成因素

1 引言

當前社會能源和環境問題日益嚴重，各國汽車制造廠家都在開發研究動力新技術，為了適應更加嚴格的排放法規，近年來發動機缸內直噴技術，廢氣再循環利用（EGR）技術便成為汽車發動機的一個發展方向。當前國內外汽車公司都有比較成熟的GDI發動機產品，但新的問題亦出現，那就是發動機工作過程中的沉積物會影響其自身的性能，所以就需要對發動機工作過程中產生的沉積物加以研究，分析沉積物的形成機理，盡量減少沉積物的生成。

根據沉積物的熱分析，可將其分為五種類型。易揮發物質;易聚合、降解物質;氧化產物;碳化產物;灰分等5類。沉積物的狀態：溫度較低時它會以液態或膠質的形式存在;溫度高時碳化過程加快變成堅硬多孔的黑色物質，俗稱積碳。通常上述的5種類型是同時存在的，但各類型沉積物的比例會隨發動機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。

對直噴發動機沉積物的研究國外相對很多，而國內則主要集中在PFI發動機沉積物上面。本文在前人研究工作基礎上，詳細地總結了GDI與PFI形成沉積物的差別。提出了GDI發動機EGR管路沉積物的形成機理、以及形成因素，這里需要強調的是沉積物形成過程相當復雜，影響因素也頗多[1-3]，故具體問題要具體分析。

2 沉積物的形成機理

在發動機運行過程中，EGR管路氣體溫度變化范圍較大，管路中機油氧化物和碳煙的含量相對增多，導致EGR管路中沉積物的含量增加。另外EGR管路中氣體揮發性物質的濃縮以及雜質顆粒物的沉積，也是沉積物形成的來源，所以說EGR管路內沉積物的形成機理非常復雜，在這里主要以積碳為例來研究。

2.1 積碳的成分

積碳的成分和性質隨發動機工作狀況其形態各異，由于機件表面溫度、燃料及機油性質和空氣中雜質等原因[3-5]，即便同一燃燒室，不同零件及部位上積碳的性質和成分亦不完全相同。通常其化學成分有以下物質：燃料燃燒生成的碳質沉積物[6，7];燃料中的硫元素與金屬反應生成的硫酸鹽;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;運動件磨損的微量金屬屑等等。本文研究的四沖程發動機行駛2×104Km，各部件積碳的元素分析結果如表1所示。

柴油機和汽油機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 積炭的形成機理

汽油機EGR管路內積炭的形成過程及機理如圖2所示：剛起動發動機，EGR管路溫度較低，混合氣及少量潤滑油受燃氣熱量的作用，發生一系列復雜化學反應，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]。漆狀物導熱性能差，汽油的尾餾成分不易凝結。嗅化鉛和氯化鉛隨之蒸發，但耐熱的鉛及其它金屬化合物跟著形成。當發動機工作溫度正常后，易揮發性物質漸失，熱穩定性高的物質增多。當沉積物在EGR管路中達到某一厚度，即使冷起動，EGR管路表面溫度上升很快。故管路表層不再有揮發性產物及碳煙，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，由于發動機機械震動和熱應力的作用，管壁上的沉積物有碎裂剝落的可能。當發動機熄火時，也有沉積物會吸水潮解而隨之脫落。也就是說沉積物的形成和消失同時發生，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，首先發動機的運行參數：轉速和負荷，進氣溫度，冷卻液溫度，壓縮比，空燃比，點火提前角以及EGR管路表面材料等。其次是燃料品質，機油，燃油添加劑等[10-12]。本文著重對以下影響因素進行研究：

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管路中燃油的蒸發條件以及與此相關的沉積物形成因素。在熱學條件下對燃油蒸發過程進行了試驗研究如圖3所示。得出結論：溫度會影響EGR管路沉積物的位置和形狀，且管路溫度達180℃的時有結焦現象，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EGR管路沉積物也有非常明顯的影響，在形成沉積物的同時對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，膠質恰恰也是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%。試驗發現應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大幅增加沉積物的生成量。

3.3 機油因素

機油主要由基礎油及各種添加劑組成，添加劑主要有分散劑、清凈劑、機壓抗磨劑、抗氧抗腐劑、摩擦改進劑和油性劑、金屬減活劑和抗氧劑、降凝劑、粘度指數改進劑、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增加劑等都能促進沉積物的形成，相反高沸點基礎油則有保潔作用。故機油的調配對EGR管路沉積物的生成有重要影響。

本試驗采用了三種黏度級數的機油：SAE5W-30，SAE10W-30和SAE15W-40.結果顯示采用SAE15W-40的機油，EGR管路產生的沉積物最少。通過試驗說明采用高黏度的機油相對低黏度機油EGR管路的沉積物會相對減少。

3.4 運行工況

在采用相同燃料和機油的情況下，改變發動機的運行負荷。本試驗中不論負荷怎么變化，都要盡量保證混合氣濃度在理論空燃比附近，進氣管壓力和點火正時可做相應變化。沉積物生成量的變化是EGR管路壓力的函數。在中等負荷下，沉積物質量達到最高。

4 結論

（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生沉積物。調配適度的機油能降低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管路結構、發動機參數等，也對沉積物的生成有影響。

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

基金項目：畢節市科學技術局聯合基金資助項目ZY[2017]04號。

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