直喷汽油机喷嘴积碳对喷雾的影响

裴毅强，陈 皓，秦 静,2，周建伟，李 翔，刘 斌，胡铁钢，吴学松

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；3. 重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400020)

直喷汽油机喷嘴积碳对喷雾的影响

裴毅强1，陈 皓1，秦 静1,2，周建伟1，李 翔1，刘 斌3，胡铁钢3，吴学松3

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；3. 重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400020)

利用纹影法，在定容燃烧弹中对直喷汽油机喷油器进行喷雾特性试验，对比了未积碳喷油器、积碳喷油器和物理清洗过的积碳喷油器在不同喷射压力下的喷雾形态、喷雾锥角以及贯穿距离．结果表明：积碳后喷油器雾化质量较差，喷雾锥角和贯穿距离明显小于未积碳喷油器的喷雾锥角和贯穿距离，提高喷射压力后这种差距有所缩小；积碳喷油器单束油束贯穿距离差别较大，积碳后喷油器流量显著降低，且随喷油压力的增加，积碳喷油器流量的变化更为显著；扫描电子显微镜显示喷油器各喷孔积碳程度不一致，经X射线能谱分析检测后发现，机油中的某些成分以及摩擦产生的金属碎屑对积碳的形成起到促进作用．

直喷汽油机；喷油器积碳；喷雾特性；光谱分析

与传统气道喷射燃烧汽油机(PFI)相比，汽油机缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)技术能够更准确地控制燃油喷射和混合气形成[1-3]，减少冷起动排放[4]，且具有更良好的瞬态响应性能[5]；然而，由于积碳造成的喷油器结构参数的变化却时刻影响着燃油的喷雾形状和雾化程度，从而影响 GDI汽油机的使用性能．Avery等[6]通过对一台直喷汽油机进行连续运行后发现，在连续运行 6,h之后，喷油器流量损失最高可达 11%，对喷孔横断面进行观察后发现，靠近针阀座处的内部积碳是导致喷油器早期流量损失的主要原因，喷孔内部积碳形成早于喷孔出口处的外部积碳，且在外部积碳中发现润滑油成分，而内部积碳形成并无润滑油影响．Aradi等[7]通过在汽油中加入 EM-2a等添加剂后，发现一些燃油添加剂能够在一定程度上减轻积碳喷油器的流量损失．对于积碳喷油器对喷雾特性的影响，相关研究不多．

本研究利用光学诊断方法分析了不同喷射压力下积碳喷油器对喷雾特性的影响，由喷雾特性试验结果推测了缸内直喷多孔喷油器积碳形成的特点，并用光谱分析研究了造成这种现象的原因．

1 喷雾特性试验

1.1 试验系统

直喷汽油机喷油器燃油喷雾测试系统简图如图1所示．测试系统主要包括控制用计算机、定容弹、汽油供给系统、喷油与摄像同步触发信号控制电路、测试光路、高速摄像机、背压调节系统和排气系统等．试验用积碳喷油器为某型号 1.4TSI汽油机喷油器，喷孔数为6个，运行里程为15,000,km．对照组采用同型号新喷油器．本研究利用纹影方法拍摄喷雾过程．纹影仪光学系统由光源、凸透镜、狭缝、平面反射镜、凹面反射镜和刀口等组成．光源发出的光线经凸透镜聚焦在狭缝上，经平面镜反射到球形凹面反射镜后变成平行光．当平行光穿过定容弹后，由第2个球形凹面反射镜和平面反射镜后，在刀口处聚焦，通过凸透镜直接在高速摄像机内成像．试验用高速摄像机是日本产Photron Fastcam SA5型照相机．高速摄像机的拍摄频率选为 10,000帧/s．此时，每幅图像为 896×848像素点．这样，相邻 2幅图像之间的时间间隔为 0.1,ms．试验时环境温度均为 30,℃，环境湿度为80%．

图1 喷雾试验装置简图Fig.1 Diagram of spray test device

1.2 试验方法

1.2.1 调整喷油器角度

图 2给出了喷油压力为 4,MPa、喷油背压为0.1,MPa、喷油脉宽为 1.5,ms的喷雾图像，将喷油器位置调整完后，拍摄到的 3次独立喷油过程，同一喷油信号发出后(ASOI)2.0,ms时的喷雾图片．ASOI表示喷射信号发出后时间．由图2可见，喷雾图片由中间油束为中心线，左右油束较为对称．另外一束油与中间的油束重合．将喷油器固定在这一位置，进行喷雾图像的拍摄．此后所有喷油器安装均按此方法校正．

图2 调整喷油器角度Fig.2 Adjustment of injector angle

1.2.2 喷雾特性试验

为了定量地分析喷雾特性，基于Matlab软件，编写了喷雾图像分析软件计算喷雾锥角和贯穿度．由于是多孔喷油器，贯穿度定义为多个油束中单个油束顶点到喷嘴距离最大的那束油的贯穿度．喷雾结构参数定义如图3所示．图中，喷雾锥角是指油束尾部未破碎部分油束外廓线a与b之间的夹角．

图3 喷雾特性参数Fig.3 Spray characteristics parameters

贯穿距离是指油束外廓线中距离喷油嘴最远的线段 c的长度．由于中心喷孔接近垂直，所以实际最大贯穿距离就是中心油束的贯穿度．而对于积碳喷油器来说，由于积碳导致喷孔堵塞从而可能使最大贯穿距的油束并不出现在中心孔处，为了便于研究，本试验中定义一个新的变量Lmax，代表积碳喷油器一次喷射中喷射距离最长的油束长度．

试验中调整喷油脉宽为 1.5,ms，环境背压为0.1,MPa，在 6,MPa和 15,MPa的喷油压力下分别观测未积碳喷油器A、积碳喷油器B的喷雾图像，试验完成后，用无水乙醇对喷油器B表面进行清洗，直到用肉眼无法观察到喷嘴表面积碳为止，得到清洗后的喷油器用清洗后的喷油器 C重复以上试验．为了便于看出喷雾过程中油束发展的主要特征，以 0.3,ms的时间步长给出了喷油过程的喷雾图像．在喷雾试验时，每一个喷油脉宽和背压下进行了 6次喷油试验，以期获得喷油过程中同一时刻的平均图像，消除测试过程中喷雾过程的随机误差，并根据平均图像获得喷雾特性参数．

试验所得喷雾图像如图4～图9所示．其中喷油器A、喷油器B、喷油器C分别代表未积碳喷油器、积碳喷油器、清洗后的喷油器．喷射背压均为0.1,MPa，环境温度为20,℃.

图4 喷油压力为6,MPa时不同时刻下喷油器A的喷雾图像Fig.4 Spray images of injector A under 6 MPa at different times

图5 喷油压力为6,MPa时不同时刻下喷油器B的喷雾图像Fig.5 Spray images of injector B under 6 MPa at different times

图6 喷油压力为6,MPa时不同时刻下喷油器C的喷雾图像Fig.6 Spray images of injector C under 6 MPa at different times

图7 喷油压力为15,MPa时不同时刻下喷油器A的喷雾图像Fig.7 Spray images of injector A under 15 MPa at different times

图8 喷油压力为15,MPa时不同时刻下喷油器B的喷雾图像Fig.8 Spray images of injector B under 15 MPa at different times

图9 喷油压力为15,MPa时不同时刻下喷油器C的喷雾图像Fig.9 Spray images of injector C under 15,MPa at different times

由喷雾图像可以明显看出，未积碳喷油器喷雾形状规则，中心对称，各单束喷雾区分明显，油束外廓线上浓度梯度均匀，整体雾化质量较好．而积碳喷油器形状不规则，对称性较差，单束喷雾之间贯穿距离差别大，且相互重叠现象严重，蒸发雾化不良，图像整体与未积碳喷油器显示出很大差异．在对积碳喷孔表面进行清洁后，其喷雾特性与未积碳喷油器较为接近，但仍存在一定差异．

图10 不同喷油器喷雾锥角对比Fig.10 Comparison of the spray angles of different injecttors

对喷雾图像进行处理，不同喷油器喷雾锥角对比如图10所示，由图10可以看出，积碳喷油器的喷雾锥角明显小于未积碳喷油器的喷雾锥角，且随喷油压力的增大，这种由积碳造成的喷雾锥角减小的趋势有所缩小．这是由于积碳造成喷孔直径和形状发生了变化，因此单个油束出口时的直径和喷射方向也发生了改变，从而造成了喷雾锥角的减小．当喷油压力升高时，喷雾锥角增大，这是由于压力升高时，单个油束径向直径增大；而当喷油压力升高时，由于积碳造成的喷雾锥角减小程度降低是由于喷孔直径越小，油束径向直径的变化受喷油压力增加的影响越大．由于单个油束喷射情况的不同，使积碳喷油器油束之间相互干涉严重，液滴之间相互碰撞聚合，造成部分区域油束蒸发困难，整体上显示出较大的不规则性．

图 11所示为不同喷油器贯穿距离的对比，其中L1、L2分别代表未积碳喷油器贯穿距离和积碳喷油器贯穿距离；L2max表示积碳喷油器喷射距离最远的单个油束长度．由图可以看出积碳喷油器中心油束贯穿距离明显小于未积碳喷油器贯穿距离，且在油压较小时贯穿距离差别最大且发展不稳定，在油压较大时贯穿距离差异情况有所好转；这说明积碳喷油器个别喷孔出现严重堵塞，使油束的出口速度及出口压力发生很大改变．然而积碳喷油器最长油束贯穿距离发展速度很快，在一定时刻后甚至超越了未积碳喷油器的贯穿距离，这是由于个别喷孔的严重堵塞造成其他喷孔分压的增大，从而使油束出口速度增大．积碳喷油器喷射初始时刻中心油束贯穿距离和最长油束贯穿距离都较小，这可能是由于喷孔内部以及针阀处存在一定程度的内部积碳；由图10和图11可以看出，清除积碳喷油器喷孔外部积碳后，其喷雾锥角以及贯穿距离虽然都接近未积碳喷油器，但仍然存在一定差距，这也验证了喷油器存在内部积碳．

图11 不同喷油器贯穿距离的对比Fig.11 Comparison of the penetration distance of different injectors

由以上实验结果可知，积碳喷油器在低喷油压力下对喷雾系统影响较大，喷油压力升高，喷雾系统受喷油器积碳的影响减弱；由于直喷汽油机的性能十分依赖于燃油计量精确性以及雾化质量[8-11]，因此，喷油器积碳后，发动机在冷起动、怠速以及小负荷运行时容易发生起动困难、怠速不稳以及失火现象[11-12]．同时，由于积碳喷油器燃油喷雾质量较差，且雾化不均匀，可以导致发动机经济性下降，碳氢化合物及碳烟排放增加[13-15]，大大降低了直喷汽油机的使用性能．由实验结果可知，用物理方法对积碳喷嘴进行清理后，燃油喷射雾化质量有一定程度的改善，因此，对积碳喷嘴表面进行物理清洁能够有效改善其使用性能．

由L2max与L2的对比可知，喷油器6个喷孔处积碳的形成并不是等速均匀的，个别喷孔的积碳情况比其他喷孔严重很多．这可能是由于各喷孔和缸内气流运动方向、火焰传播方向所成夹角不同，从而造成不同喷孔积碳形成过程不一致；为了将喷孔间积碳程度的不一致程度进行放大，从而便于研究，选取连续行驶里程 8×104,km的直喷汽油机喷油器进行如下光谱分析．

2 光谱分析

2.1 SEM分析

试验用喷油器为某 1.4TSI汽油机喷油器，喷孔数为 6个，运行里程为 8×104,km．本实验所用仪器为日本日立(HITACHI)公司生产的 X-650扫描电子显微镜，分辨率为 60,A；加速电压 0～40,kV；步长1,kV；放大倍数20～20万倍．

扫描电子显微镜(SEM)下观测的积碳喷油器形貌特征如图12所示，由图12(a)可以看出，积碳后喷孔的流通面积减小，且积碳从喷孔四周向内部生长较为均匀；X、Y两孔的积碳程度明显比其他孔严重，对X、Z两孔进行放大后，发现X孔几乎完全堵塞，无明显孔口；Z孔虽堵塞严重，但仍能看出明显孔口，X孔与Z孔积碳程度差异十分明显．

图12 积碳喷孔的SEM图像Fig.12 SEM image of coking orifice

2.2 EDX分析

分别对X、Z两孔处的积碳进行能量色散X射线

光谱分析，结果如表1所示．试验所用EDX元素测量范围为 11,Na～92,U；浓度测量精度为(1.9～3.7)×10-6,．

表1 积碳样品的能谱分析Tab.1 Energy spectrum analysis of the carbon sample

由表1可看出积碳的主要成分为碳黑，其结构与无定形碳类似，都属于碳单质的同素异构体．样品中还存在较多的金属氧化物、非金属氧化物、硫化物以及碳酸盐、硅酸盐等化合物，还可能有一部分金属元素以单质形式存在；这些元素大多来自汽油添加剂、机油以及机油添加剂，还有一部分金属元素可能来自于缸套与活塞环之间摩擦产生的金属碎屑．

对比 X孔与 Z孔处的积碳成分可以看出，X孔处金属氧化物、非金属氧化物等物质成分含量是 Z孔处的 2倍左右．由此可知，这些非碳物质对积碳的形成起到促进作用，甚至某些金属氧化物或硫化物可能对积碳的形成起到催化作用．这些化合物在喷油器头部上并非均匀分布，而是由于气流运动和喷嘴位置的特点而带有一定的规律性．进一步的试验验证待以后进行．

3 流量特性试验

流量特性试验台如图13所示.

试验方法主要是通过控制喷油器的喷油压力、喷油次数和喷油脉宽，从而获得不同工况下喷油器的流量特性；喷油器喷出的燃油由集液瓶收集，并通过称重法测量出喷油器的流量，其中细管的作用是保持集液瓶中的压力始终恒定．通过蓄能器对燃油进行加压，从而获得稳定的喷油压力；在喷油器前端安装稳压器，测量稳压器中的温度和压力，即为喷油器出口处的温度和压力，喷油器控制信号由NI PCI 6154发出，试验时环境温度均为30,℃，环境湿度为80%．

图13 流量特性试验台Fig.13 Test bed for flow characteristic

试验所用喷油器同样为某 1.4TSI汽油机喷油器；为了便于分析，试验中选用运行里程数分别为5,000,km、20,000,km、50,000,km和80,000,km的喷油器进行流量特性试验，试验时设定喷油脉宽为 5,ms，喷油次数为 100次，分别在 6,MPa、10,MPa以及15,MPa的喷油压力下进行试验；将未积碳喷油器流量视作 100%，得到不同积碳程度的喷油器在不同工况下的流量损失，试验结果如图14所示.

图14 不同喷油器流量特性Fig.14 Flow characteristics of different injectors

由试验结果可以看出，积碳对喷油器流量特性的影响十分明显，流量损失随喷油器运行时间的增加而增加，在运行了 80,000,km后，喷油器的流量损失甚至下降了接近 50%，且随着喷油压力的增加，喷油器积碳后流量的变化越为显著．

4 结 论

(1) 直喷汽油机喷油器积碳后，喷雾锥角及贯穿距离都有明显降低，且在低喷射压力下降低明显，高喷射压力下有所缓和．积碳喷油器油束雾化质量差，单个油束贯穿距离不一致且相互干涉严重．

(2) 物理方法清除喷嘴表面积碳能够明显改善其喷雾特性；清洗后喷油器喷雾锥角、贯穿距离以及雾化质量都接近于未积碳喷油器．

(3) 积碳的主要成分为碳黑，还存在一定量的金属及金属化合物，积碳喷油器单个喷孔堵塞情况不一致，相比较于积碳程度较轻的喷孔，堵塞严重的喷孔其积碳成分中金属及金属氧化物含量较高．

(4) 积碳后喷油器流量显著降低，且随喷油压力的增加，积碳喷油器流量的变化更为显著．

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（责任编辑：孙立华）

Effect of GDI Engine Injector Coking on Spray

Pei Yiqiang1，Chen Hao1，Qin Jing1,2，Zhou Jianwei1，Li Xiang1，Liu Bin3，Hu Tiegang3，Wu Xuesong3
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Chongqing Chang′an Automobile Company Limited，Chongqing 400020，China)

By means of schlieren method，spray characteristics text was conducted on a gasoline direct injection(GDI)engine injector in a constant volume combustion bomb. The spray patterns，spray angle and penetration distance under different injection pressures were compared among new injector，coking injector，and rinsed coking injector. The results revealed that coking injector had a poorer atomization effect as well as a significantly smaller spray angle and penetration distance，but these problems could be improved by increasing the injection pressure. In comparison with the new injector，the penetration distance of the sprays from coking injector varied greatly. Additionally，the flow of fuel injector was obviously reduced after coking and presented a more significant difference from new injector when injection pressure increased. Scanning electron microscopy images showed that orifices of injector were coked in different degrees. An X-ray spectroscopy analysis also indicated that some ingredients in the oil and metal debris generated by friction played an important role in promoting the formation of coke.

GDI engine；injector coking；spray characteristics；spectroscopy analysis

TK411.2

A

0493-2137(2015)04-0334-07

10.11784/tdxbz201312071

2013-12-25；

2014-03-21.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA111703).

裴毅强（1967— ），男，博士，副教授.

裴毅强，peiyq@tju.edu.cn.

时间：2014-05-16.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201312071.html.