清潔劑選型與復配對噴油器積碳影響的試驗研究

黃鐔，程瑩東，王金龍，肖進

上海交通大學新能源動力研究所，上海 200240

0 引言

在能源、環境問題日益凸顯及雙碳戰略目標的背景下，解決尾氣排放和降低能耗是當務之急，汽油缸內直噴(gasoline direct injection，GDI)發動機憑借其經濟性、動力性、排放性等優勢受到了眾多汽車制造商的青睞[1]。由于GDI發動機的噴油器直接暴露在燃燒室內，工作環境惡劣，噴油器噴嘴處極易產生大量積碳，噴孔處積碳厚度為6 μm時噴油量降低26%[2]。積碳能夠降低噴油器流量、改變噴霧錐角、縮短噴油持續期，從而導致燃燒惡化，排放性能變差，嚴重影響GDI發動機的性能[3-4]。

發動機噴油器積碳的生成過程是復雜的物理化學過程，與多種因素有關[5]。目前國內外對噴油器積碳的研究主要集中在燃油組分以及積碳形成機理方面，對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動機噴油器內部積碳生成，同時也是維持發動機動力性、經濟性以及排放性的有效方法[6-7]。國內除北京地區之外的其他地方沒有強制要求添加汽油清潔劑，因此國內對汽油清潔劑的研究起步較晚。由于對市場上各種清潔劑認識不足，對于使用方法和添加濃度也是眾說紛紜[8]。

目前大多數的清潔劑測試試驗都是在發動機臺架上進行[9]，積碳生成是長期緩慢的過程，需要花費大量的時間；而且影響積碳生成的因素很多，難以準確判斷某個具體因素的影響。本文中搭建金屬片積碳試驗臺架研究3家公司生產的聚醚胺和3家公司生產的聚異丁烯胺的質量分數、溫度對積碳生成的影響，并且將不同清潔劑進行復配，在噴油器臺架上測試噴油量，研究不同清潔劑對積碳生成的影響規律。

1 試驗裝置及方案

1.1 金屬片積碳試驗臺架

金屬片積碳試驗臺架主要由高溫爐、比例積分微分(proportional integral derivative，PID)溫度控制系統以及注射系統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稱分布，本試驗選用方型爐盤結構。溫度控制系統由溫度傳感器、繼電器以及溫度控制器組成。注射系統由注射泵、注射器以及長針管等組成。為了保證滴落在金屬片的汽油及時流向最低位置，減少積液產生，試驗設計高溫爐盤與水平位置的傾角為10°。考慮到汽油在高溫情況下的球型蒸發模式[10]，汽油會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結果，此次試驗設計的金屬片為圓形淺碗結構。

圖1 金屬片積碳試驗臺架示意圖

1.2 噴油器積碳生成臺架

噴油器積碳生成臺架主要由噴油系統、氮氣供壓系統以及溫度控制系統等組成。噴油系統包括某公司G10六孔非均勻GDI噴油器、NI9751型噴油器驅模塊。氮氣供壓系統包括高壓氮氣瓶、儲能器以及壓力表。溫度控制系統主要由12片正溫度系數陶瓷加熱片、PID控制器以及K型熱電偶組成。噴油器積碳生成試驗臺架如圖2所示。

圖2 噴油器積碳生成試驗臺架示意圖

1.3 試驗方案

市場采購了3種常見的聚醚胺原液，分別記為E1、E2、E3，3種常見的聚異丁烯胺原液，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

采用正交法進行試驗，測試清潔劑質量分數分別為0.01%、0.02%、0.05%的汽油在120～200 ℃(每間隔10 ℃)[11]時的積碳生成情況；最后選取1種聚醚胺和1種聚異丁烯胺按不同比例復配進行對比試驗。為保證試驗的可靠性，盡量保持在恒溫、恒濕環境中進行試驗，本次試驗環境溫度為26～30 ℃，相對濕度為40%～60%，最后對復配好的清潔劑在積碳生成臺架上進行噴油量測試。積碳生成程序參考文獻[12-13]，由44個循環組成，每個循環的時間為1 h。設定噴嘴溫度為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、后使用正庚烷進行流量測試[14]。

2 試驗結果分析

2.1 金屬片積碳試驗

在金屬片積碳試驗臺架上開展清潔劑類型、質量分數以及溫度對積碳的影響測試，結果如圖3所示。

圖3 清潔劑類型、質量分數以及溫度對積碳的影響

由圖3a)可知：溫度為120～150 ℃時，E1均有一定的清潔效果，且E1的質量分數為0.02%時清潔效果最佳；當溫度由150 ℃升高到160 ℃，積碳質量開始急劇增加，隨著溫度的進一步升高，積碳質量開始減少；E1汽油(清潔劑為E1的汽油，下同)的平均積碳質量大于無添加汽油，且汽油中E1質量分數越大，積碳質量越大，清潔效果越差。綜上結果分析，汽油中E1的質量分數為0.02%、溫度為120～150 ℃時，清潔效果較好。

由圖3b)可知：E2的清潔效果整體與E1類似，當溫度為120～150 ℃時，E2清潔效果均較好，E2質量分數為0.02%時清潔效果最好；當溫度為160 ℃時，積碳質量顯著增加，且E2質量分數不同的汽油積碳都明顯高于無添加汽油；隨著溫度進一步升高，積碳質量先上升后下降，且汽油中E2質量分數越大產生的積碳越多。綜上，E2整體清潔效果不佳，建議在E2質量分數為0.02%、低溫(120～150 ℃)時使用。

由圖3c)可知：E3的清潔效果受質量分數影響比較大，汽油中E3的質量分數為0.01%、0.02%時基本沒有清潔效果，溫度為160～200 ℃時，E3汽油的積碳質量明顯高于無添加汽油；E3質量分數為0.05%、溫度為120～170 ℃時具有一定的清潔效果，溫度繼續升高時E3汽油的積碳質量顯著增加，且E3的質量分數越大積碳量越多。綜上，E3質量分數為0.05%、溫度為120～170 ℃時的清潔效果較好。

由圖3d)可知：E4的總體清潔效果不佳，溫度為130～150 ℃時E4清潔效果較明顯，當溫度為160 ℃時，E4汽油的積碳質量顯著增加且達到峰值；當溫度為170～200 ℃時，E4能夠減少積碳產生；E4質量分數對積碳的影響總體呈現出汽油中E4的質量分數越高積碳越多的趨勢；E4質量分數為0.01%時清潔效果較好。綜上，使用時，應適當降低汽油中E4的質量分數。

由圖3e)可知：不同質量分數的E5均有一定的清潔效果，溫度較高時E5的清潔效果更明顯；溫度為120～160 ℃時，不同質量分數的E5清潔效果差異明顯且變化幅度比較大，汽油中E5質量分數為0.01%時清潔效果最佳；當溫度超過160 ℃，E5都有明顯的清潔效果。綜上，在溫度較低(120～160 ℃)時應當減小汽油中E5的質量分數，溫度較高(170～200 ℃)時可以適當增大汽油中E5的質量分數。

由圖3f)可知：E6為120～160 ℃時具有明顯的清潔效果，當溫度超過170 ℃，E6質量分數為0.01%、0.02% 的汽油積碳比無添加汽油多，而E6質量分數為0.05%的汽油延遲了這一表現，在180 ℃之后才呈現出此結果； 120～170 ℃時，汽油中E6的質量分數越高，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，當使用溫度為120～170 ℃時，可以適當增加汽油中E6的質量分數。

根據以上分析，聚醚胺表現出2階段特點，溫度為120～150 ℃具有良好的清潔效果，且聚醚胺質量分數越高的汽油產生的積碳越少，清潔效果越好；溫度為160～200 ℃時，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量分數越高積碳越多； 3個不同廠家的聚醚胺中， E2汽油的平均積碳量最低，汽油中E2的質量分數為0.02%時的清潔效果相對更佳。聚異丁烯胺在120～200 ℃具有一定的清潔效果；溫度較低時，其清潔效果不如聚醚胺，但是溫度較高時，其清潔性能高于聚醚胺，兩者表現出互補的特點；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質量分數為0.01%時清潔性能相對最優。

2.2 聚醚胺、聚異丁烯胺復配試驗

根據上述試驗結果，E2和E5清潔性能相對最優，由于聚醚胺和聚異丁烯胺有互補特點，因此對E2和E5按照質量比分別為2：1、1：1、1：2進行復配，3種清潔劑分別記為E7、E8、E9。對各復合清潔劑質量分數均為0.02%的汽油進行試驗，結果如圖4所示。

圖4 復配添加劑和溫度對積碳的影響

由圖4可知：E7含有的聚醚胺質量最多，表現出聚醚胺的特點，但是其積碳峰值相對于E2汽油有較大降低；E9含有的聚異丁烯胺較多，120～200 ℃時清潔效果較好， 120～150 ℃時E9汽油積碳質量少于E5汽油，在全部溫度范圍內平均積碳質量也低于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，溫度較高時依然產生較多積碳。

2.3 噴油器積碳生成試驗

為了進一步研究各種清潔劑對噴油器積碳的影響，選取無添加汽油和清潔劑分別為E2、E5、E9的汽油進行噴油器積碳模擬生成試驗，噴嘴溫度為160 ℃。噴油器內部積碳顯著影響燃油噴射量，二者呈現負相關關系，本試驗前、后用正庚烷進行噴油器流量測試，以此計量噴油器內部積碳的質量，結果如表2所示。

表2 不同清潔劑對噴油量的影響

由表2可知：3種清潔劑都有一定的清潔效果，且三者之間的相對關系和金屬片積碳試驗結果保持一致，即在清潔劑質量分數為0.02%、溫度為160 ℃時E5清潔效果最好，E2效果最差。值得注意的是，該結果與金屬片積碳試驗不完全一致，質量分數為0.02%的E2汽油在金屬片積碳試驗臺架上產生的積碳比無添加汽油多，但是在噴油器積碳生成臺架上其積碳量較少，分析認為可能是噴油器的高壓噴射對積碳起沖刷作用，減少了汽油與噴油器的接觸時間，改變了積碳生成形式。

3 結論

1)3種聚醚胺總體上具有一致性，120～150 ℃時清潔效果良好，且汽油中清潔劑質量分數越大清潔效果越好；溫度為160～200 ℃時積碳質量顯著增加，此溫度下聚醚胺不具備清潔效果，且汽油中清潔劑質量分數越高，積碳質量越多，清潔效果越差；汽油中聚醚胺的質量分數對清潔效果影響較大，推薦使用聚醚胺質量分數為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 ℃時均有一定的清潔效果，在120～150 ℃時其清潔性能不如聚醚胺，160～200 ℃時清潔性能優于聚醚胺，與聚醚胺形成互補；聚異丁烯胺受質量分數的影響相對較小，推薦使用聚異丁烯胺質量分數為0.01%的汽油。

3)汽油中清潔劑質量分數為0.02%時，E2和E5按照質量比為1：2進行復配形成的清潔劑在120～200 ℃均具有較好的清潔效果。

4)噴嘴溫度為160 ℃時，E5、E9、E2的清潔效果依次降低，E5、E9、E2的質量分數為0.02%的汽油和無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%。