直噴汽油機噴嘴積碳對噴霧的影響

裴毅強，陳 皓，秦 靜,2，周建偉，李 翔，劉 斌，胡鐵鋼，吳學(xué)松

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所，天津 300072；3. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400020)

直噴汽油機噴嘴積碳對噴霧的影響

裴毅強1，陳 皓1，秦 靜1,2，周建偉1，李 翔1，劉 斌3，胡鐵鋼3，吳學(xué)松3

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所，天津 300072；3. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400020)

利用紋影法，在定容燃燒彈中對直噴汽油機噴油器進(jìn)行噴霧特性試驗，對比了未積碳噴油器、積碳噴油器和物理清洗過的積碳噴油器在不同噴射壓力下的噴霧形態(tài)、噴霧錐角以及貫穿距離．結(jié)果表明：積碳后噴油器霧化質(zhì)量較差，噴霧錐角和貫穿距離明顯小于未積碳噴油器的噴霧錐角和貫穿距離，提高噴射壓力后這種差距有所縮?。环e碳噴油器單束油束貫穿距離差別較大，積碳后噴油器流量顯著降低，且隨噴油壓力的增加，積碳噴油器流量的變化更為顯著；掃描電子顯微鏡顯示噴油器各噴孔積碳程度不一致，經(jīng)X射線能譜分析檢測后發(fā)現(xiàn)，機油中的某些成分以及摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑對積碳的形成起到促進(jìn)作用．

直噴汽油機；噴油器積碳；噴霧特性；光譜分析

與傳統(tǒng)氣道噴射燃燒汽油機(PFI)相比，汽油機缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)技術(shù)能夠更準(zhǔn)確地控制燃油噴射和混合氣形成[1-3]，減少冷起動排放[4]，且具有更良好的瞬態(tài)響應(yīng)性能[5]；然而，由于積碳造成的噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化卻時刻影響著燃油的噴霧形狀和霧化程度，從而影響 GDI汽油機的使用性能．Avery等[6]通過對一臺直噴汽油機進(jìn)行連續(xù)運行后發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)運行 6,h之后，噴油器流量損失最高可達(dá) 11%，對噴孔橫斷面進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，靠近針閥座處的內(nèi)部積碳是導(dǎo)致噴油器早期流量損失的主要原因，噴孔內(nèi)部積碳形成早于噴孔出口處的外部積碳，且在外部積碳中發(fā)現(xiàn)潤滑油成分，而內(nèi)部積碳形成并無潤滑油影響．Aradi等[7]通過在汽油中加入 EM-2a等添加劑后，發(fā)現(xiàn)一些燃油添加劑能夠在一定程度上減輕積碳噴油器的流量損失．對于積碳噴油器對噴霧特性的影響，相關(guān)研究不多．

本研究利用光學(xué)診斷方法分析了不同噴射壓力下積碳噴油器對噴霧特性的影響，由噴霧特性試驗結(jié)果推測了缸內(nèi)直噴多孔噴油器積碳形成的特點，并用光譜分析研究了造成這種現(xiàn)象的原因．

1 噴霧特性試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

直噴汽油機噴油器燃油噴霧測試系統(tǒng)簡圖如圖1所示．測試系統(tǒng)主要包括控制用計算機、定容彈、汽油供給系統(tǒng)、噴油與攝像同步觸發(fā)信號控制電路、測試光路、高速攝像機、背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等．試驗用積碳噴油器為某型號 1.4TSI汽油機噴油器，噴孔數(shù)為6個，運行里程為15,000,km．對照組采用同型號新噴油器．本研究利用紋影方法拍攝噴霧過程．紋影儀光學(xué)系統(tǒng)由光源、凸透鏡、狹縫、平面反射鏡、凹面反射鏡和刀口等組成．光源發(fā)出的光線經(jīng)凸透鏡聚焦在狹縫上，經(jīng)平面鏡反射到球形凹面反射鏡后變成平行光．當(dāng)平行光穿過定容彈后，由第2個球形凹面反射鏡和平面反射鏡后，在刀口處聚焦，通過凸透鏡直接在高速攝像機內(nèi)成像．試驗用高速攝像機是日本產(chǎn)Photron Fastcam SA5型照相機．高速攝像機的拍攝頻率選為 10,000幀/s．此時，每幅圖像為 896×848像素點．這樣，相鄰 2幅圖像之間的時間間隔為 0.1,ms．試驗時環(huán)境溫度均為 30,℃，環(huán)境濕度為80%．

圖1 噴霧試驗裝置簡圖Fig.1 Diagram of spray test device

1.2 試驗方法

1.2.1 調(diào)整噴油器角度

圖 2給出了噴油壓力為 4,MPa、噴油背壓為0.1,MPa、噴油脈寬為 1.5,ms的噴霧圖像，將噴油器位置調(diào)整完后，拍攝到的 3次獨立噴油過程，同一噴油信號發(fā)出后(ASOI)2.0,ms時的噴霧圖片．ASOI表示噴射信號發(fā)出后時間．由圖2可見，噴霧圖片由中間油束為中心線，左右油束較為對稱．另外一束油與中間的油束重合．將噴油器固定在這一位置，進(jìn)行噴霧圖像的拍攝．此后所有噴油器安裝均按此方法校正．

圖2 調(diào)整噴油器角度Fig.2 Adjustment of injector angle

1.2.2 噴霧特性試驗

為了定量地分析噴霧特性，基于Matlab軟件，編寫了噴霧圖像分析軟件計算噴霧錐角和貫穿度．由于是多孔噴油器，貫穿度定義為多個油束中單個油束頂點到噴嘴距離最大的那束油的貫穿度．噴霧結(jié)構(gòu)參數(shù)定義如圖3所示．圖中，噴霧錐角是指油束尾部未破碎部分油束外廓線a與b之間的夾角．

圖3 噴霧特性參數(shù)Fig.3 Spray characteristics parameters

貫穿距離是指油束外廓線中距離噴油嘴最遠(yuǎn)的線段 c的長度．由于中心噴孔接近垂直，所以實際最大貫穿距離就是中心油束的貫穿度．而對于積碳噴油器來說，由于積碳導(dǎo)致噴孔堵塞從而可能使最大貫穿距的油束并不出現(xiàn)在中心孔處，為了便于研究，本試驗中定義一個新的變量Lmax，代表積碳噴油器一次噴射中噴射距離最長的油束長度．

試驗中調(diào)整噴油脈寬為 1.5,ms，環(huán)境背壓為0.1,MPa，在 6,MPa和 15,MPa的噴油壓力下分別觀測未積碳噴油器A、積碳噴油器B的噴霧圖像，試驗完成后，用無水乙醇對噴油器B表面進(jìn)行清洗，直到用肉眼無法觀察到噴嘴表面積碳為止，得到清洗后的噴油器用清洗后的噴油器 C重復(fù)以上試驗．為了便于看出噴霧過程中油束發(fā)展的主要特征，以 0.3,ms的時間步長給出了噴油過程的噴霧圖像．在噴霧試驗時，每一個噴油脈寬和背壓下進(jìn)行了 6次噴油試驗，以期獲得噴油過程中同一時刻的平均圖像，消除測試過程中噴霧過程的隨機誤差，并根據(jù)平均圖像獲得噴霧特性參數(shù)．

試驗所得噴霧圖像如圖4～圖9所示．其中噴油器A、噴油器B、噴油器C分別代表未積碳噴油器、積碳噴油器、清洗后的噴油器．噴射背壓均為0.1,MPa，環(huán)境溫度為20,℃.

圖4 噴油壓力為6,MPa時不同時刻下噴油器A的噴霧圖像Fig.4 Spray images of injector A under 6 MPa at different times

圖5 噴油壓力為6,MPa時不同時刻下噴油器B的噴霧圖像Fig.5 Spray images of injector B under 6 MPa at different times

圖6 噴油壓力為6,MPa時不同時刻下噴油器C的噴霧圖像Fig.6 Spray images of injector C under 6 MPa at different times

圖7 噴油壓力為15,MPa時不同時刻下噴油器A的噴霧圖像Fig.7 Spray images of injector A under 15 MPa at different times

圖8 噴油壓力為15,MPa時不同時刻下噴油器B的噴霧圖像Fig.8 Spray images of injector B under 15 MPa at different times

圖9 噴油壓力為15,MPa時不同時刻下噴油器C的噴霧圖像Fig.9 Spray images of injector C under 15,MPa at different times

由噴霧圖像可以明顯看出，未積碳噴油器噴霧形狀規(guī)則，中心對稱，各單束噴霧區(qū)分明顯，油束外廓線上濃度梯度均勻，整體霧化質(zhì)量較好．而積碳噴油器形狀不規(guī)則，對稱性較差，單束噴霧之間貫穿距離差別大，且相互重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，蒸發(fā)霧化不良，圖像整體與未積碳噴油器顯示出很大差異．在對積碳噴孔表面進(jìn)行清潔后，其噴霧特性與未積碳噴油器較為接近，但仍存在一定差異．

圖10 不同噴油器噴霧錐角對比Fig.10 Comparison of the spray angles of different injecttors

對噴霧圖像進(jìn)行處理，不同噴油器噴霧錐角對比如圖10所示，由圖10可以看出，積碳噴油器的噴霧錐角明顯小于未積碳噴油器的噴霧錐角，且隨噴油壓力的增大，這種由積碳造成的噴霧錐角減小的趨勢有所縮小．這是由于積碳造成噴孔直徑和形狀發(fā)生了變化，因此單個油束出口時的直徑和噴射方向也發(fā)生了改變，從而造成了噴霧錐角的減小．當(dāng)噴油壓力升高時，噴霧錐角增大，這是由于壓力升高時，單個油束徑向直徑增大；而當(dāng)噴油壓力升高時，由于積碳造成的噴霧錐角減小程度降低是由于噴孔直徑越小，油束徑向直徑的變化受噴油壓力增加的影響越大．由于單個油束噴射情況的不同，使積碳噴油器油束之間相互干涉嚴(yán)重，液滴之間相互碰撞聚合，造成部分區(qū)域油束蒸發(fā)困難，整體上顯示出較大的不規(guī)則性．

圖 11所示為不同噴油器貫穿距離的對比，其中L1、L2分別代表未積碳噴油器貫穿距離和積碳噴油器貫穿距離；L2max表示積碳噴油器噴射距離最遠(yuǎn)的單個油束長度．由圖可以看出積碳噴油器中心油束貫穿距離明顯小于未積碳噴油器貫穿距離，且在油壓較小時貫穿距離差別最大且發(fā)展不穩(wěn)定，在油壓較大時貫穿距離差異情況有所好轉(zhuǎn)；這說明積碳噴油器個別噴孔出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞，使油束的出口速度及出口壓力發(fā)生很大改變．然而積碳噴油器最長油束貫穿距離發(fā)展速度很快，在一定時刻后甚至超越了未積碳噴油器的貫穿距離，這是由于個別噴孔的嚴(yán)重堵塞造成其他噴孔分壓的增大，從而使油束出口速度增大．積碳噴油器噴射初始時刻中心油束貫穿距離和最長油束貫穿距離都較小，這可能是由于噴孔內(nèi)部以及針閥處存在一定程度的內(nèi)部積碳；由圖10和圖11可以看出，清除積碳噴油器噴孔外部積碳后，其噴霧錐角以及貫穿距離雖然都接近未積碳噴油器，但仍然存在一定差距，這也驗證了噴油器存在內(nèi)部積碳．

圖11 不同噴油器貫穿距離的對比Fig.11 Comparison of the penetration distance of different injectors

由以上實驗結(jié)果可知，積碳噴油器在低噴油壓力下對噴霧系統(tǒng)影響較大，噴油壓力升高，噴霧系統(tǒng)受噴油器積碳的影響減弱；由于直噴汽油機的性能十分依賴于燃油計量精確性以及霧化質(zhì)量[8-11]，因此，噴油器積碳后，發(fā)動機在冷起動、怠速以及小負(fù)荷運行時容易發(fā)生起動困難、怠速不穩(wěn)以及失火現(xiàn)象[11-12]．同時，由于積碳噴油器燃油噴霧質(zhì)量較差，且霧化不均勻，可以導(dǎo)致發(fā)動機經(jīng)濟性下降，碳?xì)浠衔锛疤紵熍欧旁黾覽13-15]，大大降低了直噴汽油機的使用性能．由實驗結(jié)果可知，用物理方法對積碳噴嘴進(jìn)行清理后，燃油噴射霧化質(zhì)量有一定程度的改善，因此，對積碳噴嘴表面進(jìn)行物理清潔能夠有效改善其使用性能．

由L2max與L2的對比可知，噴油器6個噴孔處積碳的形成并不是等速均勻的，個別噴孔的積碳情況比其他噴孔嚴(yán)重很多．這可能是由于各噴孔和缸內(nèi)氣流運動方向、火焰?zhèn)鞑シ较蛩蓨A角不同，從而造成不同噴孔積碳形成過程不一致；為了將噴孔間積碳程度的不一致程度進(jìn)行放大，從而便于研究，選取連續(xù)行駛里程 8×104,km的直噴汽油機噴油器進(jìn)行如下光譜分析．

2 光譜分析

2.1 SEM分析

試驗用噴油器為某 1.4TSI汽油機噴油器，噴孔數(shù)為 6個，運行里程為 8×104,km．本實驗所用儀器為日本日立(HITACHI)公司生產(chǎn)的 X-650掃描電子顯微鏡，分辨率為 60,A；加速電壓 0～40,kV；步長1,kV；放大倍數(shù)20～20萬倍．

掃描電子顯微鏡(SEM)下觀測的積碳噴油器形貌特征如圖12所示，由圖12(a)可以看出，積碳后噴孔的流通面積減小，且積碳從噴孔四周向內(nèi)部生長較為均勻；X、Y兩孔的積碳程度明顯比其他孔嚴(yán)重，對X、Z兩孔進(jìn)行放大后，發(fā)現(xiàn)X孔幾乎完全堵塞，無明顯孔口；Z孔雖堵塞嚴(yán)重，但仍能看出明顯孔口，X孔與Z孔積碳程度差異十分明顯．

圖12 積碳噴孔的SEM圖像Fig.12 SEM image of coking orifice

2.2 EDX分析

分別對X、Z兩孔處的積碳進(jìn)行能量色散X射線

光譜分析，結(jié)果如表1所示．試驗所用EDX元素測量范圍為 11,Na～92,U；濃度測量精度為(1.9～3.7)×10-6,．

表1 積碳樣品的能譜分析Tab.1 Energy spectrum analysis of the carbon sample

由表1可看出積碳的主要成分為碳黑，其結(jié)構(gòu)與無定形碳類似，都屬于碳單質(zhì)的同素異構(gòu)體．樣品中還存在較多的金屬氧化物、非金屬氧化物、硫化物以及碳酸鹽、硅酸鹽等化合物，還可能有一部分金屬元素以單質(zhì)形式存在；這些元素大多來自汽油添加劑、機油以及機油添加劑，還有一部分金屬元素可能來自于缸套與活塞環(huán)之間摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑．

對比 X孔與 Z孔處的積碳成分可以看出，X孔處金屬氧化物、非金屬氧化物等物質(zhì)成分含量是 Z孔處的 2倍左右．由此可知，這些非碳物質(zhì)對積碳的形成起到促進(jìn)作用，甚至某些金屬氧化物或硫化物可能對積碳的形成起到催化作用．這些化合物在噴油器頭部上并非均勻分布，而是由于氣流運動和噴嘴位置的特點而帶有一定的規(guī)律性．進(jìn)一步的試驗驗證待以后進(jìn)行．

3 流量特性試驗

流量特性試驗臺如圖13所示.

試驗方法主要是通過控制噴油器的噴油壓力、噴油次數(shù)和噴油脈寬，從而獲得不同工況下噴油器的流量特性；噴油器噴出的燃油由集液瓶收集，并通過稱重法測量出噴油器的流量，其中細(xì)管的作用是保持集液瓶中的壓力始終恒定．通過蓄能器對燃油進(jìn)行加壓，從而獲得穩(wěn)定的噴油壓力；在噴油器前端安裝穩(wěn)壓器，測量穩(wěn)壓器中的溫度和壓力，即為噴油器出口處的溫度和壓力，噴油器控制信號由NI PCI 6154發(fā)出，試驗時環(huán)境溫度均為30,℃，環(huán)境濕度為80%．

圖13 流量特性試驗臺Fig.13 Test bed for flow characteristic

試驗所用噴油器同樣為某 1.4TSI汽油機噴油器；為了便于分析，試驗中選用運行里程數(shù)分別為5,000,km、20,000,km、50,000,km和80,000,km的噴油器進(jìn)行流量特性試驗，試驗時設(shè)定噴油脈寬為 5,ms，噴油次數(shù)為 100次，分別在 6,MPa、10,MPa以及15,MPa的噴油壓力下進(jìn)行試驗；將未積碳噴油器流量視作 100%，得到不同積碳程度的噴油器在不同工況下的流量損失，試驗結(jié)果如圖14所示.

圖14 不同噴油器流量特性Fig.14 Flow characteristics of different injectors

由試驗結(jié)果可以看出，積碳對噴油器流量特性的影響十分明顯，流量損失隨噴油器運行時間的增加而增加，在運行了 80,000,km后，噴油器的流量損失甚至下降了接近 50%，且隨著噴油壓力的增加，噴油器積碳后流量的變化越為顯著．

4 結(jié) 論

(1) 直噴汽油機噴油器積碳后，噴霧錐角及貫穿距離都有明顯降低，且在低噴射壓力下降低明顯，高噴射壓力下有所緩和．積碳噴油器油束霧化質(zhì)量差，單個油束貫穿距離不一致且相互干涉嚴(yán)重．

(2) 物理方法清除噴嘴表面積碳能夠明顯改善其噴霧特性；清洗后噴油器噴霧錐角、貫穿距離以及霧化質(zhì)量都接近于未積碳噴油器．

(3) 積碳的主要成分為碳黑，還存在一定量的金屬及金屬化合物，積碳噴油器單個噴孔堵塞情況不一致，相比較于積碳程度較輕的噴孔，堵塞嚴(yán)重的噴孔其積碳成分中金屬及金屬氧化物含量較高．

(4) 積碳后噴油器流量顯著降低，且隨噴油壓力的增加，積碳噴油器流量的變化更為顯著．

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（責(zé)任編輯：孫立華）

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.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA111703).

裴毅強（1967— ），男，博士，副教授.

裴毅強，peiyq@tju.edu.cn.

時間：2014-05-16.

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