1. 引言
发动机运行过程中存在不完全燃烧或燃烧不完全的情况，发动机运行时间增长，积碳将随之增多 [1] 。消除积碳可以提升发动机动力性能来降低油耗，改善燃油经济性 [2] 。常见的积碳清除方法分为两大类：机械清除法 [3] [4] 、化学清洗法 [5] 。机械清除法需要将发动机零部件拆解后，用机械刀具对零部件表面进行物理刮除 [3] ，对零件基体及表面存在潜在损伤。因此，化学清洗法成为研究的热点 [5] [6] [7] ，油路积碳清洗剂是较好的方式之一，它也是一种燃油添加剂 [8] 。燃油添加剂对于在用车辆的排气污染物降低具有较好的效果，但在燃油经济性方面的效果有待评价 [9] ；孟庆泉等人在船舶发动机上进行了长期实验，燃油添加剂与燃油的比值1 L:14.6 t的情况下，试验船相对省油1.4% [10] 。但不同的燃油添加剂对发动机性能的影响有所不同，部分添加剂对发动机零件存在腐蚀、效果不明等问题 [11] ，因此寻求合适的油路积碳清洗剂，并进行直观评价是研究的重点，本研究通过试验手段测试一种积碳清洗剂对发动机性能的影响，以期为实际使用提供实践应用基础。
2. 试验设备及方案
2.1. 试验设备
本试验测试对象是一台2019年产的第三代日产HR16小排量发动机，其与发动机测控系统、电涡流测功机、智能油耗仪、电喷发动机回油处理器等组装成试验台架见图1，设备的具体型号见表1。
Table 1. Table of the test equipment
表1. 试验设备表
2.2. 试验准备及方案
2.2.1. 试验准备
试验设备连接好确认安全无误之后，往空油箱中加入清洗剂，再把汽油加满，油路积碳清洗剂与燃油混合进入油箱，通过油泵进入油管、喷油嘴及燃烧室。清洗剂和汽油的比例为一支250 ml清洗剂适配50 L升汽油。为防止发动机在试验中出现故障，应该经过确认发动机起动运行台架能够正常起动后，再开始进行试验；使用一个瓶子用作储油器并通过接油管连接储油器上端和油箱，让油箱的油可以通过接油管进入储油器，储油器下端用接油管连接到智能油耗仪；通过接油管连接发动机与油耗仪；往油箱里加入试验所用汽油；准备就绪后，开始进行试验热机；完成全部前期准备工作并检查各项目符合试验安全注意事项的要求后，即可开始进行试验。
2.2.2. 试验方案
按照国家标准GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》进行，测量部位及精度遵循规定。通过发动机负荷特性试验、发动机速度特性试验、发动机循环工况试验、发动机双怠速工况测试等4种试验，每种试验分别针对无积碳清洗剂、有积碳清洗剂各进行3组测试降低测量误差，通过油耗量、油耗率评价清洗剂对发动机经济性的影响。
3. 积碳清洗剂对发动机经济性影响
3.1. 发动机负荷特性试验
测试发动机在800 r/min、1000 r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min之间，每个转速在不同负荷下的油耗变化，过程中数据采集的时间为5秒，试验重复三次并保存数据后终止无添加剂的发动机负荷特性试验。之后重复以上步骤，进行有添加剂的试验。
Figure 2. Diagram of comparison of fuel consumption in engine load characteristic test
图2. 发动机负荷特性试验油耗量对比
图2可知，无添加剂发动机负荷特性试验3次的油耗量最大值的平均值为2.113 kg/h、最小值的平均值为1.319 kg/h、整体平均值为1.716 kg/h。加入添加剂之后发动机负荷特性试验三次的油耗量最大值的平均值为1.924 kg/h、最小值的平均值为1.195 kg/h、整体的平均值1.542 kg/h。
油耗量最大值降幅为(2.113 − 1.924)/2.113 = 8.94%，即加入添加剂之后油耗量的最大值在原来的基础上下降了8.94%。油耗量最小值降幅为(1.319 − 1.195)/1.319 = 9.40%，即加入添加剂之后油耗量的最小值在原来的基础上下降了9.40%。油耗量平均值降幅为(1.716 − 1.542)/1.716 = 10.14%，即加入添加剂之后油耗量的平均值在原来的基础上下降了10.14%。
Figure 3. Diagram of comparison of fuel consumption rates in engine load characteristic test
图3. 发动机负荷特性试验油耗率对比
图3可知，无添加剂发动机负荷特性试验3次的油耗率最大值的平均值为379.667 g/kWh、最小值的平均值为335.733 g/kWh、整体平均值为361.307 g/kWh。加入添加剂之后发动机负荷特性试验3次的油耗率最大值的平均值为374.367 g/kWh、最小值的平均值为314.733 g/kWh、整体的平均值342.620 g/kWh。
油耗率最大值降幅为(379.667 − 374.367)/379.667 = 1.40%，即加入添加剂之后油耗率的最大值在原来的基础上下降了1.40%。油耗率最小值降幅为(335.733 − 314.733)/335.733 = 6.25%，即加入添加剂之后油耗率的最小值在原来的基础上下降了6.25%。油耗率平均值降幅为(361.307 − 342.620)/361.307 = 5.17%，即加入添加剂之后油耗率的平均值在原来的基础上下降了5.17%。从对比试验看，油耗量降幅在1200~1400 r/min较好，油耗率降幅在1200 r/min最佳，因此保持发动机运转在良好的工况，积碳清洗剂对经济性的提升明显。
3.2. 发动机速度特性试验
试验测试选取节气门开度在20%、50%两个值，每一个节气门开度下800 r/min、1000 r/min、1200 r/min、1400 r/min、1600 r/min、1800 r/min、2000 r/min、2200 r/min、2400 r/min、2600 r/min之间每个转速的油耗数据，过程中数据采集时间为5秒，试验重复三次并且将数据保存好后终止无添加剂的发动机速度特性试验。之后重复以上步骤，进行有添加剂的试验。
Figure 4. Diagram of comparison of fuel consumption in engine speed characteristic test with 20% throttle opening
图4. 发动机速度特性试验20%节气门开度时油耗量对比
Figure 5. Diagram of comparison of fuel consumption in engine speed characteristic test with 50% throttle opening
图5. 发动机速度特性试验50%节气门开度时油耗量对比
图4、图5可知，20%的节气门开度、800~2600 rpm常用转速下，无添加剂发动机速度特性试验油耗量最大值为2.572 kg/h、最小值为1.352 kg/h、整体平均值为2.238 kg/h。加入添加剂之后发动机速度特性试验油耗量最大值为2.371 kg/h、最小值为1.317 kg/h、整体的平均值2.071 kg/h，油耗量最大值降幅为7.81%、最小值降幅为2.59%、平均值降幅为7.46%。
50%的节气门开度、800~2600 rpm常用转速下，无添加剂发动机速度特性试验油耗量最大值为2.480 kg/h、最小值为1.305 kg/h、整体平均值2.146 kg/h。加入添加剂之后发动机速度特性试验油耗量最大值为2.369 kg/h、最小值为1.226 kg/h、整体的平均值2.000 kg/h，油耗量最大值降幅为4.48%、最小值降幅为6.05%、平均值降幅为6.80%。
Figure 6. Diagram of comparison of fuel consumption rate in engine speed characteristic test with 20% throttle opening
图6. 发动机速度特性试验20%节气门开度时油耗率对比
Figure 7. Diagram of comparison of fuel consumption rate in engine speed characteristic test with 50% throttle opening
图7. 发动机速度特性试验50%节气门开度时油耗率对比
图6、图7可知，20%的节气门开度、800~2600 rpm常用转速下，无添加剂发动机速度特性试验油耗率最大值为574.5 g/kWh、最小值为283.4 g/kWh、整体平均值为407.6 g/kWh。加入添加剂之后发动机速度特性试验油耗率最大值为565.2 g/kWh、最小值为263.4 g/kWh、整体的平均值398.7 g/kWh，油耗率最大值降幅为1.62%%、最小值降幅为7.06%、平均值降幅为2.18%。
50%的节气门开度、800~2600 rpm常用转速下，无添加剂发动机速度特性试验油耗率最大值为602.3 g/kWh、最小值为279.3 g/kWh、整体平均值399.9 g/kWh。加入添加剂之后发动机速度特性试验油耗率最大值为567.4 g/kWh、最小值为261.5 g/kWh、整体的平均值386.4 g/kWh，油耗率最大值降幅5.79%、最小值降幅为6.37%、平均值降幅为3.38%。速度特性中，在较为宽广的发动机转速区间内，积碳清洗剂对燃油经济性有较好的提升。
3.3. 发动机循环工况试验
试验将测试发动机在怠速、加速、减速、加速、减速、加速、减速、加速情况下的油耗情况，过程中数据采集时间为5秒，试验重复三次把数据保存好后终止无添加剂的循环工况测试。之后重复以上步骤，进行有添加剂的试验。
Figure 8. Diagram of comparison of fuel consumption in engine cycle test
图8. 发动机循环工况试验油耗量对比
图8可知，无添加剂发动机循环工况试验3次的油耗量最大值的平均值为2.859 g/kWh、最小值的平均值为0.959 g/kWh、整体平均值为1.869 g/kWh。加入添加剂之后发动机循环工况试验三次的油耗量最大值的平均值为2.633 g/kWh、最小值的平均值为0.865 g/kWh、整体的平均值1.695 g/kWh。
油耗量最大值降幅为(2.869 − 2.633)/2.869 = 8.23%，即加入添加剂之后油耗量的最大值在原来的基础上下降了8.23%。油耗量最小值降幅为(0.959 − 0.865)/0.959 = 9.80%，即加入添加剂之后油耗量的最小值在原来的基础上下降了9.80%。油耗量平均值降幅为(1.869 − 1.695)/1.869 = 9.31%，即加入添加剂之后油耗量的平均值在原来的基础上下降了9.31%。
Figure 9. Diagram of comparison of fuel consumption rate in engine cycle test
图9. 发动机循环工况试验油耗率对比
图9可知，无添加剂发动机循环工况试验3次的油耗率最大值的平均值为9580.133 g/kWh、最小值的平均值为361.200 g/kWh、整体平均值为2994.896 g/kWh。加入添加剂之后发动机循环工况试验3次的油耗率最大值的平均值为8920.033 g/kWh、最小值的平均值为327.700 g/kWh、整体的平均值2805.771 g/kWh。
油耗率最大值降幅为(9580.133 − 8920.033)/9580.133 = 6.89%，即加入添加剂之后油耗率的最大值在原来的基础上下降了6.89%。油耗率最小值降幅为(361.200 − 327.700)/361.200 = 9.27%，即加入添加剂之后油耗率的最小值在原来的基础上下降9.27%。油耗率平均值降幅为(2994.896 − 2805.771)/2994.896 = 6.31%，即加入添加剂之后油耗率的平均值在原来的基础上下降了6.31%。
3.4. 发动机双怠速工况试验
验将测试发动机在2000 r/min - 3500 rmin - 2000 r/min - 3500 r/min - 2000 r/min - 3500 r/min下的燃油消耗情况，过程中数据采集时间为5秒，试验重复三次并且将数据保存好后终止无添加剂的双怠速工况测试。之后重复以上步骤，进行有添加剂的试验。
Figure 10. Diagram of comparison of fuel consumption in engine dual idle condition test
图10. 发动机双怠速工况试验油耗量对比
图10可知，无添加剂发动机双怠速工况试验3次的油耗量最大值的平均值为3.747 g/kWh、最小值的平均值为2.178 g/kWh、整体平均值为2.931 g/kWh。加入添加剂之后发动机双怠速工况试验三次的油耗量最大值的平均值为3.337 g/kWh、最小值的平均值为1.935g/kWh、整体的平均值2.676 g/kWh。
油耗量最大值降幅为(3.747 − 3.337)/3.747 = 10.94%，即加入添加剂之后油耗量的最大值在原来的基础上下降了10.94%。油耗量最小值降幅为(2.178 − 1.935)/2.178 = 11.16%，即加入添加剂之后油耗量的最小值在原来的基础上下降了11.16%。油耗量平均值降幅为(2.931 − 2.676)/2.931 = 8.70%，即加入添加剂之后油耗量的平均值在原来的基础上下降了8.70%。
Figure 11. Diagram of comparison of fuel consumption rate in engine dual idle condition test
图11. 发动机双怠速工况试验油耗率对比
图11可知，无添加剂发动机双怠速工况试验3次的油耗率最大值的平均值为508.133 g/kWh、最小值的平均值为407.400 g/kWh、整体平均值为462.306 g/kWh。加入添加剂之后发动机双怠速工况试验3次的油耗率最大值的平均值为461.800 g/kWh、最小值的平均值为359.167 g/kWh、整体的平均值420.761 g/kWh。
油耗率最大值降幅为(508.133 − 461.800)/508.133 = 9.12%，即加入添加剂之后油耗率的最大值在原来的基础上下降了9.12%。油耗率最小值降幅为(407.400 − 359.167)/407.400 = 11.84%，即加入添加剂之后油耗率的最小值在原来的基础上下降11.84%。油耗率平均值降幅为(462.306 − 420.761)/462.306 = 8.99%，即加入添加剂之后油耗率的平均值在原来的基础上下降了8.99%。双怠速工况中，油耗量和油耗率在较为宽泛的转速范围内降幅明显，验证了燃油添加剂的效果。
4. 总结
根据GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，在发动机测试台架上对第三代日产HR16小排量发动机的经济性进行测试，以评价测试用的油路积碳清洗剂的效果。结果表明：
1) 发动机负荷特性试验：加入添加剂之后油耗量最大值降幅为8.94%、最小值降幅为9.40%、平均值降幅为10.14%；油耗率最大值降幅为1.40%、最小值降幅为6.25%、平均值降幅为5.17%。
2) 发动机速度特性试验：800~2600 rpm常用转速下，20%的节气门开度，加入添加剂之后油耗量最大值降幅为7.81%、最小值降幅为2.59%、平均值降幅为7.46%；油耗率最大值降幅为1.62%%、最小值降幅为7.06%、平均值降幅为2.18%。50%的节气门开度，油耗量最大值降幅为4.48%、最小值降幅为6.05%、平均值降幅为6.80%；油耗率最大值降幅5.79%、最小值降幅为6.37%、平均值降幅为3.38%。
3) 发动机循环工况试验：加入添加剂之后油耗量最大值降幅为8.23%、最小值降幅为9.80%、平均值降幅为9.31%；油耗率最大值降幅为6.89%、最小值降幅为9.27%、平均值降幅为6.31%。
4) 发动机双怠速工况试验：加入添加剂之后油耗量最大值降幅为10.94%、最小值降幅为11.16%、平均值降幅为8.70%；油耗率最大值降幅为9.12%、最小值降幅为11.84%、平均值降幅为8.99%。
试验的油路积碳清洗剂对小排量发动机的经济性提升明显，油耗量平均降幅在6.80%~10.14%之间，油耗率平均降幅在2.18%~8.99%之间。
通过不同的发动机经济性试验，油耗量平均降幅在6.80%~10.14%之间，油耗率平均降幅在2.18%~8.99%之间，试验的油路积碳清洗剂对小排量发动机的经济性提升明显。
基金项目
2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“非离子水基双性清洗剂的发动机动态特性研究”(2021KY1797)、2019年度校级科研项目“基于非离子水基双性清洗剂的发动机特性研究”(2019XJ11)。
NOTES
*通讯作者。