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(huán)境問題日益凸顯及雙碳戰(zhàn)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(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動機憑借其經(jīng)濟性、動力性、排放性等優(yōu)勢受到了眾多汽車制造商的青睞[1]。由于GDI發(fā)動機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，從而導致燃燒惡化，排放性能變差，嚴重影響GDI發(fā)動機的性能[3-4]。

發(fā)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(guān)[5]。目前國內(nèi)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(fā)動機噴油器內(nèi)部積碳生成，同時也是維持發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性以及排放性的有效方法[6-7]。國內(nèi)除北京地區(qū)之外的其他地方?jīng)]有強制要求添加汽油清潔劑，因此國內(nèi)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(shù)的清潔劑測試試驗都是在發(fā)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(chǎn)的聚醚胺和3家公司生產(chǎn)的聚異丁烯胺的質(zhì)量分數(shù)、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(guī)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(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稱分布，本試驗選用方型爐盤結(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(chǎn)生，試驗設計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(jié)果，此次試驗設計的金屬片為圓形淺碗結(jié)構(gòu)。

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(tǒng)、氮氣供壓系統(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。氮氣供壓系統(tǒng)包括高壓氮氣瓶、儲能器以及壓力表。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(zhì)量分數(shù)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(huán)境中進行試驗，本次試驗環(huán)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(huán)組成，每個循環(huán)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(jié)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(zhì)量分數(shù)以及溫度對積碳的影響測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 清潔劑類型、質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)為0.02%時清潔效果最佳；當溫度由150 ℃升高到160 ℃，積碳質(zhì)量開始急劇增加，隨著溫度的進一步升高，積碳質(zhì)量開始減少；E1汽油(清潔劑為E1的汽油，下同)的平均積碳質(zhì)量大于無添加汽油，且汽油中E1質(zhì)量分數(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)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)為0.02%時清潔效果最好；當溫度為160 ℃時，積碳質(zhì)量顯著增加，且E2質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量先上升后下降，且汽油中E2質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為0.02%、低溫(120～150 ℃)時使用。

由圖3c)可知：E3的清潔效果受質(zhì)量分數(shù)影響比較大，汽油中E3的質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量明顯高于無添加汽油；E3質(zhì)量分數(shù)為0.05%、溫度為120～170 ℃時具有一定的清潔效果，溫度繼續(xù)升高時E3汽油的積碳質(zhì)量顯著增加，且E3的質(zhì)量分數(shù)越大積碳量越多。綜上，E3質(zhì)量分數(shù)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(zhì)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(chǎn)生；E4質(zhì)量分數(shù)對積碳的影響總體呈現(xiàn)出汽油中E4的質(zhì)量分數(shù)越高積碳越多的趨勢；E4質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)。

由圖3e)可知：不同質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(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)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)，溫度較高(170～200 ℃)時可以適當增大汽油中E5的質(zhì)量分數(shù)。

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(zhì)量分數(shù)為0.01%、0.02% 的汽油積碳比無添加汽油多，而E6質(zhì)量分數(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，汽油中E6的質(zhì)量分數(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，當使用溫度為120～170 ℃時，可以適當增加汽油中E6的質(zhì)量分數(shù)。

根據(jù)以上分析，聚醚胺表現(xiàn)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(zhì)量分數(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，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)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)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(xiàn)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(zhì)量分數(shù)為0.01%時清潔性能相對最優(yōu)。

2.2 聚醚胺、聚異丁烯胺復配試驗

根據(jù)上述試驗結(jié)果，E2和E5清潔性能相對最優(yōu)，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(zhì)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(zhì)量分數(shù)均為0.02%的汽油進行試驗，結(jié)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(zhì)量最多，表現(xiàn)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(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，溫度較高時依然產(chǎn)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(nèi)部積碳顯著影響燃油噴射量，二者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)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(nèi)部積碳的質(zhì)量，結(jié)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(guān)系和金屬片積碳試驗結(jié)果保持一致，即在清潔劑質(zhì)量分數(shù)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(jié)果與金屬片積碳試驗不完全一致，質(zhì)量分數(shù)為0.02%的E2汽油在金屬片積碳試驗臺架上產(chǎn)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(jié)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(zhì)量分數(shù)越大清潔效果越好；溫度為160～200 ℃時積碳質(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)量分數(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)量分數(shù)對清潔效果影響較大，推薦使用聚醚胺質(zhì)量分數(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(yōu)于聚醚胺，與聚醚胺形成互補；聚異丁烯胺受質(zhì)量分數(shù)的影響相對較小，推薦使用聚異丁烯胺質(zhì)量分數(shù)為0.01%的汽油。

3)汽油中清潔劑質(zhì)量分數(shù)為0.02%時，E2和E5按照質(zhì)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(zhì)量分數(shù)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%。