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柴油機噴油器噴孔積碳特征
2020-04-02 08:09:53· 來源：內(nèi)燃機學報
Satisfactory 前天噴油器是發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的核心部分，其技術狀況對發(fā)動機性能的正常發(fā)揮影響較大。由于噴油器工作環(huán)境極其惡劣，直接暴露在高溫高壓的燃燒
噴油器是發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的核心部分，其技術狀況對發(fā)動機性能的正常發(fā)揮影響較大。由于噴油器工作環(huán)境極其惡劣，直接暴露在高溫高壓的燃燒室中，噴孔處的油膜容易發(fā)生氧化、聚合等系列反應，生成積碳聚集在噴孔處。雖然借助掃描電子顯微鏡和能譜儀可以準確地分析積碳微觀形貌和元素組成，但是目前對噴油器噴孔積碳形狀和分布的描述還比較少，缺少對噴孔積碳類型和分布特點的具體分析，對積碳大小的定量表征報道較少。基于此，本次推文針對某型柴油機噴油器噴孔積碳進行研究，主要分析噴孔積碳的分布特點、形狀大小、微觀形貌以及元素組成，以期為研究積碳成因以及積碳對孔內(nèi)流動和噴霧的影響提供參考。
01 噴孔積碳分布和形貌特征
圖 1 為噴油器頂端形貌。積碳噴油器1和積碳噴油器2為同一臺柴油機中不同氣缸的兩個噴油器。新噴油器噴嘴頂端光滑無異物，有明顯的金屬光澤，噴孔出口周圍干凈，噴孔圓度較高；積碳噴油器噴嘴頂端有較多積碳，特別是噴孔出口周圍積碳比較嚴重，各孔周圍積碳程度不同。
圖1 噴油器頂端形貌
圖2為隨機選取的噴孔出口及噴孔內(nèi)部積碳形貌示例.其中積碳1-1表示積碳噴油器1的第1個噴孔，以此類推。噴孔出口周圍積碳較多，分布和形狀具有一定的規(guī)律性，整體上大致呈圓弧狀均勻分布在噴孔周圍；噴孔內(nèi)部大顆粒積碳較少，僅積碳1-4噴孔內(nèi)部靠近出口側有一大顆粒積碳，形狀不規(guī)則(紅色虛線圓框所示)；噴孔內(nèi)部壁面有一層積碳附著，特別是噴孔內(nèi)部靠近出口側，積碳比較明顯，粗糙度明顯增大，噴孔內(nèi)部進口側有個別小顆粒積碳附著在壁面上。
圖2 噴孔出口及噴孔內(nèi)部積碳形貌
使用光學電子顯微鏡的測量功能分別測量了噴孔出口積碳的寬度L和高度H。其中，寬度L為噴孔出口邊緣沿噴孔徑向至積碳外邊緣的距離，高度H為噴孔表面到積碳最高處的高度，如圖2a中積碳1-1所示。表2為積碳噴油器1和積碳噴油器2的各噴孔出口積碳大小范圍，其中Lmin為出口積碳寬度最小值，Lmax為出口積碳寬度最大值，Hmax為出口積碳高度最大值。
同時測量了噴孔內(nèi)部大顆粒積碳的尺寸。圖3為噴孔內(nèi)部大顆粒積碳示意。圖3b為噴孔軸向剖面，圖3c為噴孔徑向剖面(積碳中心位置)。圖3中的積碳尺寸與圖2中積碳1-4的尺寸定義一致，其中Lx為徑向剖面中積碳的寬度，最寬處為 0.06 mm；Ly為軸向剖面中積碳的長度，長約 0.16 mm；Lz為軸向剖面中積碳的高度，高約為 0.22 mm。
圖3 噴孔內(nèi)部大顆粒積碳示意
該型柴油機噴油器噴孔積碳主要呈出口積碳分布比較規(guī)律、形狀近似規(guī)則和噴孔內(nèi)部有較大顆粒積碳存在這兩種新特征．噴孔內(nèi)部積碳特征與現(xiàn)有研究結果基本一致，積碳質(zhì)地粗糙，出口側比進口側積碳量多。綜上，根據(jù)積碳的分布和形貌特征可以將噴孔積碳分為3大類：(1)噴孔出口積碳，此類積碳最為明顯，積碳量最多，形狀比較規(guī)則，分布具有一定的規(guī)律性．雖然呈現(xiàn)出緊實、蓬松的不同狀態(tài)，但是形狀大致為圓弧狀，沿噴孔周圍均勻分布，改變了原有的噴孔出口 結構。積碳寬度范圍為0.16～0.71 mm，積碳高度最高為 0.28 mm。(2)噴孔內(nèi)部大顆粒積碳，此類積碳較少，不具有普遍性，積碳形狀不規(guī)則，分布在噴孔內(nèi)部靠近出口一側。(3)孔內(nèi)壁面積碳，此類積碳主要分布在噴孔內(nèi)壁面，分布廣泛但積碳量不顯著，主要導致壁面粗糙度增大，噴孔內(nèi)部出口側比進口側明顯。
燃油噴射過程中，油束離孔后霧化破碎，更容易在噴孔出口周圍形成附壁油膜，與燃燒室內(nèi)高溫氣體直接接觸，在熱泳作用下，soot 和HC更容易沉降和吸附在油膜表面，導致積碳不斷增多。噴孔內(nèi)部溫度相對較低，同時受到高速噴射燃油的沖擊，積碳最終處于相對平衡的狀態(tài)，很難形成較多的積碳。由于噴孔直徑較小，孔內(nèi)壁面狀態(tài)的微小變化、出口形狀的差異都會對孔內(nèi)燃油流動、出口速度分布以及射流油束的噴霧特性產(chǎn)生較大影響。不同位置、形狀和大小的噴孔積碳對其影響也不盡相同，這也解釋了積碳對噴霧特性的影響規(guī)律呈相反的結論。通過對噴孔積碳的分布和形貌研究，可以為更加準確地分析噴孔積碳的影響提供參考。
02 噴孔積碳微觀形貌
圖4為噴孔積碳微觀形貌，其中噴孔1和噴孔2對應積碳噴油器1-1和1-4噴孔，噴孔3和噴孔4為積碳噴油器2-1和2-2噴孔。圖4中，噴孔內(nèi)部積碳以及底層積碳(與噴孔壁面直接接觸的積碳)呈球狀，球狀顆粒之間排列緊密，結構復雜，尺寸從幾微米到幾十微米不等；噴孔出口外側以及表層積碳(積碳最外層積碳)整體連成一片，結構緊實，無明顯的顆粒狀，表面相對整齊平坦。
圖4 噴孔積碳圍觀形貌
溫度是影響積碳形成的關鍵因素，積碳形成的過程同時受到噴孔壁面溫度和燃燒室高溫燃氣的共同作用。當燃油油膜與壁面直接接觸時，油膜受熱蒸發(fā)，內(nèi)部生成小的氣泡，繼而劇烈沸騰，同時發(fā)生熱分解和氧化反應。由于沸騰蒸發(fā)的影響，與壁面直接接觸的噴孔積碳大多有許多空隙．當燃油油膜直接暴露在高溫環(huán)境中，油膜多發(fā)生氧化聚合反應，吸附碳煙等物質(zhì)，生成高分子聚合產(chǎn)物，因而表層積碳大多結構緊實。
03 噴孔積碳元素組成
圖5為不同位置處的積碳能譜，對應位置為圖4中的白色虛線矩形方框，其中橫坐標為光電子的動能，縱坐標為脈沖相對強度。其中，位置A和位置D為孔內(nèi)靠近出口側的壁面積碳的元素組成，位置B和位置C為噴孔出口積碳的元素組成。表1為不同位置處的積碳原子質(zhì)量分數(shù)。其中，位置A處除C和O元素較多之外，F(xiàn)e元素含量也比較多。位置B相對位置A中的C、O元素含量增多。位置C主要是C和O元素，其他元素含量很少。位置D除了含有較多C和O元素之外，同樣含有較多的Fe元素。
圖5 不同位置處的積碳能譜
表1 不同位置處的積碳原子質(zhì)量百分數(shù)
從表3可知，積碳主要由C和O元素組成，C元素含量最多，另外還有少量的Si、Fe、K、Mo、Cl 和Cr 元素。Fe、Mo 和 Cr 可能是由于缸套活塞磨損產(chǎn)生的顆粒隨機油吸附在積碳中，Si、K 和 Cl 元素可能來自機油和機油添加劑．根據(jù)積碳的元素組成可以發(fā)現(xiàn)，積碳成分的主要來源是柴油燃燒產(chǎn)物、機油及其添加劑以及金屬顆粒。
柴油未完全燃燒產(chǎn)生的碳煙是積碳形成的重要來源，因而可以通過發(fā)展清潔柴油來提高燃燒效率，以減少碳煙產(chǎn)生，或者添加復合柴油清凈劑抑制積碳的形成。其次，竄入燃燒室內(nèi)的機油同樣是積碳形成的主要來源，通過提高密封效果以及改善機油品質(zhì)的方式可以有效減小機油對積碳的影響。噴孔壁面附著條件以及溫度同樣影響積碳的形成，可以考慮從噴孔材料入手，改變噴孔壁面的表面特性和傳熱特性，抑制積碳的產(chǎn)生。
04 結論
（1）按照分布區(qū)域，噴孔積碳可以分為出口積碳、孔內(nèi)大顆粒積碳、孔內(nèi)壁面積碳3 類；出口積碳形狀較為規(guī)則，大致呈圓弧狀均勻分布在出口周圍，積碳呈現(xiàn)緊實、蓬松等不同狀態(tài)；孔內(nèi)大顆粒積碳較少，形狀不規(guī)則；孔內(nèi)壁面積碳導致壁面粗糙度增大，積碳量較少，孔內(nèi)出口側比進口側明顯。
（2）底層積碳呈球狀，球狀顆粒之間排列緊密，結構復雜，尺寸從幾微米到幾十微米不等；表層積碳整體連成一片，結構緊實，表面相對整齊平坦；積碳主要由C和O原子組成，另外還有少量的 Si、Fe、K、Mo、Cl和Cr 原子；積碳成分的主要來源是柴油燃燒產(chǎn)物、機油及其添加劑以及金屬顆粒。
（3）不同位置、形狀和大小的噴孔積碳對孔內(nèi)流動以及噴霧特性的影響不同。
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