柴油機(jī)噴油器噴孔積碳形成及影響研究進(jìn)展

趙文柱， 和　穆， 董芮寒， 馬　寧

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)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(jī)噴油器噴孔積碳形成及影響研究進(jìn)展

趙文柱1， 和穆1， 董芮寒2， 馬寧1

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

概述了國內(nèi)外關(guān)于柴油機(jī)噴油器噴孔積碳形成及其影響的研究現(xiàn)狀，主要總結(jié)了國外噴孔積碳形成機(jī)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(shù)手段，分析了積碳對噴孔流量、噴霧質(zhì)量、燃燒狀況以及廢氣排放物的影響，介紹了積碳試驗(yàn)方法以及積碳控制手段。最后總結(jié)了當(dāng)前噴孔積碳研究中存在的問題，并對下一步研究方向進(jìn)行了探討。

柴油機(jī)； 噴油器； 噴孔積碳； 噴霧； 燃燒

近年來，隨著對柴油機(jī)性能以及排放日益嚴(yán)格的要求，柴油機(jī)噴射系統(tǒng)呈現(xiàn)噴射壓力不斷增大、噴孔直徑不斷減小的趨勢，同時(shí)也增加了噴孔產(chǎn)生積碳的可能性[1-2]。噴孔積碳導(dǎo)致噴孔內(nèi)部以及出口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，干擾燃油噴射模式，引起噴霧質(zhì)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(guān)注，特別是歐美國家對柴油機(jī)噴孔積碳的形成機(jī)理以及影響進(jìn)行了大量的研究并取得了一定的進(jìn)展；國內(nèi)在柴油機(jī)噴孔積碳方面的研究較少。筆者對當(dāng)前噴孔積碳形成機(jī)理及影響積碳形成的因素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)討論積碳機(jī)理研究中需解決的關(guān)鍵技術(shù)、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(jìn)行探討。

1　積碳形成機(jī)理

1)從柴油機(jī)工作過程角度

Caprotti等[7]認(rèn)為：直噴式柴油機(jī)噴油器針閥關(guān)閉后，噴孔內(nèi)有少量的柴油殘留，氣缸對外膨脹做功，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高，柴油擴(kuò)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(nèi)的高溫導(dǎo)致燃油成分蒸發(fā)，燃油發(fā)生高溫裂化反應(yīng)形成了黏性積碳；燃燒過程中產(chǎn)生的碳煙、高沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔镆约皾櫥统煞衷诜e碳表面積累，柴油的較高擴(kuò)散率、燃燒室內(nèi)的碳煙環(huán)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(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)：積碳的主要成分為有機(jī)材料(碳、碳?xì)浠衔?、氧、?，還有少量的無機(jī)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(diǎn)的碳?xì)浠衔?，積碳形成過程可分為誘發(fā)期和成長期2個(gè)過程，如圖1所示。其中：(1)在積碳形成的誘發(fā)期，由于壁面溫度低，高沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔锸芾淠饔?，在壁面形成一層黏性薄膜，因黏紙效?yīng)，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(zhì)不斷被吸附，積碳厚度增加，而鼓勵(lì)效應(yīng)導(dǎo)致積碳表面溫度升高，結(jié)合力降低，限制了更多微粒的加入，同時(shí)氣體的流動(dòng)波動(dòng)致使積碳黏度增大，一旦積碳附著在壁面上，受長時(shí)間高溫的影響，分解、脫水、聚合等化學(xué)反應(yīng)就會(huì)發(fā)生，積碳層進(jìn)一步壓緊。

圖1　積碳形成過程

3)從柴油機(jī)熱氧化過程角度

Singer等[9]使用純柴油樣本進(jìn)行熱處理，研究了溫度和時(shí)間對柴油熱氧化反應(yīng)形成積碳過程的影響，認(rèn)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(gè)階段：

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

(2)當(dāng)MOFP加熱到150 ℃時(shí)，MOFP開始形成分叉的高分子質(zhì)量的物質(zhì)，當(dāng)加熱時(shí)間較短時(shí)，大多數(shù)的物質(zhì)仍會(huì)被柴油帶走；隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長，MOFP不斷增多，而當(dāng)達(dá)到臨界溫度300 ℃時(shí)，該物質(zhì)大部分形成了不可溶而相互關(guān)聯(lián)的聚合網(wǎng)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(shí)噴油器噴孔內(nèi)部積碳的形成機(jī)理，認(rèn)為使用含有鋅元素的柴油時(shí)，噴孔積碳形成過程可分為3個(gè)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(jìn)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(yīng)生成羧酸鋅，在噴孔出口處形成了瓶頸，限制了柴油的流動(dòng)；(2)發(fā)展階段，由于羧酸鋅與燃燒氣體中的水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，噴孔進(jìn)口積碳形成了碳酸鋅，而噴孔出口的羧酸鋅逐漸達(dá)到飽和(溫度升高，碳酸鋅分解)，積碳逐漸向中間以及噴孔進(jìn)口一側(cè)發(fā)展； (3)飽和狀態(tài)，噴孔進(jìn)口處的碳酸鋅逐漸達(dá)到飽和，并在噴孔出口處形成瓶頸，此時(shí)積碳生成和清除之間達(dá)到平衡。

圖2　噴孔積碳形成過程的3個(gè)階段

由于噴孔直徑較小，工作環(huán)境惡劣，噴孔積碳特別是噴孔內(nèi)部積碳難以觀察和分析，導(dǎo)致積碳形成機(jī)理研究不深入，目前還沒有獲得廣泛認(rèn)可的機(jī)理。此外，積碳的表述還沒有統(tǒng)一的說法，積碳(depo-sit)、焦化(coking)和堵塞(fouling)等論述都有出現(xiàn)，這也是積碳形成機(jī)理研究工作的一個(gè)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(nèi)的柴油在到達(dá)出口處的過程中溫度逐漸升高，柴油高溫劣化反應(yīng)加速了積碳的形成。

Lepperhoff等[8]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：不同溫度下形成的積碳結(jié)構(gòu)與成分都不相同。Risberg等[11]通過試驗(yàn)研究了噴油器頂端溫度與積碳的關(guān)系，在噴油器靠近噴孔處安裝了一個(gè)微型熱電偶，實(shí)時(shí)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(yán)重程度的一個(gè)關(guān)鍵值，結(jié)果表明：NTT越高，積碳量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降越多。Singer等[9]認(rèn)為300 ℃為積碳形成不溶物質(zhì)并且難以清除的臨界溫度，溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，積碳形成相互連接不溶的網(wǎng)狀物，高溫下時(shí)間越長，積碳越多。

2.2噴孔結(jié)構(gòu)的影響

噴孔結(jié)構(gòu)的改變影響噴孔內(nèi)部燃油流動(dòng)以及空化程度，進(jìn)而影響積碳的形成。Argueyrolles等[12]研究了噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(噴孔數(shù)目、錐度、液力研磨程度、孔徑)對積碳的影響，結(jié)果表明：噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變導(dǎo)致噴孔內(nèi)空化程度的改變，最終影響積碳的形成；空化產(chǎn)生的氣泡從噴孔進(jìn)口向出口移動(dòng)，限制了噴孔內(nèi)壁積碳的形成，氣泡破裂產(chǎn)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(yàn)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(chǎn)生的量，結(jié)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(chǔ)油，在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上開展試驗(yàn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力損失評估積碳量，其結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：生物柴油和鋅元素均導(dǎo)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(shí)，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(rèn)為可能是因?yàn)樯锊裼褪呛芎玫娜軇?，但是沒有給出具體的原因。

表1　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果

Kumagai等[15]以B7柴油(7%生物柴油)為基礎(chǔ)油，在4缸柴油機(jī)臺架上開展試驗(yàn)，根據(jù)扭矩下降率評估積碳量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： B7柴油中加入2 ppm鋅元素的發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作300 h后，扭矩線性下降9%，拆解噴油器發(fā)現(xiàn)針閥沒有積碳，而噴孔有積碳產(chǎn)生；使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)觀察，噴孔出口處比進(jìn)口處的積碳要多；B7柴油中不加入鋅元素的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)噴油器的流量損失以及碳煙排放情況，結(jié)果表明：隨著工作時(shí)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(yàn)結(jié)果均表明鋅元素可以促進(jìn)積碳的形成，但是鋅元素促進(jìn)積碳產(chǎn)生的機(jī)理還不清楚，鋅元素是作為催化劑加快積碳產(chǎn)生還是成為了積碳的一部分還需要進(jìn)一步研究。

3　積碳形貌觀察及元素分析

隨著科技水平的進(jìn)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，F(xiàn)T-IR)等手段的應(yīng)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(jī)進(jìn)行了250 h耐久性試驗(yàn)，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(diǎn)，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(jìn)行了元素分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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(rèn)為：高溫下積碳主要是來自碳?xì)浠衔锏姆纸庖约疤細(xì)浠衔锞酆袭a(chǎn)生的多環(huán)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(nèi)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(nèi)部積碳形成過程，如圖5所示，他們認(rèn)為：噴孔出口處首先形成積碳，隨著噴孔內(nèi)部溫度的升高，積碳逐漸向噴孔進(jìn)口發(fā)展，最終進(jìn)口一側(cè)的積碳較多。

此外，電子探針微區(qū)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(shù)也逐步應(yīng)用于積碳形貌觀察以及元素分析，特別是噴孔內(nèi)部積碳的分析。雖然對噴孔進(jìn)行線切割處理可觀察到內(nèi)部積碳形貌，但由于噴孔直徑較小，切割時(shí)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(nèi)窺鏡觀察噴孔內(nèi)部積碳形貌。但工業(yè)內(nèi)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(nèi)窺鏡。

4　積碳試驗(yàn)方法

為了使噴油器在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定量的積碳，以研究積碳對發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧以及燃燒的影響，很多研究人員提出了發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器積碳試驗(yàn)方法。

4.1非直噴式柴油機(jī)

Montagne等[20]使用XUD-9發(fā)動(dòng)機(jī)(直列4缸、4沖程)，提出了一個(gè)耗時(shí)2 h的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)，首先固定轉(zhuǎn)速2 000 r/min、20%負(fù)荷，工作20 min進(jìn)行暖機(jī)；之后，更換新的噴油器，在轉(zhuǎn)速1 200 r/min、10%負(fù)荷的工況下測試缸壓和針閥升程；然后，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、40%負(fù)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(shí)車在高速公路上的運(yùn)行狀態(tài)，Montagne等[20]又提出了一個(gè)工作時(shí)長6 h的試驗(yàn)方法，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，負(fù)荷為75%，如圖6(b)所示。

圖6　XUD-9試驗(yàn)方法

基于XUD-9試驗(yàn)方法，又發(fā)展了XUD-9 A/L試驗(yàn)方法，該方法由之前的6 h穩(wěn)定工況改成10 h循環(huán)試驗(yàn)，可自動(dòng)調(diào)整噴射時(shí)機(jī)，保障噴孔能夠產(chǎn)生一定程度的積碳。這種使發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)油量的變化能力，使該試驗(yàn)方法在長達(dá)10多年的時(shí)間都是作為噴油器積碳試驗(yàn)方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[21]。

Mulard等[22]提出了使用小型裝置的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)使用Kubota Z600-B發(fā)動(dòng)機(jī)，固定發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min、3 kW電力負(fù)載，工作時(shí)長6 h。該試驗(yàn)方法成本較低，與XUD-9試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.99。

4.2直噴式柴油機(jī)

歐洲協(xié)調(diào)委員會(huì)提出了輕型柴油機(jī)噴油器積碳試驗(yàn)方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CEC F-98-08[23]。使用Peugeot DW10B柴油機(jī)，且在油料中添加少量鋅元素。試驗(yàn)時(shí)，首先按照單位小時(shí)工況點(diǎn)工作8 h，然后停機(jī)進(jìn)行8 h保溫，之后重復(fù)上述過程2次，試驗(yàn)總時(shí)長為48 h。圖7為CEC F-98-08試驗(yàn)方法的單位小時(shí)工況點(diǎn)。Hawthorne等[24]評價(jià)該試驗(yàn)方法與發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期內(nèi)的經(jīng)歷等價(jià)。CEC F-98-08試驗(yàn)方法是目前直噴式柴油機(jī)噴油器積碳試驗(yàn)方法唯一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7　CEC F-98-08試驗(yàn)方法單位小時(shí)工況點(diǎn)

Gallant等[25]提出了使用Cummins L10柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)，把2臺柴油發(fā)動(dòng)機(jī)首尾相連，沒有測功機(jī)，其中一臺發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)另外一臺發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每15 s轉(zhuǎn)換一次，試驗(yàn)總時(shí)長125 h。雖然該試驗(yàn)方法在直噴式柴油機(jī)噴油器積碳生成試驗(yàn)中效果顯著，但其試驗(yàn)周期長、成本高。

之后，Risberg[26]提出了應(yīng)用于歐1柴油機(jī)的試驗(yàn)方法，總時(shí)長20 h，圖8為Risberg試驗(yàn)方法的循環(huán)工況點(diǎn)。雖然該試驗(yàn)方法能夠產(chǎn)生可觀的積碳且縮短了試驗(yàn)時(shí)間，但并未得到廣泛應(yīng)用。

圖8　Risberg試驗(yàn)方法循環(huán)工況點(diǎn)

左彤梅等[27]以大型發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用含鋅量為1×10-6的B10生物柴油，在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，目的是開發(fā)一種簡單、快速的結(jié)焦試驗(yàn)方法。試驗(yàn)包括6 h的連續(xù)試驗(yàn)，以及中途停機(jī)保溫1 h。為了與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作情況相符，采用1臺滿足歐5排放標(biāo)準(zhǔn)的高功率發(fā)動(dòng)機(jī)，在多種負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速1 200 r/min、全負(fù)荷工況下，1 d時(shí)間內(nèi)能夠出現(xiàn)明顯的結(jié)焦現(xiàn)象。

雖然研究人員提出了以上多種柴油機(jī)噴油器積碳試驗(yàn)方法，但一些大型柴油機(jī)已經(jīng)過時(shí)，目前沒有開發(fā)出新的并且得到廣泛認(rèn)可的適用于重型柴油機(jī)的噴油器積碳試驗(yàn)方法。因此，研究適用于現(xiàn)代重型柴油機(jī)的噴油器積碳試驗(yàn)方法，使之更加簡單高效地評估積碳對柴油機(jī)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(chǎn)生積碳后，會(huì)改變原有噴孔結(jié)構(gòu)，造成噴孔直徑減小，進(jìn)而導(dǎo)致噴孔的出口區(qū)域減小，從而直接影響柴油流通量。此外，噴孔結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)影響原有的噴射模式，造成油氣混合程度的下降和噴霧質(zhì)量的減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油經(jīng)濟(jì)性下降，廢氣排放物增多。

Mancaruso等[28]使用可視化單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)果表明：噴油器積碳后，缸內(nèi)壓力峰值減小，放熱率輕微延后；利用高速攝像機(jī)拍攝噴霧圖片發(fā)現(xiàn)，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(fā)動(dòng)機(jī)研究了噴油器積碳對質(zhì)量流量、噴霧以及燃燒階段的影響，同時(shí)測試了燃燒室內(nèi)煙灰濃度、總的煙灰濃度以及廢氣排放物，結(jié)果表明：積碳造成噴油器質(zhì)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(yán)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(chǎn)生較多的煙灰，廢氣排放物增多。

Ambrosio等[17]通過試驗(yàn)研究了積碳對噴油規(guī)律、噴霧貫穿距以及噴霧錐角的影響，結(jié)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(dǎo)致流量系數(shù)惡化，并限制了噴霧在噴孔出口處的角度擴(kuò)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(nèi)部流動(dòng)的影響方面研究較少。借助高速攝像等技術(shù)，使得積碳噴油器對噴霧發(fā)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(xué)改性

李范等[30]針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴積碳問題，采用化學(xué)強(qiáng)氧化-陰極還原法，在噴孔表面制備了穩(wěn)定的富鉻氧化層。結(jié)果表明：噴孔化學(xué)改性后，靜態(tài)抑制積碳率最大可達(dá)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(guān)。

5.2.2柴油中加入清凈劑

郭瑞蓮等[31]采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)噴嘴試驗(yàn)方法，在XUD-9發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上通過試驗(yàn)研究了國內(nèi)市場銷售的多種柴油清凈劑對噴孔積碳的影響。試驗(yàn)通過噴孔空氣流量損失表征噴孔積碳情況，結(jié)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(yàn)方法研究了傳統(tǒng)清凈劑與新型清凈劑對噴油器積碳的影響，結(jié)果表明：油料中的鋅元素能夠促進(jìn)噴油器積碳形成，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降；使用柴油清凈劑后，可以有效清除噴孔內(nèi)的積碳，發(fā)動(dòng)機(jī)功率回升比較明顯，新型清凈劑對積碳清除效果比傳統(tǒng)清凈劑較好。

Barbour等[32]采用CEC F-98-08試驗(yàn)方法研究了不同柴油清凈劑對噴油器積碳的影響，結(jié)果表明：使用新型、積碳控制類清凈劑后，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)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(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，國內(nèi)柴油清凈劑品種繁多、質(zhì)量參差不齊，目前并沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

6　結(jié)論與展望

1)噴孔直徑較小、噴油器所處燃燒室的環(huán)境惡劣等因素導(dǎo)致噴孔積碳形成機(jī)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(rèn)可，還需要通過進(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2)現(xiàn)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(jì)算噴孔內(nèi)部以及出口積碳對噴孔內(nèi)部流動(dòng)影響的研究較少。雖然噴孔積碳直接導(dǎo)致了霧化以及燃燒的惡化，但其根源還是由于內(nèi)部流動(dòng)發(fā)生了變化。

3)合理有效的積碳試驗(yàn)方法是研究積碳形成及影響的根本保證，目前唯一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是針對輕型柴油機(jī)建立的，還沒有適用于重型柴油機(jī)的積碳試驗(yàn)方法。因此，研發(fā)現(xiàn)代重型柴油機(jī)積碳試驗(yàn)方法是當(dāng)前的一大熱點(diǎn)。

4)積碳分布具有一定的不規(guī)則性，研究噴孔積碳不規(guī)則性對內(nèi)部流動(dòng)的影響，進(jìn)而分析積碳對噴霧射流的影響，對噴孔結(jié)構(gòu)改進(jìn)、噴霧模型的修正具有重要意義。

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(責(zé)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(duì)計(jì)劃科研項(xiàng)目

趙文柱(1990-)，男，博士研究生。

TK421+.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.009