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柴油机喷油器喷孔积碳特征
2020-04-02 08:09:53· 来源：内燃机学报
Satisfactory 前天喷油器是发动机燃油喷射系统的核心部分，其技术状况对发动机性能的正常发挥影响较大。由于喷油器工作环境极其恶劣，直接暴露在高温高压的燃烧
喷油器是发动机燃油喷射系统的核心部分，其技术状况对发动机性能的正常发挥影响较大。由于喷油器工作环境极其恶劣，直接暴露在高温高压的燃烧室中，喷孔处的油膜容易发生氧化、聚合等系列反应，生成积碳聚集在喷孔处。虽然借助扫描电子显微镜和能谱仪可以准确地分析积碳微观形貌和元素组成，但是目前对喷油器喷孔积碳形状和分布的描述还比较少，缺少对喷孔积碳类型和分布特点的具体分析，对积碳大小的定量表征报道较少。基于此，本次推文针对某型柴油机喷油器喷孔积碳进行研究，主要分析喷孔积碳的分布特点、形状大小、微观形貌以及元素组成，以期为研究积碳成因以及积碳对孔内流动和喷雾的影响提供参考。
01 喷孔积碳分布和形貌特征
图 1 为喷油器顶端形貌。积碳喷油器1和积碳喷油器2为同一台柴油机中不同气缸的两个喷油器。新喷油器喷嘴顶端光滑无异物，有明显的金属光泽，喷孔出口周围干净，喷孔圆度较高；积碳喷油器喷嘴顶端有较多积碳，特别是喷孔出口周围积碳比较严重，各孔周围积碳程度不同。
图1 喷油器顶端形貌
图2为随机选取的喷孔出口及喷孔内部积碳形貌示例.其中积碳1-1表示积碳喷油器1的第1个喷孔，以此类推。喷孔出口周围积碳较多，分布和形状具有一定的规律性，整体上大致呈圆弧状均匀分布在喷孔周围；喷孔内部大颗粒积碳较少，仅积碳1-4喷孔内部靠近出口侧有一大颗粒积碳，形状不规则(红色虚线圆框所示)；喷孔内部壁面有一层积碳附着，特别是喷孔内部靠近出口侧，积碳比较明显，粗糙度明显增大，喷孔内部进口侧有个别小颗粒积碳附着在壁面上。
图2 喷孔出口及喷孔内部积碳形貌
使用光学电子显微镜的测量功能分别测量了喷孔出口积碳的宽度L和高度H。其中，宽度L为喷孔出口边缘沿喷孔径向至积碳外边缘的距离，高度H为喷孔表面到积碳最高处的高度，如图2a中积碳1-1所示。表2为积碳喷油器1和积碳喷油器2的各喷孔出口积碳大小范围，其中Lmin为出口积碳宽度最小值，Lmax为出口积碳宽度最大值，Hmax为出口积碳高度最大值。
同时测量了喷孔内部大颗粒积碳的尺寸。图3为喷孔内部大颗粒积碳示意。图3b为喷孔轴向剖面，图3c为喷孔径向剖面(积碳中心位置)。图3中的积碳尺寸与图2中积碳1-4的尺寸定义一致，其中Lx为径向剖面中积碳的宽度，最宽处为 0.06 mm；Ly为轴向剖面中积碳的长度，长约 0.16 mm；Lz为轴向剖面中积碳的高度，高约为 0.22 mm。
图3 喷孔内部大颗粒积碳示意
该型柴油机喷油器喷孔积碳主要呈出口积碳分布比较规律、形状近似规则和喷孔内部有较大颗粒积碳存在这两种新特征．喷孔内部积碳特征与现有研究结果基本一致，积碳质地粗糙，出口侧比进口侧积碳量多。综上，根据积碳的分布和形貌特征可以将喷孔积碳分为3大类：(1)喷孔出口积碳，此类积碳最为明显，积碳量最多，形状比较规则，分布具有一定的规律性．虽然呈现出紧实、蓬松的不同状态，但是形状大致为圆弧状，沿喷孔周围均匀分布，改变了原有的喷孔出口 结构。积碳宽度范围为0.16～0.71 mm，积碳高度最高为 0.28 mm。(2)喷孔内部大颗粒积碳，此类积碳较少，不具有普遍性，积碳形状不规则，分布在喷孔内部靠近出口一侧。(3)孔内壁面积碳，此类积碳主要分布在喷孔内壁面，分布广泛但积碳量不显著，主要导致壁面粗糙度增大，喷孔内部出口侧比进口侧明显。
燃油喷射过程中，油束离孔后雾化破碎，更容易在喷孔出口周围形成附壁油膜，与燃烧室内高温气体直接接触，在热泳作用下，soot 和HC更容易沉降和吸附在油膜表面，导致积碳不断增多。喷孔内部温度相对较低，同时受到高速喷射燃油的冲击，积碳最终处于相对平衡的状态，很难形成较多的积碳。由于喷孔直径较小，孔内壁面状态的微小变化、出口形状的差异都会对孔内燃油流动、出口速度分布以及射流油束的喷雾特性产生较大影响。不同位置、形状和大小的喷孔积碳对其影响也不尽相同，这也解释了积碳对喷雾特性的影响规律呈相反的结论。通过对喷孔积碳的分布和形貌研究，可以为更加准确地分析喷孔积碳的影响提供参考。
02 喷孔积碳微观形貌
图4为喷孔积碳微观形貌，其中喷孔1和喷孔2对应积碳喷油器1-1和1-4喷孔，喷孔3和喷孔4为积碳喷油器2-1和2-2喷孔。图4中，喷孔内部积碳以及底层积碳(与喷孔壁面直接接触的积碳)呈球状，球状颗粒之间排列紧密，结构复杂，尺寸从几微米到几十微米不等；喷孔出口外侧以及表层积碳(积碳最外层积碳)整体连成一片，结构紧实，无明显的颗粒状，表面相对整齐平坦。
图4 喷孔积碳围观形貌
温度是影响积碳形成的关键因素，积碳形成的过程同时受到喷孔壁面温度和燃烧室高温燃气的共同作用。当燃油油膜与壁面直接接触时，油膜受热蒸发，内部生成小的气泡，继而剧烈沸腾，同时发生热分解和氧化反应。由于沸腾蒸发的影响，与壁面直接接触的喷孔积碳大多有许多空隙．当燃油油膜直接暴露在高温环境中，油膜多发生氧化聚合反应，吸附碳烟等物质，生成高分子聚合产物，因而表层积碳大多结构紧实。
03 喷孔积碳元素组成
图5为不同位置处的积碳能谱，对应位置为图4中的白色虚线矩形方框，其中横坐标为光电子的动能，纵坐标为脉冲相对强度。其中，位置A和位置D为孔内靠近出口侧的壁面积碳的元素组成，位置B和位置C为喷孔出口积碳的元素组成。表1为不同位置处的积碳原子质量分数。其中，位置A处除C和O元素较多之外，Fe元素含量也比较多。位置B相对位置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除了含有较多C和O元素之外，同样含有较多的Fe元素。
图5 不同位置处的积碳能谱
表1 不同位置处的积碳原子质量百分数
从表3可知，积碳主要由C和O元素组成，C元素含量最多，另外还有少量的Si、Fe、K、Mo、Cl 和Cr 元素。Fe、Mo 和 Cr 可能是由于缸套活塞磨损产生的颗粒随机油吸附在积碳中，Si、K 和 Cl 元素可能来自机油和机油添加剂．根据积碳的元素组成可以发现，积碳成分的主要来源是柴油燃烧产物、机油及其添加剂以及金属颗粒。
柴油未完全燃烧产生的碳烟是积碳形成的重要来源，因而可以通过发展清洁柴油来提高燃烧效率，以减少碳烟产生，或者添加复合柴油清净剂抑制积碳的形成。其次，窜入燃烧室内的机油同样是积碳形成的主要来源，通过提高密封效果以及改善机油品质的方式可以有效减小机油对积碳的影响。喷孔壁面附着条件以及温度同样影响积碳的形成，可以考虑从喷孔材料入手，改变喷孔壁面的表面特性和传热特性，抑制积碳的产生。
04 结论
（1）按照分布区域，喷孔积碳可以分为出口积碳、孔内大颗粒积碳、孔内壁面积碳3 类；出口积碳形状较为规则，大致呈圆弧状均匀分布在出口周围，积碳呈现紧实、蓬松等不同状态；孔内大颗粒积碳较少，形状不规则；孔内壁面积碳导致壁面粗糙度增大，积碳量较少，孔内出口侧比进口侧明显。
（2）底层积碳呈球状，球状颗粒之间排列紧密，结构复杂，尺寸从几微米到几十微米不等；表层积碳整体连成一片，结构紧实，表面相对整齐平坦；积碳主要由C和O原子组成，另外还有少量的 Si、Fe、K、Mo、Cl和Cr 原子；积碳成分的主要来源是柴油燃烧产物、机油及其添加剂以及金属颗粒。
（3）不同位置、形状和大小的喷孔积碳对孔内流动以及喷雾特性的影响不同。
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