周建偉，裴毅強(qiáng)，張延峰

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

世界能源環(huán)境問(wèn)題面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，各國(guó)對(duì)內(nèi)燃機(jī)執(zhí)行了嚴(yán)格的排放法規(guī)，缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)性能隨之不斷提升．但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)噴油器積碳問(wèn)題嚴(yán)重性日益凸顯，由此導(dǎo)致的燃油霧化變差、排放物增加問(wèn)題亟待解決[1-3]．噴油器積碳的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，燃料組分、噴油器結(jié)構(gòu)、噴油器溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)工況等因素都會(huì)對(duì)積碳程度產(chǎn)生影響[4]．文獻(xiàn)[5—7]認(rèn)為，噴油器溫度是關(guān)鍵因素，當(dāng)噴油器溫度高于汽油90%蒸餾溫度(T90)時(shí)，積碳會(huì)大量生成；但同類(lèi)研究得出結(jié)論并不完全支持Kinoshita等[5]提出的結(jié)論．邸立明等[8]采用氣、液和固多場(chǎng)耦合模擬的方法得到柴油機(jī)噴油器的溫度分布，最高溫度僅為307℃，遠(yuǎn)低于燃油結(jié)焦的閾值溫度(473℃)．Imoehl[9]研究了噴油器溫度特性和溫度對(duì)積碳的影響，當(dāng)噴油器頭部溫度達(dá)到140℃時(shí)，積碳大量生成，而升高到210℃時(shí)，積碳則消失．隨負(fù)荷增加，噴油器頭部溫度先增加后降低，轉(zhuǎn)速為5500r/min時(shí)達(dá)到最高溫度為150℃．Katashiba等[10]研究了噴油器布置、密封結(jié)構(gòu)對(duì)噴油器溫度的影響，結(jié)果表明前端密封的結(jié)構(gòu)和減小噴油器頭部暴露面積能顯著降低噴油器溫度．但缺乏對(duì)目前GDI汽油機(jī)噴油器熱負(fù)荷特性的詳細(xì)研究以及噴油器溫度對(duì)積碳形成影響的研究．

基于此，筆者開(kāi)發(fā)了噴油器溫度測(cè)試系統(tǒng)，在一臺(tái)GDI汽油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，深入研究發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、GDI噴油器噴油量、冷卻水溫度和缸內(nèi)燃燒參數(shù)等因素對(duì)噴油器熱負(fù)荷特性的影響，同時(shí)研究噴油器溫度對(duì)積碳形成的影響、分析積碳形成機(jī)理和提出抑制積碳的技術(shù)措施，從而為實(shí)際應(yīng)用提供有效參考．

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 噴油器傳熱特點(diǎn)和試驗(yàn)裝置

噴油器安插于缸蓋，噴油器頭部暴露于燃燒室，噴油器工作時(shí)，燃油在噴油器內(nèi)流動(dòng)．與噴油器產(chǎn)生熱交換的熱源是冷卻水、缸內(nèi)燃?xì)夂腿加蚚11-12]．圖1為噴油器的傳熱示意．由于噴油器體外表面與安裝孔之間的配合間隙很小，由有限空間對(duì)流換熱機(jī)理可知，噴油器體外表面與安裝孔之間的換熱方式為熱傳導(dǎo)．而噴油器體外表面與安裝孔之間的換熱主要受到冷卻水影響．因此，噴油器體外表面與安裝孔之間的換熱量用Qwater來(lái)表示，主要受冷卻水溫度和冷卻水流速的影響．燃油在噴油器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與噴油器內(nèi)表面之間的換熱方式為熱對(duì)流．燃油停止流動(dòng)時(shí)，傳熱方式主要為固、液之間的熱傳導(dǎo)，換熱量用Qfuel來(lái)表示，主要受到燃油流速和燃油溫度的影響．缸內(nèi)氣體在燃燒室內(nèi)流動(dòng)、放熱，與噴油器頭部外表面換熱，其傳熱方式為熱對(duì)流，換熱量用Qgas來(lái)表示，主要受缸內(nèi)氣體溫度和負(fù)荷的影響．以上傳熱機(jī)理和傳熱特點(diǎn)的分析為噴油器熱負(fù)荷試驗(yàn)方案制定和結(jié)果分析提供了指導(dǎo)．

圖1 噴油器的傳熱示意 Fig.1 Heat transfer of injector

試驗(yàn)在一臺(tái)GDI汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)及噴油器的技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2．為實(shí)現(xiàn)噴油器熱負(fù)荷特性的研究，自行開(kāi)發(fā)了一套噴油器溫度測(cè)試系統(tǒng)．該測(cè)試系統(tǒng)由熱電偶、溫度記錄儀和計(jì)算機(jī)組成．溫度記錄儀的采樣頻率為1Hz、精度為讀數(shù)的(±0.002＋1)℃及分辨率為0.1℃，溫度記錄儀采集到熱電偶的溫度，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、保存數(shù)據(jù)．進(jìn)氣量、點(diǎn)火正時(shí)和過(guò)量空氣系數(shù)等參數(shù)通過(guò)直 噴電控系統(tǒng)靈活控制，為研究GDI噴油器噴射量對(duì)噴油器溫度的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了氣道噴射系統(tǒng)，在直噴電控系統(tǒng)和氣道噴射電控系統(tǒng)協(xié)同控制下可以靈活調(diào)節(jié)同一工況下GDI噴油器的噴射量．GDI噴油器噴油量的測(cè)試采用AVL735高精度油耗儀．使用Kistler缸壓傳感器和AVL燃燒分析儀等采集缸壓，獲得燃燒數(shù)據(jù)．冷卻水溫控系統(tǒng)精確控制冷卻水的溫度．

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù) Tab.1 Engine specifications

圖2 試驗(yàn)裝置示意 Fig.2 Experimental system

1.2 試驗(yàn)方法

基于噴油器傳熱特點(diǎn)、噴油器結(jié)構(gòu)以及噴油器裝配結(jié)構(gòu)，噴油器外表面可分為4個(gè)區(qū)域，1區(qū)是密封環(huán)上游，2區(qū)是密封環(huán)內(nèi)，3區(qū)是密封環(huán)下游，4區(qū)是噴油器頭部．4個(gè)區(qū)域有不同的傳熱方式和傳熱特點(diǎn)，為詳細(xì)研究噴油器的溫度場(chǎng)，在4個(gè)區(qū)域分別布置了4個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，如圖3所示．為實(shí)現(xiàn)噴油器溫度測(cè)試，對(duì)噴油器進(jìn)行了特殊改造．在噴油器表面開(kāi)出細(xì)槽，將高精度細(xì)絲熱電偶(K型，直徑為0.25mm)與細(xì)槽過(guò)盈配合，熱電偶可獲得緊固聯(lián)接，裝配好熱電偶、密封環(huán)后，進(jìn)行密封測(cè)試，保證密封性．

圖3 噴油器和熱電偶裝配示意 Fig.3 Assembly of injector and thermocouples

在研究某一參數(shù)對(duì)噴油器溫度的影響時(shí)，為了消除其他因素的影響，保持其他控制參數(shù)及邊界條件不變，冷卻水溫度為85℃，進(jìn)氣中冷后溫度為30℃、直噴供油系統(tǒng)進(jìn)油溫度為25℃，以上溫度控制精度為±1℃．在水溫對(duì)噴油器溫度影響試驗(yàn)中，水溫從76℃增加至92℃，間隔為2℃，溫度控制精度為 ±0.5℃．為減小發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響，待工況穩(wěn)定后，噴油器溫度采集時(shí)長(zhǎng)為2min，取平均值，系統(tǒng)測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)噴油器溫度的影響

圖4為不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下噴油器上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線．4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線變化趨勢(shì)差異較大．隨負(fù)荷增加，Ⅰ點(diǎn)的溫度呈線性下降趨勢(shì)．在最小負(fù)荷，平均指示有效壓力(IMEP)為0.1MPa時(shí)，Ⅰ點(diǎn)的溫度在75～83℃之間，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，Ⅰ點(diǎn)的溫度越高；隨負(fù)荷增大，在各轉(zhuǎn)速下Ⅰ點(diǎn)的溫度差異縮小，在試驗(yàn)最大負(fù)荷(IMEP為1.4MPa)時(shí)，各轉(zhuǎn)速下Ⅰ點(diǎn)的溫度集中降至67℃左右．

圖4 噴油器4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化 Fig.4 Effect of engine speed and load on 4 injector temperatures

Ⅱ點(diǎn)的溫度隨負(fù)荷增加也呈下降趨勢(shì)．在最小負(fù)荷時(shí)，各轉(zhuǎn)速下Ⅱ點(diǎn)的溫度相差不大，在85.5～86.7℃之間；在試驗(yàn)最大負(fù)荷時(shí)，各轉(zhuǎn)速下Ⅱ點(diǎn)的溫度降至79～81℃之間．Ⅲ點(diǎn)的溫度與Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)不同．隨負(fù)荷增加，Ⅲ點(diǎn)的溫度呈增加趨勢(shì)．當(dāng)IMEP小于0.6MPa時(shí)，Ⅲ點(diǎn)的溫度呈線性增加趨勢(shì)，在最小負(fù)荷時(shí)，Ⅲ點(diǎn)的溫度在88～94℃之間；IMEP為0.6MPa時(shí)，Ⅲ點(diǎn)的溫度達(dá)到最大值，在96～100℃之間；當(dāng)IMEP大于0.6MPa時(shí)，Ⅲ點(diǎn)的溫度略有下降并趨于平緩．與Ⅲ點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)不同的是，Ⅳ點(diǎn)的溫度隨負(fù)荷增加呈明顯增加的趨勢(shì)．在最小負(fù)荷時(shí)，Ⅳ點(diǎn)的溫度在100～114℃之間，在試驗(yàn)最大負(fù)荷時(shí)增加至132～147℃之間．由4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度及其變化趨勢(shì)可知，噴油器溫度場(chǎng)分布極不均勻，沿燃油流動(dòng)方向(越靠近燃燒室)，噴油器的溫度升高明顯．

圖5為同一負(fù)荷(IMEP為0.6MPa)、不同轉(zhuǎn)速下噴油器4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線．隨轉(zhuǎn)速增加，Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)的溫度呈緩慢下降趨勢(shì)，Ⅲ點(diǎn)溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，Ⅳ點(diǎn)的溫度則呈顯著上升趨勢(shì)．越靠近燃燒室，相鄰兩點(diǎn)的溫差越大．

根據(jù)噴油器傳熱機(jī)理分析，3個(gè)熱源(燃油、冷卻水和缸內(nèi)燃?xì)?是影響噴油器溫度的主要因素．試驗(yàn)中，冷卻水溫度的邊界條件保持恒定，但轉(zhuǎn)速會(huì)影響水套內(nèi)冷卻水流速和換熱系數(shù)．Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)在缸蓋內(nèi)部且遠(yuǎn)離燃燒室，影響Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)溫度的主要熱源 是燃油和冷卻水．在相同轉(zhuǎn)速下，水套內(nèi)冷卻水流速不變，噴油器外表面與冷卻水的換熱量變化不大；隨負(fù)荷增加，燃油流量、流速增加，噴油器內(nèi)壁面與燃油的換熱量則會(huì)增加，由此導(dǎo)致Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)的溫度下降幅度較大，如圖4a、圖4b所示．在相同負(fù)荷下，隨轉(zhuǎn)速增加，缸套內(nèi)冷卻水流速增加，冷卻水與噴油器外壁面換熱量增大；同時(shí)燃油流量、流速增加，燃油與噴油器內(nèi)壁面換熱量也同步增大，噴油器內(nèi)壁面向燃油的散熱量略大于噴油器外壁面向冷卻水的吸熱量，使得Ⅰ點(diǎn)和Ⅱ點(diǎn)溫度下降幅度很小，如圖5所示．

Ⅲ點(diǎn)位于燃燒室縫隙，影響Ⅲ點(diǎn)溫度的主要熱源是燃油和燃?xì)猓?dāng)IMEP小于0.6MPa時(shí)，燃油流量、流速相對(duì)較小，燃油對(duì)噴油器的冷卻作用不占優(yōu)勢(shì)，燃?xì)鉄崃康膫鲗?dǎo)則起到主要作用．在相同轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷增加，噴油器外壁面向燃?xì)獾奈鼰崃看笥趪娪推鲀?nèi)壁面向燃油的散熱量，由此導(dǎo)致Ⅲ點(diǎn)溫度呈增加趨勢(shì)．當(dāng)IMEP大于0.6MPa時(shí)，燃油流量、流速繼續(xù)增大，尤其增加的流速增強(qiáng)了燃油的冷卻作用，燃油的冷卻作用超過(guò)燃?xì)鈱?duì)噴油器的加熱作用．由此導(dǎo)致在相同轉(zhuǎn)速下隨IMEP(大于0.6MPa)增加，Ⅲ點(diǎn)溫度有下降趨勢(shì)如圖4c所示．在相同負(fù)荷下，隨轉(zhuǎn)速增加，噴油器外壁面向高溫燃?xì)獾奈鼰崃颗c噴油器內(nèi)壁面向燃油的散熱量基本持平，使得Ⅲ點(diǎn)溫度基本持平并略有上升見(jiàn)圖5．

Ⅳ點(diǎn)完全暴露于缸內(nèi)，影響此位置溫度的主要熱 源是燃?xì)夂腿加停細(xì)鈱?duì)噴油器頭部的加熱起主要 作用，隨負(fù)荷增大，Ⅳ點(diǎn)溫度明顯增加，同時(shí)燃油流量增加帶來(lái)的冷卻作用限制了Ⅳ點(diǎn)溫度的急劇上升，如圖4d、圖5所示．在最大負(fù)荷(IMEP為1.4MPa)工況下，噴油器頭部最高溫度在132～147℃，遠(yuǎn)未達(dá)到積碳易于形成的溫度—汽油T90溫度(190℃)[5]．

圖5 噴油器溫度隨轉(zhuǎn)速的變化 Fig.5 Effect of engine speed on injector temperature

2.2 直噴比例和點(diǎn)火正時(shí)/燃燒相位對(duì)噴油器溫度的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化同時(shí)包含了影響噴油器溫度的3個(gè)基本因素的變化．為了明確GDI噴油器噴油量對(duì)噴油器溫度的影響，尤其是噴油器頭部溫度的影響，使用直噴電控系統(tǒng)和氣道噴射電控系統(tǒng)，結(jié)合燃燒分析儀協(xié)同控制GDI噴油器噴射量、點(diǎn)火正時(shí)和氣道噴油器噴射量等參數(shù)，保證不同直噴比例下燃燒相位、IMEP保持不變．

圖6為不同工況下直噴比例對(duì)噴油器溫度的影響，燃燒特性如圖7所示(列舉部分工況)．隨直噴比例減小，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度都隨之增加．這是因?yàn)殡S燃 油流量減少，燃油與噴油器內(nèi)表面進(jìn)行的對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)作用減弱、換熱量減少．Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ點(diǎn)之間的溫差呈逐漸減小趨勢(shì)，Ⅲ點(diǎn)的溫度增加量最小，Ⅳ點(diǎn)的溫度則急劇上升．在IMEP為0.6MPa的工況下，隨直噴比例減小，噴油器溫度上升趨勢(shì)劇烈，尤其是Ⅳ點(diǎn)(噴油器頭部)溫度．這是由于100%直噴比例的循環(huán)噴油量較大、燃油流速較快，10%的直噴循環(huán)噴油量仍能與噴油器內(nèi)壁面產(chǎn)生較多的換熱量(與IMEP為0.3MPa的工況相比)．因此，在IMEP為0.6MPa和直噴比例接近0時(shí)，噴油器溫度上升劇烈，而IMEP為0.3MPa的工況下噴油器溫度上升相對(duì)緩和．

圖6 直噴比例對(duì)噴油器溫度的影響 Fig.6 Effect of direct injection ratio on injector temperature

圖7 不同直噴比例下的累計(jì)放熱率分?jǐn)?shù) Fig.7 Accumulated heat release under different direct injection ratio

表2顯示了直噴比例為0與100%工況相比噴 油器各點(diǎn)的溫差以及Ⅳ點(diǎn)溫度相對(duì)直噴循環(huán)噴油量的平均變化率．其中Ⅳ點(diǎn)最大溫差達(dá)到27.1～58.5℃，Ⅳ點(diǎn)溫度隨直噴循環(huán)噴油量的平均變化率達(dá)到0.79～2.66℃/mg．可見(jiàn)，噴油器頭部溫度對(duì)燃油流動(dòng)高度 敏感，燃油對(duì)噴油器有極高的冷卻作用，證實(shí)了文獻(xiàn)[1]研究的相關(guān)結(jié)論．

表2 噴油器最大溫差 Tab.2 Maximal temperature difference of injector

為了研究點(diǎn)火正時(shí)及燃燒相位對(duì)噴油器溫度的影響，試驗(yàn)通過(guò)直噴電控系統(tǒng)控制點(diǎn)火正時(shí)，以標(biāo)定的最佳點(diǎn)火正時(shí)為基準(zhǔn)，點(diǎn)火正時(shí)向后推遲7～13°CA．為了消除其他因素的影響，保持每個(gè)工況點(diǎn)的進(jìn)氣量、直噴噴油量等參數(shù)保持不變．圖8為不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下燃燒相位對(duì)噴油器溫度的影響，燃燒特性如圖9所 示(列舉部分工況)．隨著燃燒相位的推遲，Ⅰ點(diǎn)溫度幾乎不受影響，Ⅱ點(diǎn)溫度只有微弱降低趨勢(shì)，Ⅲ點(diǎn)的溫度降低較小，Ⅳ點(diǎn)溫度降低相對(duì)明顯．這是因?yàn)閭鳠岬淖兓l(fā)生在噴油器頭部，燃燒相位的改變主要是引起了缸內(nèi)溫度和對(duì)流傳熱系數(shù)的變化，隨著燃燒相位的推遲，缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率逐漸減小，缸內(nèi)平均溫度降低，因而Ⅳ點(diǎn)的溫度隨燃燒相位的推遲顯著降低．試驗(yàn)測(cè)得4個(gè)工況下，Ⅳ點(diǎn)溫度的最大降幅在 4.5～9.0℃之間．

圖8 燃燒相位CA 50對(duì)噴油器溫度的影響 Fig.8 Effect of combustion phase CA 50 on injector temperature

圖9 不同燃燒相位下的累計(jì)放熱率分?jǐn)?shù) Fig.9 Accumulated heat release under different combustion phase

2.3 水溫對(duì)噴油器溫度的影響

圖10為水溫對(duì)噴油器溫度的影響．4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度與水溫有良好的線性關(guān)系．表3為試驗(yàn)所得Ⅳ點(diǎn)的溫度隨水溫的最大變化和平均變化率．Ⅳ點(diǎn)溫度的最大變化在11.8～19.5℃之間，平均變化率在 0.74～1.22之間．在相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷越大，溫度變化率越大；在相同負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速越低，溫度變化率越大；在轉(zhuǎn)速為1500r/min、直噴循環(huán)噴油量為21.8mg工況下，隨水溫增加，噴油器溫度增加幅度最大，達(dá)到19.5℃．究其原因是：發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，缸內(nèi)溫度增加，導(dǎo)致缸內(nèi)氣體向噴油器傳熱作用增強(qiáng)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，噴油器內(nèi)部的燃油流量會(huì)大幅降低，導(dǎo)致 燃油對(duì)噴油器的冷卻作用會(huì)明顯降低．

圖10 水溫對(duì)噴油器溫度的影響 Fig.10 Effect of coolant temperature on injector temperature

表3 噴油器頭部最大溫差和溫度變化率 Tab.3 Variation of tip temperature and its variation rate

2.4 噴油器熱負(fù)荷對(duì)噴油器積碳形成的影響

文獻(xiàn)[1]的研究基于積碳特征分析了積碳的形成機(jī)理，得出初步結(jié)論，噴油器積碳是在低溫環(huán)境下形成．噴油器熱負(fù)荷特性研究已證實(shí)噴油器溫度遠(yuǎn)未達(dá)到通常認(rèn)為的易于積碳形成的溫度—汽油T90溫度，鑒于此，有必要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步明確噴油器熱負(fù)荷對(duì)噴油器積碳形成的影響及積碳機(jī)理．

試驗(yàn)流程主要分為：(1)使用兩支潔凈噴油器隨發(fā)動(dòng)機(jī)分別在轉(zhuǎn)速為2000r/min、IMEP為0.3MPa、噴油器頭部溫度為113℃的工況和轉(zhuǎn)速為2000 r/min、IMEP為0.6MPa及噴油器頭部溫度為126℃的工況下運(yùn)行5h；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行結(jié)束后，通過(guò)內(nèi)窺鏡和相機(jī)來(lái)直觀檢測(cè)積碳的形成狀況．檢測(cè)方法是首先在火花塞安裝孔內(nèi)插入內(nèi)窺鏡，從缸內(nèi)觀測(cè)噴油器頭部的積碳狀態(tài)及噴油器頭部周?chē)妆诘姆e碳狀態(tài)．然后拆卸噴油器，通過(guò)高清相機(jī)觀測(cè)噴油器頭部的清晰圖像；(3)將其中一支積碳噴油器再次裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上，隨發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為2000r/min、IMEP為0.6MPa及噴油器頭部溫度為184℃的工況下運(yùn)行5h；(4)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行結(jié)束，再次使用內(nèi)窺鏡及相機(jī)觀測(cè)噴油器積碳狀態(tài)和缸壁積碳狀態(tài)．試驗(yàn)工況如表4所示．

表4 積碳制備試驗(yàn)工況 Tab.4 Test scheme of engine test for sample preparation

圖11展示了在不同噴油器溫度條件下積碳形成的狀態(tài)．在小負(fù)荷、噴油器頭部溫度為113℃時(shí)，積碳程度較高．內(nèi)窺鏡圖像顯示：很難觀測(cè)到噴油器頭部，噴油器頭部、缸套壁面及缸蓋壁面都被積碳層覆蓋；噴油器頭部的高清圖像顯示，黑色的、油膩光滑的積碳層附著在噴油器頭部，噴孔也完全被積碳堵塞；在中等負(fù)荷、噴油器頭部溫度為126℃時(shí)，積碳程度降低；在缸內(nèi)可以觀測(cè)到噴油器頭部，并且缸套壁面和缸蓋壁面的積碳也明顯減少．噴油器頭部的高清圖像顯示：噴油器頭部的積碳減少，積碳層是干燥顆粒狀的、呈褐色，噴孔出口也清晰可見(jiàn)，未被堵塞；在中等負(fù)荷、GDI噴油器噴油量為0mg及噴油器頭部溫度達(dá)到184℃時(shí)，內(nèi)窺鏡圖像顯示噴油器頭部以及周?chē)滋妆诿婧透咨w壁面上的積碳已經(jīng)消失．

圖11 轉(zhuǎn)速為2000r/min噴油器溫度對(duì)積碳形成的影響 Fig.11 Effect of injector temperature on deposit formation at 2000r/min

試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油器頭部溫度低，容易導(dǎo)致積碳的形成．主要原因有：(1)噴油器頭部是低溫環(huán)境，殘油在這一區(qū)域不易揮發(fā)，并且發(fā)生了低溫氧化，形成膠質(zhì)等積碳前驅(qū)物，積碳的生長(zhǎng)量會(huì)大于氧化量；(2)近壁面則是高溫環(huán)境，濃混合氣和未揮發(fā)燃油在這一區(qū)域發(fā)生燃燒和高溫?zé)崃呀猓a(chǎn)生多數(shù)積碳前驅(qū)物；(3)噴油器頭部與近壁面之間具有較大的溫度梯度，引發(fā)了油滴、顆粒物的熱遷移行為，噴油器頭部的燃油源沉積物和顆粒源沉積物增加，進(jìn)而增加了積碳的生成．

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和積碳機(jī)理分析，積碳可以被清除的原因是：(1)GDI噴油器停止噴射，噴孔內(nèi)燃油沉積行為停止[1,13]、尾噴行為停止[1]，使得燃油源沉積物數(shù)量減少；(2)進(jìn)氣道噴射(PFI)替代GDI噴射，缸內(nèi)混合氣均勻、顆粒物數(shù)量降低及噴油器頭部擴(kuò)散燃燒結(jié)束[1,13]，使得顆粒源沉積物數(shù)量減少；(3)GDI噴油器停止噴射，GDI噴油器頭部溫度提高，降低了熱遷移效應(yīng)，使得燃油和顆粒向噴油器頭部冷凝、吸附和沉積的行為減少；(4)GDI噴油器頭部溫度提高，積碳層中碳?xì)涑煞值靡猿浞终舭l(fā)，積碳層變得干燥，黏結(jié)力降低，易脫落．顆粒物在干燥積碳層沉積、附著的傾向降低；(5)GDI噴油器頭部溫度提高，加速了積碳的氧化．

3 結(jié)論

(1) 受燃油、燃?xì)夂屠鋮s水因素的影響，噴油器溫度場(chǎng)分布極不均勻；密封環(huán)上游和密封環(huán)處溫度隨負(fù)荷增加而降低；密封環(huán)下游溫度隨負(fù)荷增加先增大后略有下降；頭部溫度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加而增大，最高溫度為132～147℃，但遠(yuǎn)未達(dá)燃油的T90溫度(190℃)．

(2) 燃油對(duì)噴油器有極高的冷卻作用，對(duì)于轉(zhuǎn)速為1500～2000r/min、IMEP為0.3～0.6MPa工況，燃油使頭部溫度降低27.1～58.5℃；點(diǎn)火正時(shí)和冷卻水溫度對(duì)噴油器溫度調(diào)節(jié)有限．

(3) 噴油器頭部在低溫條件下容易形成積碳；積碳前驅(qū)物的主要來(lái)源是近壁面濃混合氣與燃油發(fā)生燃燒和高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)的產(chǎn)物；需采取適當(dāng)措施提升噴油器溫度，以減少前驅(qū)物的沉積和積碳生成．