柴油機噴油器噴孔積碳形成及影響研究進展

趙文柱， 和　穆， 董芮寒， 馬　寧

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 空軍油料研究所， 北京 100076)

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柴油機噴油器噴孔積碳形成及影響研究進展

趙文柱1， 和穆1， 董芮寒2， 馬寧1

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 空軍油料研究所， 北京 100076)

概述了國內外關于柴油機噴油器噴孔積碳形成及其影響的研究現狀，主要總結了國外噴孔積碳形成機理、影響積碳形成的主要因素以及積碳形貌特征觀察和元素分析采用的技術手段，分析了積碳對噴孔流量、噴霧質量、燃燒狀況以及廢氣排放物的影響，介紹了積碳試驗方法以及積碳控制手段。最后總結了當前噴孔積碳研究中存在的問題，并對下一步研究方向進行了探討。

柴油機； 噴油器； 噴孔積碳； 噴霧； 燃燒

近年來，隨著對柴油機性能以及排放日益嚴格的要求，柴油機噴射系統呈現噴射壓力不斷增大、噴孔直徑不斷減小的趨勢，同時也增加了噴孔產生積碳的可能性[1-2]。噴孔積碳導致噴孔內部以及出口結構發生變化，干擾燃油噴射模式，引起噴霧質量下降、燃燒效率降低、排放增多等問題[3-6]。目前，噴孔積碳問題已引起了廣泛的關注，特別是歐美國家對柴油機噴孔積碳的形成機理以及影響進行了大量的研究并取得了一定的進展；國內在柴油機噴孔積碳方面的研究較少。筆者對當前噴孔積碳形成機理及影響積碳形成的因素的研究現狀進行總結，重點討論積碳機理研究中需解決的關鍵技術、積碳影響研究的方向，并對噴孔積碳研究中存在的其他問題進行探討。

1　積碳形成機理

1)從柴油機工作過程角度

Caprotti等[7]認為：直噴式柴油機噴油器針閥關閉后，噴孔內有少量的柴油殘留，氣缸對外膨脹做功，導致缸內溫度升高，柴油擴散至噴孔出口處以及噴油器頂部，形成了液體油膜；燃燒室內的高溫導致燃油成分蒸發，燃油發生高溫裂化反應形成了黏性積碳；燃燒過程中產生的碳煙、高沸點的碳氫化合物以及潤滑油成分在積碳表面積累，柴油的較高擴散率、燃燒室內的碳煙環境等因素保證了積碳形成的速度；碳煙的存在使得噴油器頂端溫度一直較高，有效阻礙了液體燃油對積碳的沖擊。

2)從元素分析角度

Lepperhoff等[8]通過對積碳進行元素分析發現：積碳的主要成分為有機材料(碳、碳氫化合物、氧、氮)，還有少量的無機元素(硫、鋇、鈣)；壁面和油滴的接觸媒介是形成積碳的必要條件，接觸媒介大多是高沸點的碳氫化合物，積碳形成過程可分為誘發期和成長期2個過程，如圖1所示。其中：(1)在積碳形成的誘發期，由于壁面溫度低，高沸點的碳氫化合物受冷凝作用，在壁面形成一層黏性薄膜，因黏紙效應，微小顆粒被吸附；(2)在積碳形成的成長期，顆粒以及其他黏性物質不斷被吸附，積碳厚度增加，而鼓勵效應導致積碳表面溫度升高，結合力降低，限制了更多微粒的加入，同時氣體的流動波動致使積碳黏度增大，一旦積碳附著在壁面上，受長時間高溫的影響，分解、脫水、聚合等化學反應就會發生，積碳層進一步壓緊。

圖1　積碳形成過程

3)從柴油機熱氧化過程角度

Singer等[9]使用純柴油樣本進行熱處理，研究了溫度和時間對柴油熱氧化反應形成積碳過程的影響，認為積碳的形成在很大程度上取決于柴油暴露的溫度，并將積碳形成過程分為以下2個階段：

(1)當柴油暴露溫度高于140 ℃時，在空氣中長時間加熱后，柴油降解分解，一部分形成了高分子質量氧化柴油產物(High Molecular Weight Oxygenated Fuel Products，MOFP)，此時MOFP既可與蒸發后的柴油進一步發生氧化反應，又可能被干凈的柴油帶走；當柴油暴露溫度低于140 ℃時，即使在空氣中連續加熱數小時，也無明顯的MOFP生成。

(2)當MOFP加熱到150 ℃時，MOFP開始形成分叉的高分子質量的物質，當加熱時間較短時，大多數的物質仍會被柴油帶走；隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長，MOFP不斷增多，而當達到臨界溫度300 ℃時，該物質大部分形成了不可溶而相互關聯的聚合網狀物，最終形成了積碳。

4)從添加鋅元素角度

Ikemoto等[10]提出了柴油中添加鋅元素時噴油器噴孔內部積碳的形成機理，認為使用含有鋅元素的柴油時，噴孔積碳形成過程可分為3個階段，如圖2所示：(1)初始階段，由于噴孔出口靠近燃燒氣體，溫度較高，形成的積碳較多，而噴孔進口溫度低，積碳較少，柴油中的鋅與燃燒氣體中少量的羧酸反應生成羧酸鋅，在噴孔出口處形成了瓶頸，限制了柴油的流動；(2)發展階段，由于羧酸鋅與燃燒氣體中的水和二氧化碳發生反應，噴孔進口積碳形成了碳酸鋅，而噴孔出口的羧酸鋅逐漸達到飽和(溫度升高，碳酸鋅分解)，積碳逐漸向中間以及噴孔進口一側發展； (3)飽和狀態，噴孔進口處的碳酸鋅逐漸達到飽和，并在噴孔出口處形成瓶頸，此時積碳生成和清除之間達到平衡。

圖2　噴孔積碳形成過程的3個階段

由于噴孔直徑較小，工作環境惡劣，噴孔積碳特別是噴孔內部積碳難以觀察和分析，導致積碳形成機理研究不深入，目前還沒有獲得廣泛認可的機理。此外，積碳的表述還沒有統一的說法，積碳(depo-sit)、焦化(coking)和堵塞(fouling)等論述都有出現，這也是積碳形成機理研究工作的一個障礙。

2　影響積碳形成的因素

2.1溫度的影響

溫度對積碳的影響非常重要，噴孔內的柴油在到達出口處的過程中溫度逐漸升高，柴油高溫劣化反應加速了積碳的形成。

Lepperhoff等[8]通過試驗研究發現：不同溫度下形成的積碳結構與成分都不相同。Risberg等[11]通過試驗研究了噴油器頂端溫度與積碳的關系，在噴油器靠近噴孔處安裝了一個微型熱電偶，實時記錄噴油器頂端的溫度，將噴孔頂端溫度(Nozzle Tip Temperature，NTT)作為評估噴孔積碳嚴重程度的一個關鍵值，結果表明：NTT越高，積碳量越大，發動機功率下降越多。Singer等[9]認為300 ℃為積碳形成不溶物質并且難以清除的臨界溫度，溫度達到300 ℃時，積碳形成相互連接不溶的網狀物，高溫下時間越長，積碳越多。

2.2噴孔結構的影響

噴孔結構的改變影響噴孔內部燃油流動以及空化程度，進而影響積碳的形成。Argueyrolles等[12]研究了噴孔結構參數(噴孔數目、錐度、液力研磨程度、孔徑)對積碳的影響，結果表明：噴孔結構參數的改變導致噴孔內空化程度的改變，最終影響積碳的形成；空化產生的氣泡從噴孔進口向出口移動，限制了噴孔內壁積碳的形成，氣泡破裂產生的能量對積碳同樣有抑制作用。

2.3鋅元素的影響

生物柴油、柴油中是否含有鋅元素對積碳的敏感程度也不相同。Caprotti等[7]通過試驗研究了柴油中添加不同含量的鋅元素對積碳的影響，通過測試功率損失表征積碳產生的量，結果表明：柴油中添加的鋅元素含量越多，功率損失越大，積碳生成量越大。

Birgel等[13-14]以RF06柴油為基礎油，在單缸發動機臺架上開展試驗，根據發動機平均指示壓力損失評估積碳量，其結果如表1所示。結果表明：生物柴油和鋅元素均導致積碳增多，且積碳量隨生物柴油比例的增大而增多；柴油中添加3 ppm鋅元素時，平均指示壓力下降最大，噴油器外表面積碳卻不是最明顯；30%生物柴油中加入3 ppm鋅元素與RF06柴油中加入3 ppm鋅元素相比，平均指示壓力損失較小。他們認為可能是因為生物柴油是很好的溶劑，但是沒有給出具體的原因。

表1　單缸發動機臺架試驗結果

Kumagai等[15]以B7柴油(7%生物柴油)為基礎油，在4缸柴油機臺架上開展試驗，根據扭矩下降率評估積碳量，結果發現： B7柴油中加入2 ppm鋅元素的發動機連續工作300 h后，扭矩線性下降9%，拆解噴油器發現針閥沒有積碳，而噴孔有積碳產生；使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)觀察，噴孔出口處比進口處的積碳要多；B7柴油中不加入鋅元素的發動機扭矩非線性下降率為5%。Mendoza等[16]研究了在柴油中添加3 ppm鋅元素時噴油器的流量損失以及碳煙排放情況，結果表明：隨著工作時間的延長，含鋅燃料的噴油器流量損失增大，碳煙排放增多。

以上研究中試驗結果均表明鋅元素可以促進積碳的形成，但是鋅元素促進積碳產生的機理還不清楚，鋅元素是作為催化劑加快積碳產生還是成為了積碳的一部分還需要進一步研究。

3　積碳形貌觀察及元素分析

隨著科技水平的進步，特別是SEM、能譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy，EDS)和傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer，FT-IR)等手段的應用[17-18]，對積碳形貌的觀察以及元素分析更加深入。

3.1SEM和EDS

Liaquat等[19]在單缸柴油機進行了250 h耐久性試驗，利用SEM以及EDS觀察分析了噴油器使用柴油、B20生物柴油后，其頂端和噴孔處積碳的形貌特點，分別如圖3、4所示。從圖3中可以明顯看出：使用B20生物柴油的噴油器頂端積碳比使用柴油的噴油器頂端積碳多。

圖3　噴油器頂端積碳形貌

圖4　噴油器噴孔積碳形貌

Liaquat等[19]采用EDS分別對圖4中D、B處進行了元素分析，結果發現：D處碳元素占82.53%、氧元素占13.04%、鋅元素占3.45%、硫元素占0.98%，B處碳元素占69.73%、氧元素占17.47%、鈣元素占2.60%、鈉元素占2.57%，說明使用生物柴油后，積碳中氧元素含量增多。他們認為：高溫下積碳主要是來自碳氫化合物的分解以及碳氫化合物聚合產生的多環芳香烴，積碳中的鋅、硫元素主要來自潤滑油。

3.2FT-IR

圖5　FT-IR圖像分析后噴孔內部積碳形成過程

Ikemoto等[10]使用FT-IR觀察了柴油中添加3 ppm鋅元素后噴孔內部積碳形成過程，如圖5所示，他們認為：噴孔出口處首先形成積碳，隨著噴孔內部溫度的升高，積碳逐漸向噴孔進口發展，最終進口一側的積碳較多。

此外，電子探針微區分析儀(Electron Probe Micro Analyzer，EPMA)和X射線掃描分析顯微鏡(X-ray Scanning Analytical Microscope，XSAM)等技術也逐步應用于積碳形貌觀察以及元素分析，特別是噴孔內部積碳的分析。雖然對噴孔進行線切割處理可觀察到內部積碳形貌，但由于噴孔直徑較小，切割時可能造成積碳的脫離和破碎，影響觀察與分析。目前，最合適的觀察手段是通過內窺鏡觀察噴孔內部積碳形貌。但工業內窺鏡鏡頭直徑一般在0.5 mm以上，對于噴孔直徑較小的噴油器，還需要研制尺寸更小的內窺鏡。

4　積碳試驗方法

為了使噴油器在短時間內產生一定量的積碳，以研究積碳對發動機噴霧以及燃燒的影響，很多研究人員提出了發動機噴油器積碳試驗方法。

4.1非直噴式柴油機

Montagne等[20]使用XUD-9發動機(直列4缸、4沖程)，提出了一個耗時2 h的試驗方法。試驗時，首先固定轉速2 000 r/min、20%負荷，工作20 min進行暖機；之后，更換新的噴油器，在轉速1 200 r/min、10%負荷的工況下測試缸壓和針閥升程；然后，在轉速1 500 r/min、40%負荷的工況下工作2 h，測試缸壓和針閥升程，如圖6(a)所示。為了更好地模擬實車在高速公路上的運行狀態，Montagne等[20]又提出了一個工作時長6 h的試驗方法，轉速為3 000 r/min，負荷為75%，如圖6(b)所示。

圖6　XUD-9試驗方法

基于XUD-9試驗方法，又發展了XUD-9 A/L試驗方法，該方法由之前的6 h穩定工況改成10 h循環試驗，可自動調整噴射時機，保障噴孔能夠產生一定程度的積碳。這種使發動機適應油量的變化能力，使該試驗方法在長達10多年的時間都是作為噴油器積碳試驗方法的工業標準[21]。

Mulard等[22]提出了使用小型裝置的試驗方法。試驗使用Kubota Z600-B發動機，固定發機轉速3 000 r/min、3 kW電力負載，工作時長6 h。該試驗方法成本較低，與XUD-9試驗方法試驗結果具有較好的相關性，相關系數為0.99。

4.2直噴式柴油機

歐洲協調委員會提出了輕型柴油機噴油器積碳試驗方法的工業標準CEC F-98-08[23]。使用Peugeot DW10B柴油機，且在油料中添加少量鋅元素。試驗時，首先按照單位小時工況點工作8 h，然后停機進行8 h保溫，之后重復上述過程2次，試驗總時長為48 h。圖7為CEC F-98-08試驗方法的單位小時工況點。Hawthorne等[24]評價該試驗方法與發動機全壽命周期內的經歷等價。CEC F-98-08試驗方法是目前直噴式柴油機噴油器積碳試驗方法唯一的工業標準。

圖7　CEC F-98-08試驗方法單位小時工況點

Gallant等[25]提出了使用Cummins L10柴油發動機的試驗方法。試驗時，把2臺柴油發動機首尾相連，沒有測功機，其中一臺發動機帶動另外一臺發動機轉動，每15 s轉換一次，試驗總時長125 h。雖然該試驗方法在直噴式柴油機噴油器積碳生成試驗中效果顯著，但其試驗周期長、成本高。

之后，Risberg[26]提出了應用于歐1柴油機的試驗方法，總時長20 h，圖8為Risberg試驗方法的循環工況點。雖然該試驗方法能夠產生可觀的積碳且縮短了試驗時間，但并未得到廣泛應用。

圖8　Risberg試驗方法循環工況點

左彤梅等[27]以大型發動機為基礎，采用含鋅量為1×10-6的B10生物柴油，在單缸發動機上進行試驗，目的是開發一種簡單、快速的結焦試驗方法。試驗包括6 h的連續試驗，以及中途停機保溫1 h。為了與發動機實際工作情況相符，采用1臺滿足歐5排放標準的高功率發動機，在多種負荷工況點進行試驗，試驗結果表明：在轉速1 200 r/min、全負荷工況下，1 d時間內能夠出現明顯的結焦現象。

雖然研究人員提出了以上多種柴油機噴油器積碳試驗方法，但一些大型柴油機已經過時，目前沒有開發出新的并且得到廣泛認可的適用于重型柴油機的噴油器積碳試驗方法。因此，研究適用于現代重型柴油機的噴油器積碳試驗方法，使之更加簡單高效地評估積碳對柴油機性能的影響，需求更加迫切。

5　積碳對噴射和燃燒的影響以及控制手段

5.1積碳對噴射和燃燒的影響

噴油器噴孔產生積碳后，會改變原有噴孔結構，造成噴孔直徑減小，進而導致噴孔的出口區域減小，從而直接影響柴油流通量。此外，噴孔結構的改變也會影響原有的噴射模式，造成油氣混合程度的下降和噴霧質量的減小，導致發動機功率、燃油經濟性下降，廢氣排放物增多。

Mancaruso等[28]使用可視化單缸柴油發動機研究了不同噴孔直徑的積碳噴油器對噴射和燃燒的影響，結果表明：噴油器積碳后，缸內壓力峰值減小，放熱率輕微延后；利用高速攝像機拍攝噴霧圖片發現，噴霧初期的積碳噴油器與干凈噴油器的噴霧貫穿距大致相同，之后隨噴孔直徑的減小而減小。

Magno[29]利用可視化4沖程單缸柴油發動機研究了噴油器積碳對質量流量、噴霧以及燃燒階段的影響，同時測試了燃燒室內煙灰濃度、總的煙灰濃度以及廢氣排放物，結果表明：積碳造成噴油器質量流量減少，噴油器各孔噴射的油束分布不均勻；噴油器積碳越嚴重，噴霧貫穿距越小，可能造成油束的滲透力減弱，油氣混合惡化，燃燒效率降低；積碳噴油器造成燃燒產生較多的煙灰，廢氣排放物增多。

Ambrosio等[17]通過試驗研究了積碳對噴油規律、噴霧貫穿距以及噴霧錐角的影響，結果表明：積碳造成噴油器噴射流量、噴霧貫穿距以及噴霧錐角的減小，這是由于積碳的存在減小了有效噴口直徑，導致流量系數惡化，并限制了噴霧在噴孔出口處的角度擴散。

目前，研究大多集中在對噴霧貫穿距以及錐角的定量分析上，而在噴孔積碳對噴孔內部流動的影響方面研究較少。借助高速攝像等技術，使得積碳噴油器對噴霧發展過程影響的研究更加有效。

5.2積碳控制手段

5.2.1噴孔表面化學改性

李范等[30]針對航空發動機噴嘴積碳問題，采用化學強氧化-陰極還原法，在噴孔表面制備了穩定的富鉻氧化層。結果表明：噴孔化學改性后，靜態抑制積碳率最大可達12.5%，噴孔抗積碳性能與材料的表面成分和界面張力密切相關。

5.2.2柴油中加入清凈劑

郭瑞蓮等[31]采用工業標準柴油機噴嘴試驗方法，在XUD-9發動機臺架上通過試驗研究了國內市場銷售的多種柴油清凈劑對噴孔積碳的影響。試驗通過噴孔空氣流量損失表征噴孔積碳情況，結果表明：使用柴油清凈劑后，噴孔流量損失最高可降低90%左右，對噴孔積碳有明顯的抑制作用。

Risberg等[11]采用CEC F-98-08試驗方法研究了傳統清凈劑與新型清凈劑對噴油器積碳的影響，結果表明：油料中的鋅元素能夠促進噴油器積碳形成，造成發動機功率明顯下降；使用柴油清凈劑后，可以有效清除噴孔內的積碳，發動機功率回升比較明顯，新型清凈劑對積碳清除效果比傳統清凈劑較好。

Barbour等[32]采用CEC F-98-08試驗方法研究了不同柴油清凈劑對噴油器積碳的影響，結果表明：使用新型、積碳控制類清凈劑后，發動機功率上升明顯，聚異丁烯丁二酰亞胺類、聚異丁烯類以及聚異丁烯丁二酸類清凈劑不能達到這種效果。

柴油清凈劑對積碳具有明顯的抑制作用，且使用方便，成本較低。國外清凈劑已制訂了相應的技術指標，國內柴油清凈劑品種繁多、質量參差不齊，目前并沒有相應的標準。

6　結論與展望

1)噴孔直徑較小、噴油器所處燃燒室的環境惡劣等因素導致噴孔積碳形成機理的研究相對困難。盡管國外研究人員提出了一些理論，但是并沒有得到廣泛認可，還需要通過進一步試驗進行驗證。

2)現階段對噴孔積碳影響的研究主要集中在噴霧貫穿距、錐角以及燃燒等方面，分析計算噴孔內部以及出口積碳對噴孔內部流動影響的研究較少。雖然噴孔積碳直接導致了霧化以及燃燒的惡化，但其根源還是由于內部流動發生了變化。

3)合理有效的積碳試驗方法是研究積碳形成及影響的根本保證，目前唯一的工業標準試驗方法是針對輕型柴油機建立的，還沒有適用于重型柴油機的積碳試驗方法。因此，研發現代重型柴油機積碳試驗方法是當前的一大熱點。

4)積碳分布具有一定的不規則性，研究噴孔積碳不規則性對內部流動的影響，進而分析積碳對噴霧射流的影響，對噴孔結構改進、噴霧模型的修正具有重要意義。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Research Progress on Formation and Influence of Diesel Injector Nozzle Deposit

ZHAO Wen-zhu1, HE Mu1, DONG Rui-han2, MA Ning1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. P.O.L. Research Institute of the Air Force, Beijing 100076, China)

This paper summarizes the research status on the formation and influence of diesel injector nozzle deposit at home and abroad, discusses the research progress of the deposit formation mechanism and the main factors which affect deposit formation as well as the modern techniques for deposit morphology observation and elements analysis, analyzes the influence of nozzle flow, spray quality, combustion condition and exhaust emissions, and introduces the deposit test method and deposit control means. Finally, it sums up the problems existing in the current research and explores the development trend of deposit research.

diesel; injector; nozzle deposit; spray; combustion

1672-1497(2016)04-0046-07

2016-05-05

軍隊計劃科研項目

趙文柱(1990-)，男，博士研究生。

TK421+.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.009