柴油机喷油器喷孔积碳形成及影响研究进展

赵文柱， 和　穆， 董芮寒， 马　宁

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 空军油料研究所， 北京 100076)



柴油机喷油器喷孔积碳形成及影响研究进展

赵文柱1， 和穆1， 董芮寒2， 马宁1

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 空军油料研究所， 北京 100076)

概述了国内外关于柴油机喷油器喷孔积碳形成及其影响的研究现状，主要总结了国外喷孔积碳形成机理、影响积碳形成的主要因素以及积碳形貌特征观察和元素分析采用的技术手段，分析了积碳对喷孔流量、喷雾质量、燃烧状况以及废气排放物的影响，介绍了积碳试验方法以及积碳控制手段。最后总结了当前喷孔积碳研究中存在的问题，并对下一步研究方向进行了探讨。

柴油机； 喷油器； 喷孔积碳； 喷雾； 燃烧

近年来，随着对柴油机性能以及排放日益严格的要求，柴油机喷射系统呈现喷射压力不断增大、喷孔直径不断减小的趋势，同时也增加了喷孔产生积碳的可能性[1-2]。喷孔积碳导致喷孔内部以及出口结构发生变化，干扰燃油喷射模式，引起喷雾质量下降、燃烧效率降低、排放增多等问题[3-6]。目前，喷孔积碳问题已引起了广泛的关注，特别是欧美国家对柴油机喷孔积碳的形成机理以及影响进行了大量的研究并取得了一定的进展；国内在柴油机喷孔积碳方面的研究较少。笔者对当前喷孔积碳形成机理及影响积碳形成的因素的研究现状进行总结，重点讨论积碳机理研究中需解决的关键技术、积碳影响研究的方向，并对喷孔积碳研究中存在的其他问题进行探讨。

1　积碳形成机理

1)从柴油机工作过程角度

Caprotti等[7]认为：直喷式柴油机喷油器针阀关闭后，喷孔内有少量的柴油残留，气缸对外膨胀做功，导致缸内温度升高，柴油扩散至喷孔出口处以及喷油器顶部，形成了液体油膜；燃烧室内的高温导致燃油成分蒸发，燃油发生高温裂化反应形成了黏性积碳；燃烧过程中产生的碳烟、高沸点的碳氢化合物以及润滑油成分在积碳表面积累，柴油的较高扩散率、燃烧室内的碳烟环境等因素保证了积碳形成的速度；碳烟的存在使得喷油器顶端温度一直较高，有效阻碍了液体燃油对积碳的冲击。

2)从元素分析角度

Lepperhoff等[8]通过对积碳进行元素分析发现：积碳的主要成分为有机材料(碳、碳氢化合物、氧、氮)，还有少量的无机元素(硫、钡、钙)；壁面和油滴的接触媒介是形成积碳的必要条件，接触媒介大多是高沸点的碳氢化合物，积碳形成过程可分为诱发期和成长期2个过程，如图1所示。其中：(1)在积碳形成的诱发期，由于壁面温度低，高沸点的碳氢化合物受冷凝作用，在壁面形成一层黏性薄膜，因黏纸效应，微小颗粒被吸附；(2)在积碳形成的成长期，颗粒以及其他黏性物质不断被吸附，积碳厚度增加，而鼓励效应导致积碳表面温度升高，结合力降低，限制了更多微粒的加入，同时气体的流动波动致使积碳黏度增大，一旦积碳附着在壁面上，受长时间高温的影响，分解、脱水、聚合等化学反应就会发生，积碳层进一步压紧。

图1　积碳形成过程

3)从柴油机热氧化过程角度

Singer等[9]使用纯柴油样本进行热处理，研究了温度和时间对柴油热氧化反应形成积碳过程的影响，认为积碳的形成在很大程度上取决于柴油暴露的温度，并将积碳形成过程分为以下2个阶段：

(1)当柴油暴露温度高于140 ℃时，在空气中长时间加热后，柴油降解分解，一部分形成了高分子质量氧化柴油产物(High Molecular Weight Oxygenated Fuel Products，MOFP)，此时MOFP既可与蒸发后的柴油进一步发生氧化反应，又可能被干净的柴油带走；当柴油暴露温度低于140 ℃时，即使在空气中连续加热数小时，也无明显的MOFP生成。

(2)当MOFP加热到150 ℃时，MOFP开始形成分叉的高分子质量的物质，当加热时间较短时，大多数的物质仍会被柴油带走；随着加热温度的升高和加热时间的延长，MOFP不断增多，而当达到临界温度300 ℃时，该物质大部分形成了不可溶而相互关联的聚合网状物，最终形成了积碳。

4)从添加锌元素角度

Ikemoto等[10]提出了柴油中添加锌元素时喷油器喷孔内部积碳的形成机理，认为使用含有锌元素的柴油时，喷孔积碳形成过程可分为3个阶段，如图2所示：(1)初始阶段，由于喷孔出口靠近燃烧气体，温度较高，形成的积碳较多，而喷孔进口温度低，积碳较少，柴油中的锌与燃烧气体中少量的羧酸反应生成羧酸锌，在喷孔出口处形成了瓶颈，限制了柴油的流动；(2)发展阶段，由于羧酸锌与燃烧气体中的水和二氧化碳发生反应，喷孔进口积碳形成了碳酸锌，而喷孔出口的羧酸锌逐渐达到饱和(温度升高，碳酸锌分解)，积碳逐渐向中间以及喷孔进口一侧发展； (3)饱和状态，喷孔进口处的碳酸锌逐渐达到饱和，并在喷孔出口处形成瓶颈，此时积碳生成和清除之间达到平衡。

图2　喷孔积碳形成过程的3个阶段

由于喷孔直径较小，工作环境恶劣，喷孔积碳特别是喷孔内部积碳难以观察和分析，导致积碳形成机理研究不深入，目前还没有获得广泛认可的机理。此外，积碳的表述还没有统一的说法，积碳(depo-sit)、焦化(coking)和堵塞(fouling)等论述都有出现，这也是积碳形成机理研究工作的一个障碍。

2　影响积碳形成的因素

2.1温度的影响

温度对积碳的影响非常重要，喷孔内的柴油在到达出口处的过程中温度逐渐升高，柴油高温劣化反应加速了积碳的形成。

Lepperhoff等[8]通过试验研究发现：不同温度下形成的积碳结构与成分都不相同。Risberg等[11]通过试验研究了喷油器顶端温度与积碳的关系，在喷油器靠近喷孔处安装了一个微型热电偶，实时记录喷油器顶端的温度，将喷孔顶端温度(Nozzle Tip Temperature，NTT)作为评估喷孔积碳严重程度的一个关键值，结果表明：NTT越高，积碳量越大，发动机功率下降越多。Singer等[9]认为300 ℃为积碳形成不溶物质并且难以清除的临界温度，温度达到300 ℃时，积碳形成相互连接不溶的网状物，高温下时间越长，积碳越多。

2.2喷孔结构的影响

喷孔结构的改变影响喷孔内部燃油流动以及空化程度，进而影响积碳的形成。Argueyrolles等[12]研究了喷孔结构参数(喷孔数目、锥度、液力研磨程度、孔径)对积碳的影响，结果表明：喷孔结构参数的改变导致喷孔内空化程度的改变，最终影响积碳的形成；空化产生的气泡从喷孔进口向出口移动，限制了喷孔内壁积碳的形成，气泡破裂产生的能量对积碳同样有抑制作用。

2.3锌元素的影响

生物柴油、柴油中是否含有锌元素对积碳的敏感程度也不相同。Caprotti等[7]通过试验研究了柴油中添加不同含量的锌元素对积碳的影响，通过测试功率损失表征积碳产生的量，结果表明：柴油中添加的锌元素含量越多，功率损失越大，积碳生成量越大。

Birgel等[13-14]以RF06柴油为基础油，在单缸发动机台架上开展试验，根据发动机平均指示压力损失评估积碳量，其结果如表1所示。结果表明：生物柴油和锌元素均导致积碳增多，且积碳量随生物柴油比例的增大而增多；柴油中添加3 ppm锌元素时，平均指示压力下降最大，喷油器外表面积碳却不是最明显；30%生物柴油中加入3 ppm锌元素与RF06柴油中加入3 ppm锌元素相比，平均指示压力损失较小。他们认为可能是因为生物柴油是很好的溶剂，但是没有给出具体的原因。

表1　单缸发动机台架试验结果

Kumagai等[15]以B7柴油(7%生物柴油)为基础油，在4缸柴油机台架上开展试验，根据扭矩下降率评估积碳量，结果发现： B7柴油中加入2 ppm锌元素的发动机连续工作300 h后，扭矩线性下降9%，拆解喷油器发现针阀没有积碳，而喷孔有积碳产生；使用扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy，SEM)观察，喷孔出口处比进口处的积碳要多；B7柴油中不加入锌元素的发动机扭矩非线性下降率为5%。Mendoza等[16]研究了在柴油中添加3 ppm锌元素时喷油器的流量损失以及碳烟排放情况，结果表明：随着工作时间的延长，含锌燃料的喷油器流量损失增大，碳烟排放增多。

以上研究中试验结果均表明锌元素可以促进积碳的形成，但是锌元素促进积碳产生的机理还不清楚，锌元素是作为催化剂加快积碳产生还是成为了积碳的一部分还需要进一步研究。

3　积碳形貌观察及元素分析

随着科技水平的进步，特别是SEM、能谱仪(Energy Dispersive Spectroscopy，EDS)和傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer，FT-IR)等手段的应用[17-18]，对积碳形貌的观察以及元素分析更加深入。

3.1SEM和EDS

Liaquat等[19]在单缸柴油机进行了250 h耐久性试验，利用SEM以及EDS观察分析了喷油器使用柴油、B20生物柴油后，其顶端和喷孔处积碳的形貌特点，分别如图3、4所示。从图3中可以明显看出：使用B20生物柴油的喷油器顶端积碳比使用柴油的喷油器顶端积碳多。

图3　喷油器顶端积碳形貌

图4　喷油器喷孔积碳形貌

Liaquat等[19]采用EDS分别对图4中D、B处进行了元素分析，结果发现：D处碳元素占82.53%、氧元素占13.04%、锌元素占3.45%、硫元素占0.98%，B处碳元素占69.73%、氧元素占17.47%、钙元素占2.60%、钠元素占2.57%，说明使用生物柴油后，积碳中氧元素含量增多。他们认为：高温下积碳主要是来自碳氢化合物的分解以及碳氢化合物聚合产生的多环芳香烃，积碳中的锌、硫元素主要来自润滑油。

3.2FT-IR

图5　FT-IR图像分析后喷孔内部积碳形成过程

Ikemoto等[10]使用FT-IR观察了柴油中添加3 ppm锌元素后喷孔内部积碳形成过程，如图5所示，他们认为：喷孔出口处首先形成积碳，随着喷孔内部温度的升高，积碳逐渐向喷孔进口发展，最终进口一侧的积碳较多。

此外，电子探针微区分析仪(Electron Probe Micro Analyzer，EPMA)和X射线扫描分析显微镜(X-ray Scanning Analytical Microscope，XSAM)等技术也逐步应用于积碳形貌观察以及元素分析，特别是喷孔内部积碳的分析。虽然对喷孔进行线切割处理可观察到内部积碳形貌，但由于喷孔直径较小，切割时可能造成积碳的脱离和破碎，影响观察与分析。目前，最合适的观察手段是通过内窥镜观察喷孔内部积碳形貌。但工业内窥镜镜头直径一般在0.5 mm以上，对于喷孔直径较小的喷油器，还需要研制尺寸更小的内窥镜。

4　积碳试验方法

为了使喷油器在短时间内产生一定量的积碳，以研究积碳对发动机喷雾以及燃烧的影响，很多研究人员提出了发动机喷油器积碳试验方法。

4.1非直喷式柴油机

Montagne等[20]使用XUD-9发动机(直列4缸、4冲程)，提出了一个耗时2 h的试验方法。试验时，首先固定转速2 000 r/min、20%负荷，工作20 min进行暖机；之后，更换新的喷油器，在转速1 200 r/min、10%负荷的工况下测试缸压和针阀升程；然后，在转速1 500 r/min、40%负荷的工况下工作2 h，测试缸压和针阀升程，如图6(a)所示。为了更好地模拟实车在高速公路上的运行状态，Montagne等[20]又提出了一个工作时长6 h的试验方法，转速为3 000 r/min，负荷为75%，如图6(b)所示。

图6　XUD-9试验方法

基于XUD-9试验方法，又发展了XUD-9 A/L试验方法，该方法由之前的6 h稳定工况改成10 h循环试验，可自动调整喷射时机，保障喷孔能够产生一定程度的积碳。这种使发动机适应油量的变化能力，使该试验方法在长达10多年的时间都是作为喷油器积碳试验方法的工业标准[21]。

Mulard等[22]提出了使用小型装置的试验方法。试验使用Kubota Z600-B发动机，固定发机转速3 000 r/min、3 kW电力负载，工作时长6 h。该试验方法成本较低，与XUD-9试验方法试验结果具有较好的相关性，相关系数为0.99。

4.2直喷式柴油机

欧洲协调委员会提出了轻型柴油机喷油器积碳试验方法的工业标准CEC F-98-08[23]。使用Peugeot DW10B柴油机，且在油料中添加少量锌元素。试验时，首先按照单位小时工况点工作8 h，然后停机进行8 h保温，之后重复上述过程2次，试验总时长为48 h。图7为CEC F-98-08试验方法的单位小时工况点。Hawthorne等[24]评价该试验方法与发动机全寿命周期内的经历等价。CEC F-98-08试验方法是目前直喷式柴油机喷油器积碳试验方法唯一的工业标准。

图7　CEC F-98-08试验方法单位小时工况点

Gallant等[25]提出了使用Cummins L10柴油发动机的试验方法。试验时，把2台柴油发动机首尾相连，没有测功机，其中一台发动机带动另外一台发动机转动，每15 s转换一次，试验总时长125 h。虽然该试验方法在直喷式柴油机喷油器积碳生成试验中效果显著，但其试验周期长、成本高。

之后，Risberg[26]提出了应用于欧1柴油机的试验方法，总时长20 h，图8为Risberg试验方法的循环工况点。虽然该试验方法能够产生可观的积碳且缩短了试验时间，但并未得到广泛应用。

图8　Risberg试验方法循环工况点

左彤梅等[27]以大型发动机为基础，采用含锌量为1×10-6的B10生物柴油，在单缸发动机上进行试验，目的是开发一种简单、快速的结焦试验方法。试验包括6 h的连续试验，以及中途停机保温1 h。为了与发动机实际工作情况相符，采用1台满足欧5排放标准的高功率发动机，在多种负荷工况点进行试验，试验结果表明：在转速1 200 r/min、全负荷工况下，1 d时间内能够出现明显的结焦现象。

虽然研究人员提出了以上多种柴油机喷油器积碳试验方法，但一些大型柴油机已经过时，目前没有开发出新的并且得到广泛认可的适用于重型柴油机的喷油器积碳试验方法。因此，研究适用于现代重型柴油机的喷油器积碳试验方法，使之更加简单高效地评估积碳对柴油机性能的影响，需求更加迫切。

5　积碳对喷射和燃烧的影响以及控制手段

5.1积碳对喷射和燃烧的影响

喷油器喷孔产生积碳后，会改变原有喷孔结构，造成喷孔直径减小，进而导致喷孔的出口区域减小，从而直接影响柴油流通量。此外，喷孔结构的改变也会影响原有的喷射模式，造成油气混合程度的下降和喷雾质量的减小，导致发动机功率、燃油经济性下降，废气排放物增多。

Mancaruso等[28]使用可视化单缸柴油发动机研究了不同喷孔直径的积碳喷油器对喷射和燃烧的影响，结果表明：喷油器积碳后，缸内压力峰值减小，放热率轻微延后；利用高速摄像机拍摄喷雾图片发现，喷雾初期的积碳喷油器与干净喷油器的喷雾贯穿距大致相同，之后随喷孔直径的减小而减小。

Magno[29]利用可视化4冲程单缸柴油发动机研究了喷油器积碳对质量流量、喷雾以及燃烧阶段的影响，同时测试了燃烧室内烟灰浓度、总的烟灰浓度以及废气排放物，结果表明：积碳造成喷油器质量流量减少，喷油器各孔喷射的油束分布不均匀；喷油器积碳越严重，喷雾贯穿距越小，可能造成油束的渗透力减弱，油气混合恶化，燃烧效率降低；积碳喷油器造成燃烧产生较多的烟灰，废气排放物增多。

Ambrosio等[17]通过试验研究了积碳对喷油规律、喷雾贯穿距以及喷雾锥角的影响，结果表明：积碳造成喷油器喷射流量、喷雾贯穿距以及喷雾锥角的减小，这是由于积碳的存在减小了有效喷口直径，导致流量系数恶化，并限制了喷雾在喷孔出口处的角度扩散。

目前，研究大多集中在对喷雾贯穿距以及锥角的定量分析上，而在喷孔积碳对喷孔内部流动的影响方面研究较少。借助高速摄像等技术，使得积碳喷油器对喷雾发展过程影响的研究更加有效。

5.2积碳控制手段

5.2.1喷孔表面化学改性

李范等[30]针对航空发动机喷嘴积碳问题，采用化学强氧化-阴极还原法，在喷孔表面制备了稳定的富铬氧化层。结果表明：喷孔化学改性后，静态抑制积碳率最大可达12.5%，喷孔抗积碳性能与材料的表面成分和界面张力密切相关。

5.2.2柴油中加入清净剂

郭瑞莲等[31]采用工业标准柴油机喷嘴试验方法，在XUD-9发动机台架上通过试验研究了国内市场销售的多种柴油清净剂对喷孔积碳的影响。试验通过喷孔空气流量损失表征喷孔积碳情况，结果表明：使用柴油清净剂后，喷孔流量损失最高可降低90%左右，对喷孔积碳有明显的抑制作用。

Risberg等[11]采用CEC F-98-08试验方法研究了传统清净剂与新型清净剂对喷油器积碳的影响，结果表明：油料中的锌元素能够促进喷油器积碳形成，造成发动机功率明显下降；使用柴油清净剂后，可以有效清除喷孔内的积碳，发动机功率回升比较明显，新型清净剂对积碳清除效果比传统清净剂较好。

Barbour等[32]采用CEC F-98-08试验方法研究了不同柴油清净剂对喷油器积碳的影响，结果表明：使用新型、积碳控制类清净剂后，发动机功率上升明显，聚异丁烯丁二酰亚胺类、聚异丁烯类以及聚异丁烯丁二酸类清净剂不能达到这种效果。

柴油清净剂对积碳具有明显的抑制作用，且使用方便，成本较低。国外清净剂已制订了相应的技术指标，国内柴油清净剂品种繁多、质量参差不齐，目前并没有相应的标准。

6　结论与展望

1)喷孔直径较小、喷油器所处燃烧室的环境恶劣等因素导致喷孔积碳形成机理的研究相对困难。尽管国外研究人员提出了一些理论，但是并没有得到广泛认可，还需要通过进一步试验进行验证。

2)现阶段对喷孔积碳影响的研究主要集中在喷雾贯穿距、锥角以及燃烧等方面，分析计算喷孔内部以及出口积碳对喷孔内部流动影响的研究较少。虽然喷孔积碳直接导致了雾化以及燃烧的恶化，但其根源还是由于内部流动发生了变化。

3)合理有效的积碳试验方法是研究积碳形成及影响的根本保证，目前唯一的工业标准试验方法是针对轻型柴油机建立的，还没有适用于重型柴油机的积碳试验方法。因此，研发现代重型柴油机积碳试验方法是当前的一大热点。

4)积碳分布具有一定的不规则性，研究喷孔积碳不规则性对内部流动的影响，进而分析积碳对喷雾射流的影响，对喷孔结构改进、喷雾模型的修正具有重要意义。

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(责任编辑: 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

军队计划科研项目

赵文柱(1990-)，男，博士研究生。

TK421+.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.009