清洁剂选型与复配对喷油器积碳影响的试验研究

黄镡，程莹东，王金龙，肖进

上海交通大学新能源动力研究所，上海 200240

0 引言

在能源、环境问题日益凸显及双碳战略目标的背景下，解决尾气排放和降低能耗是当务之急，汽油缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)发动机凭借其经济性、动力性、排放性等优势受到了众多汽车制造商的青睐[1]。由于GDI发动机的喷油器直接暴露在燃烧室内，工作环境恶劣，喷油器喷嘴处极易产生大量积碳，喷孔处积碳厚度为6 μm时喷油量降低26%[2]。积碳能够降低喷油器流量、改变喷雾锥角、缩短喷油持续期，从而导致燃烧恶化，排放性能变差，严重影响GDI发动机的性能[3-4]。

发动机喷油器积碳的生成过程是复杂的物理化学过程，与多种因素有关[5]。目前国内外对喷油器积碳的研究主要集中在燃油组分以及积碳形成机理方面，对于抑制积碳生成的有效途径研究较少。研究表明，添加汽油清洁剂能够有效抑制发动机喷油器内部积碳生成，同时也是维持发动机动力性、经济性以及排放性的有效方法[6-7]。国内除北京地区之外的其他地方没有强制要求添加汽油清洁剂，因此国内对汽油清洁剂的研究起步较晚。由于对市场上各种清洁剂认识不足，对于使用方法和添加浓度也是众说纷纭[8]。

目前大多数的清洁剂测试试验都是在发动机台架上进行[9]，积碳生成是长期缓慢的过程，需要花费大量的时间；而且影响积碳生成的因素很多，难以准确判断某个具体因素的影响。本文中搭建金属片积碳试验台架研究3家公司生产的聚醚胺和3家公司生产的聚异丁烯胺的质量分数、温度对积碳生成的影响，并且将不同清洁剂进行复配，在喷油器台架上测试喷油量，研究不同清洁剂对积碳生成的影响规律。

1 试验装置及方案

1.1 金属片积碳试验台架

金属片积碳试验台架主要由高温炉、比例积分微分(proportional integral derivative，PID)温度控制系统以及注射系统3部分组成，如图1所示。高温炉采用镍铬合金电热丝，最大加热功率为2 kW，最高使用温度为600 ℃。为使高温炉的加热丝尽可能中心对称分布，本试验选用方型炉盘结构。温度控制系统由温度传感器、继电器以及温度控制器组成。注射系统由注射泵、注射器以及长针管等组成。为了保证滴落在金属片的汽油及时流向最低位置，减少积液产生，试验设计高温炉盘与水平位置的倾角为10°。考虑到汽油在高温情况下的球型蒸发模式[10]，汽油会滚落在高温金属表面的四周，为了防止汽油飞溅到金属片外部影响试验结果，此次试验设计的金属片为圆形浅碗结构。

图1 金属片积碳试验台架示意图

1.2 喷油器积碳生成台架

喷油器积碳生成台架主要由喷油系统、氮气供压系统以及温度控制系统等组成。喷油系统包括某公司G10六孔非均匀GDI喷油器、NI9751型喷油器驱模块。氮气供压系统包括高压氮气瓶、储能器以及压力表。温度控制系统主要由12片正温度系数陶瓷加热片、PID控制器以及K型热电偶组成。喷油器积碳生成试验台架如图2所示。

图2 喷油器积碳生成试验台架示意图

1.3 试验方案

市场采购了3种常见的聚醚胺原液，分别记为E1、E2、E3，3种常见的聚异丁烯胺原液，分别记为E4、E5、E6，各清洁剂的主要成分、纯度及外观如表1所示。

表1 清洁剂的主要成分、纯度及外观

采用正交法进行试验，测试清洁剂质量分数分别为0.01%、0.02%、0.05%的汽油在120～200 ℃(每间隔10 ℃)[11]时的积碳生成情况；最后选取1种聚醚胺和1种聚异丁烯胺按不同比例复配进行对比试验。为保证试验的可靠性，尽量保持在恒温、恒湿环境中进行试验，本次试验环境温度为26～30 ℃，相对湿度为40%～60%，最后对复配好的清洁剂在积碳生成台架上进行喷油量测试。积碳生成程序参考文献[12-13]，由44个循环组成，每个循环的时间为1 h。设定喷嘴温度为160 ℃， 喷油周期为150 ms， 每次喷射100次，喷射完毕之后保温至下一次喷射。积碳生成前、后使用正庚烷进行流量测试[14]。

2 试验结果分析

2.1 金属片积碳试验

在金属片积碳试验台架上开展清洁剂类型、质量分数以及温度对积碳的影响测试，结果如图3所示。

图3 清洁剂类型、质量分数以及温度对积碳的影响

由图3a)可知：温度为120～150 ℃时，E1均有一定的清洁效果，且E1的质量分数为0.02%时清洁效果最佳；当温度由150 ℃升高到160 ℃，积碳质量开始急剧增加，随着温度的进一步升高，积碳质量开始减少；E1汽油(清洁剂为E1的汽油，下同)的平均积碳质量大于无添加汽油，且汽油中E1质量分数越大，积碳质量越大，清洁效果越差。综上结果分析，汽油中E1的质量分数为0.02%、温度为120～150 ℃时，清洁效果较好。

由图3b)可知：E2的清洁效果整体与E1类似，当温度为120～150 ℃时，E2清洁效果均较好，E2质量分数为0.02%时清洁效果最好；当温度为160 ℃时，积碳质量显著增加，且E2质量分数不同的汽油积碳都明显高于无添加汽油；随着温度进一步升高，积碳质量先上升后下降，且汽油中E2质量分数越大产生的积碳越多。综上，E2整体清洁效果不佳，建议在E2质量分数为0.02%、低温(120～150 ℃)时使用。

由图3c)可知：E3的清洁效果受质量分数影响比较大，汽油中E3的质量分数为0.01%、0.02%时基本没有清洁效果，温度为160～200 ℃时，E3汽油的积碳质量明显高于无添加汽油；E3质量分数为0.05%、温度为120～170 ℃时具有一定的清洁效果，温度继续升高时E3汽油的积碳质量显著增加，且E3的质量分数越大积碳量越多。综上，E3质量分数为0.05%、温度为120～170 ℃时的清洁效果较好。

由图3d)可知：E4的总体清洁效果不佳，温度为130～150 ℃时E4清洁效果较明显，当温度为160 ℃时，E4汽油的积碳质量显著增加且达到峰值；当温度为170～200 ℃时，E4能够减少积碳产生；E4质量分数对积碳的影响总体呈现出汽油中E4的质量分数越高积碳越多的趋势；E4质量分数为0.01%时清洁效果较好。综上，使用时，应适当降低汽油中E4的质量分数。

由图3e)可知：不同质量分数的E5均有一定的清洁效果，温度较高时E5的清洁效果更明显；温度为120～160 ℃时，不同质量分数的E5清洁效果差异明显且变化幅度比较大，汽油中E5质量分数为0.01%时清洁效果最佳；当温度超过160 ℃，E5都有明显的清洁效果。综上，在温度较低(120～160 ℃)时应当减小汽油中E5的质量分数，温度较高(170～200 ℃)时可以适当增大汽油中E5的质量分数。

由图3f)可知：E6为120～160 ℃时具有明显的清洁效果，当温度超过170 ℃，E6质量分数为0.01%、0.02% 的汽油积碳比无添加汽油多，而E6质量分数为0.05%的汽油延迟了这一表现，在180 ℃之后才呈现出此结果； 120～170 ℃时，汽油中E6的质量分数越高，E6的清洁效果越好，180～200 ℃效果越差，E6清洁效果和聚醚胺非常类似。综上，当使用温度为120～170 ℃时，可以适当增加汽油中E6的质量分数。

根据以上分析，聚醚胺表现出2阶段特点，温度为120～150 ℃具有良好的清洁效果，且聚醚胺质量分数越高的汽油产生的积碳越少，清洁效果越好；温度为160～200 ℃时，聚醚胺汽油的积碳显著增加，聚醚胺不具备清洁效果，且汽油中聚醚胺的质量分数越高积碳越多； 3个不同厂家的聚醚胺中， E2汽油的平均积碳量最低，汽油中E2的质量分数为0.02%时的清洁效果相对更佳。聚异丁烯胺在120～200 ℃具有一定的清洁效果；温度较低时，其清洁效果不如聚醚胺，但是温度较高时，其清洁性能高于聚醚胺，两者表现出互补的特点；3种聚异丁烯胺的清洁效果差异较大，E5的清洁效果较好，且汽油中E5质量分数为0.01%时清洁性能相对最优。

2.2 聚醚胺、聚异丁烯胺复配试验

根据上述试验结果，E2和E5清洁性能相对最优，由于聚醚胺和聚异丁烯胺有互补特点，因此对E2和E5按照质量比分别为2：1、1：1、1：2进行复配，3种清洁剂分别记为E7、E8、E9。对各复合清洁剂质量分数均为0.02%的汽油进行试验，结果如图4所示。

图4 复配添加剂和温度对积碳的影响

由图4可知：E7含有的聚醚胺质量最多，表现出聚醚胺的特点，但是其积碳峰值相对于E2汽油有较大降低；E9含有的聚异丁烯胺较多，120～200 ℃时清洁效果较好， 120～150 ℃时E9汽油积碳质量少于E5汽油，在全部温度范围内平均积碳质量也低于E5汽油； E8的清洁效果基本介于聚醚胺和聚异丁烯胺之间，但是聚醚胺的作用效果更明显，温度较高时依然产生较多积碳。

2.3 喷油器积碳生成试验

为了进一步研究各种清洁剂对喷油器积碳的影响，选取无添加汽油和清洁剂分别为E2、E5、E9的汽油进行喷油器积碳模拟生成试验，喷嘴温度为160 ℃。喷油器内部积碳显著影响燃油喷射量，二者呈现负相关关系，本试验前、后用正庚烷进行喷油器流量测试，以此计量喷油器内部积碳的质量，结果如表2所示。

表2 不同清洁剂对喷油量的影响

由表2可知：3种清洁剂都有一定的清洁效果，且三者之间的相对关系和金属片积碳试验结果保持一致，即在清洁剂质量分数为0.02%、温度为160 ℃时E5清洁效果最好，E2效果最差。值得注意的是，该结果与金属片积碳试验不完全一致，质量分数为0.02%的E2汽油在金属片积碳试验台架上产生的积碳比无添加汽油多，但是在喷油器积碳生成台架上其积碳量较少，分析认为可能是喷油器的高压喷射对积碳起冲刷作用，减少了汽油与喷油器的接触时间，改变了积碳生成形式。

3 结论

1)3种聚醚胺总体上具有一致性，120～150 ℃时清洁效果良好，且汽油中清洁剂质量分数越大清洁效果越好；温度为160～200 ℃时积碳质量显著增加，此温度下聚醚胺不具备清洁效果，且汽油中清洁剂质量分数越高，积碳质量越多，清洁效果越差；汽油中聚醚胺的质量分数对清洁效果影响较大，推荐使用聚醚胺质量分数为0.02%的汽油。

2)3种聚异丁烯胺的清洁效果差别较大，温度为120～200 ℃时均有一定的清洁效果，在120～150 ℃时其清洁性能不如聚醚胺，160～200 ℃时清洁性能优于聚醚胺，与聚醚胺形成互补；聚异丁烯胺受质量分数的影响相对较小，推荐使用聚异丁烯胺质量分数为0.01%的汽油。

3)汽油中清洁剂质量分数为0.02%时，E2和E5按照质量比为1：2进行复配形成的清洁剂在120～200 ℃均具有较好的清洁效果。

4)喷嘴温度为160 ℃时，E5、E9、E2的清洁效果依次降低，E5、E9、E2的质量分数为0.02%的汽油和无添加汽油在积碳形成后喷嘴流量的下降率分别为5.13%、5.86%、6.45 %、8.76%。