清潔劑選型與復(fù)配對(duì)噴油器積碳影響的試驗(yàn)研究

黃鐔，程瑩東，王金龍，肖進(jìn)

上海交通大學(xué)新能源動(dòng)力研究所，上海 200240

0 引言

在能源、環(huán)境問(wèn)題日益凸顯及雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，解決尾氣排放和降低能耗是當(dāng)務(wù)之急，汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性等優(yōu)勢(shì)受到了眾多汽車制造商的青睞[1]。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器直接暴露在燃燒室內(nèi)，工作環(huán)境惡劣，噴油器噴嘴處極易產(chǎn)生大量積碳，噴孔處積碳厚度為6 μm時(shí)噴油量降低26%[2]。積碳能夠降低噴油器流量、改變噴霧錐角、縮短噴油持續(xù)期，從而導(dǎo)致燃燒惡化，排放性能變差，嚴(yán)重影響GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[3-4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器積碳的生成過(guò)程是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，與多種因素有關(guān)[5]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)噴油器積碳的研究主要集中在燃油組分以及積碳形成機(jī)理方面，對(duì)于抑制積碳生成的有效途徑研究較少。研究表明，添加汽油清潔劑能夠有效抑制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器內(nèi)部積碳生成，同時(shí)也是維持發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性的有效方法[6-7]。國(guó)內(nèi)除北京地區(qū)之外的其他地方?jīng)]有強(qiáng)制要求添加汽油清潔劑，因此國(guó)內(nèi)對(duì)汽油清潔劑的研究起步較晚。由于對(duì)市場(chǎng)上各種清潔劑認(rèn)識(shí)不足，對(duì)于使用方法和添加濃度也是眾說(shuō)紛紜[8]。

目前大多數(shù)的清潔劑測(cè)試試驗(yàn)都是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行[9]，積碳生成是長(zhǎng)期緩慢的過(guò)程，需要花費(fèi)大量的時(shí)間；而且影響積碳生成的因素很多，難以準(zhǔn)確判斷某個(gè)具體因素的影響。本文中搭建金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架研究3家公司生產(chǎn)的聚醚胺和3家公司生產(chǎn)的聚異丁烯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度對(duì)積碳生成的影響，并且將不同清潔劑進(jìn)行復(fù)配，在噴油器臺(tái)架上測(cè)試噴油量，研究不同清潔劑對(duì)積碳生成的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架

金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架主要由高溫爐、比例積分微分(proportional integral derivative，PID)溫度控制系統(tǒng)以及注射系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。高溫爐采用鎳鉻合金電熱絲，最大加熱功率為2 kW，最高使用溫度為600 ℃。為使高溫爐的加熱絲盡可能中心對(duì)稱分布，本試驗(yàn)選用方型爐盤結(jié)構(gòu)。溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器、繼電器以及溫度控制器組成。注射系統(tǒng)由注射泵、注射器以及長(zhǎng)針管等組成。為了保證滴落在金屬片的汽油及時(shí)流向最低位置，減少積液產(chǎn)生，試驗(yàn)設(shè)計(jì)高溫爐盤與水平位置的傾角為10°?？紤]到汽油在高溫情況下的球型蒸發(fā)模式[10]，汽油會(huì)滾落在高溫金屬表面的四周，為了防止汽油飛濺到金屬片外部影響試驗(yàn)結(jié)果，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的金屬片為圓形淺碗結(jié)構(gòu)。

圖1 金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.2 噴油器積碳生成臺(tái)架

噴油器積碳生成臺(tái)架主要由噴油系統(tǒng)、氮?dú)夤合到y(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)等組成。噴油系統(tǒng)包括某公司G10六孔非均勻GDI噴油器、NI9751型噴油器驅(qū)模塊。氮?dú)夤合到y(tǒng)包括高壓氮?dú)馄?、?chǔ)能器以及壓力表。溫度控制系統(tǒng)主要由12片正溫度系數(shù)陶瓷加熱片、PID控制器以及K型熱電偶組成。噴油器積碳生成試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示。

圖2 噴油器積碳生成試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

市場(chǎng)采購(gòu)了3種常見(jiàn)的聚醚胺原液，分別記為E1、E2、E3，3種常見(jiàn)的聚異丁烯胺原液，分別記為E4、E5、E6，各清潔劑的主要成分、純度及外觀如表1所示。

表1 清潔劑的主要成分、純度及外觀

采用正交法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.02%、0.05%的汽油在120～200 ℃(每間隔10 ℃)[11]時(shí)的積碳生成情況；最后選取1種聚醚胺和1種聚異丁烯胺按不同比例復(fù)配進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的可靠性，盡量保持在恒溫、恒濕環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，本次試驗(yàn)環(huán)境溫度為26～30 ℃，相對(duì)濕度為40%～60%，最后對(duì)復(fù)配好的清潔劑在積碳生成臺(tái)架上進(jìn)行噴油量測(cè)試。積碳生成程序參考文獻(xiàn)[12-13]，由44個(gè)循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)的時(shí)間為1 h。設(shè)定噴嘴溫度為160 ℃， 噴油周期為150 ms， 每次噴射100次，噴射完畢之后保溫至下一次噴射。積碳生成前、后使用正庚烷進(jìn)行流量測(cè)試[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金屬片積碳試驗(yàn)

在金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架上開(kāi)展清潔劑類型、質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及溫度對(duì)積碳的影響測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 清潔劑類型、質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及溫度對(duì)積碳的影響

由圖3a)可知：溫度為120～150 ℃時(shí)，E1均有一定的清潔效果，且E1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)清潔效果最佳；當(dāng)溫度由150 ℃升高到160 ℃，積碳質(zhì)量開(kāi)始急劇增加，隨著溫度的進(jìn)一步升高，積碳質(zhì)量開(kāi)始減少；E1汽油(清潔劑為E1的汽油，下同)的平均積碳質(zhì)量大于無(wú)添加汽油，且汽油中E1質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，積碳質(zhì)量越大，清潔效果越差。綜上結(jié)果分析，汽油中E1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、溫度為120～150 ℃時(shí)，清潔效果較好。

由圖3b)可知：E2的清潔效果整體與E1類似，當(dāng)溫度為120～150 ℃時(shí)，E2清潔效果均較好，E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)清潔效果最好；當(dāng)溫度為160 ℃時(shí)，積碳質(zhì)量顯著增加，且E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的汽油積碳都明顯高于無(wú)添加汽油；隨著溫度進(jìn)一步升高，積碳質(zhì)量先上升后下降，且汽油中E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大產(chǎn)生的積碳越多。綜上，E2整體清潔效果不佳，建議在E2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、低溫(120～150 ℃)時(shí)使用。

由圖3c)可知：E3的清潔效果受質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響比較大，汽油中E3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%時(shí)基本沒(méi)有清潔效果，溫度為160～200 ℃時(shí)，E3汽油的積碳質(zhì)量明顯高于無(wú)添加汽油；E3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、溫度為120～170 ℃時(shí)具有一定的清潔效果，溫度繼續(xù)升高時(shí)E3汽油的積碳質(zhì)量顯著增加，且E3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大積碳量越多。綜上，E3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、溫度為120～170 ℃時(shí)的清潔效果較好。

由圖3d)可知：E4的總體清潔效果不佳，溫度為130～150 ℃時(shí)E4清潔效果較明顯，當(dāng)溫度為160 ℃時(shí)，E4汽油的積碳質(zhì)量顯著增加且達(dá)到峰值；當(dāng)溫度為170～200 ℃時(shí)，E4能夠減少積碳產(chǎn)生；E4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)積碳的影響總體呈現(xiàn)出汽油中E4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高積碳越多的趨勢(shì)；E4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)清潔效果較好。綜上，使用時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低汽油中E4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由圖3e)可知：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的E5均有一定的清潔效果，溫度較高時(shí)E5的清潔效果更明顯；溫度為120～160 ℃時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的E5清潔效果差異明顯且變化幅度比較大，汽油中E5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)清潔效果最佳；當(dāng)溫度超過(guò)160 ℃，E5都有明顯的清潔效果。綜上，在溫度較低(120～160 ℃)時(shí)應(yīng)當(dāng)減小汽油中E5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，溫度較高(170～200 ℃)時(shí)可以適當(dāng)增大汽油中E5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由圖3f)可知：E6為120～160 ℃時(shí)具有明顯的清潔效果，當(dāng)溫度超過(guò)170 ℃，E6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02% 的汽油積碳比無(wú)添加汽油多，而E6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的汽油延遲了這一表現(xiàn)，在180 ℃之后才呈現(xiàn)出此結(jié)果； 120～170 ℃時(shí)，汽油中E6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，E6的清潔效果越好，180～200 ℃效果越差，E6清潔效果和聚醚胺非常類似。綜上，當(dāng)使用溫度為120～170 ℃時(shí)，可以適當(dāng)增加汽油中E6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)以上分析，聚醚胺表現(xiàn)出2階段特點(diǎn)，溫度為120～150 ℃具有良好的清潔效果，且聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高的汽油產(chǎn)生的積碳越少，清潔效果越好；溫度為160～200 ℃時(shí)，聚醚胺汽油的積碳顯著增加，聚醚胺不具備清潔效果，且汽油中聚醚胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高積碳越多； 3個(gè)不同廠家的聚醚胺中， E2汽油的平均積碳量最低，汽油中E2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)的清潔效果相對(duì)更佳。聚異丁烯胺在120～200 ℃具有一定的清潔效果；溫度較低時(shí)，其清潔效果不如聚醚胺，但是溫度較高時(shí)，其清潔性能高于聚醚胺，兩者表現(xiàn)出互補(bǔ)的特點(diǎn)；3種聚異丁烯胺的清潔效果差異較大，E5的清潔效果較好，且汽油中E5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)清潔性能相對(duì)最優(yōu)。

2.2 聚醚胺、聚異丁烯胺復(fù)配試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，E2和E5清潔性能相對(duì)最優(yōu)，由于聚醚胺和聚異丁烯胺有互補(bǔ)特點(diǎn)，因此對(duì)E2和E5按照質(zhì)量比分別為2：1、1：1、1：2進(jìn)行復(fù)配，3種清潔劑分別記為E7、E8、E9。對(duì)各復(fù)合清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.02%的汽油進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)配添加劑和溫度對(duì)積碳的影響

由圖4可知：E7含有的聚醚胺質(zhì)量最多，表現(xiàn)出聚醚胺的特點(diǎn)，但是其積碳峰值相對(duì)于E2汽油有較大降低；E9含有的聚異丁烯胺較多，120～200 ℃時(shí)清潔效果較好， 120～150 ℃時(shí)E9汽油積碳質(zhì)量少于E5汽油，在全部溫度范圍內(nèi)平均積碳質(zhì)量也低于E5汽油； E8的清潔效果基本介于聚醚胺和聚異丁烯胺之間，但是聚醚胺的作用效果更明顯，溫度較高時(shí)依然產(chǎn)生較多積碳。

2.3 噴油器積碳生成試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究各種清潔劑對(duì)噴油器積碳的影響，選取無(wú)添加汽油和清潔劑分別為E2、E5、E9的汽油進(jìn)行噴油器積碳模擬生成試驗(yàn)，噴嘴溫度為160 ℃。噴油器內(nèi)部積碳顯著影響燃油噴射量，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，本試驗(yàn)前、后用正庚烷進(jìn)行噴油器流量測(cè)試，以此計(jì)量噴油器內(nèi)部積碳的質(zhì)量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同清潔劑對(duì)噴油量的影響

由表2可知：3種清潔劑都有一定的清潔效果，且三者之間的相對(duì)關(guān)系和金屬片積碳試驗(yàn)結(jié)果保持一致，即在清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、溫度為160 ℃時(shí)E5清潔效果最好，E2效果最差。值得注意的是，該結(jié)果與金屬片積碳試驗(yàn)不完全一致，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的E2汽油在金屬片積碳試驗(yàn)臺(tái)架上產(chǎn)生的積碳比無(wú)添加汽油多，但是在噴油器積碳生成臺(tái)架上其積碳量較少，分析認(rèn)為可能是噴油器的高壓噴射對(duì)積碳起沖刷作用，減少了汽油與噴油器的接觸時(shí)間，改變了積碳生成形式。

3 結(jié)論

1)3種聚醚胺總體上具有一致性，120～150 ℃時(shí)清潔效果良好，且汽油中清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大清潔效果越好；溫度為160～200 ℃時(shí)積碳質(zhì)量顯著增加，此溫度下聚醚胺不具備清潔效果，且汽油中清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，積碳質(zhì)量越多，清潔效果越差；汽油中聚醚胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清潔效果影響較大，推薦使用聚醚胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的汽油。

2)3種聚異丁烯胺的清潔效果差別較大，溫度為120～200 ℃時(shí)均有一定的清潔效果，在120～150 ℃時(shí)其清潔性能不如聚醚胺，160～200 ℃時(shí)清潔性能優(yōu)于聚醚胺，與聚醚胺形成互補(bǔ)；聚異丁烯胺受質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對(duì)較小，推薦使用聚異丁烯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的汽油。

3)汽油中清潔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，E2和E5按照質(zhì)量比為1：2進(jìn)行復(fù)配形成的清潔劑在120～200 ℃均具有較好的清潔效果。

4)噴嘴溫度為160 ℃時(shí)，E5、E9、E2的清潔效果依次降低，E5、E9、E2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的汽油和無(wú)添加汽油在積碳形成后噴嘴流量的下降率分別為5.13%、5.86%、6.45 %、8.76%。