GDI汽油机喷油器积碳是造成燃油雾化质量恶化、碳烟颗粒排放增加的重要原因。如何降低喷油器积碳形成的倾向和潜在的危害性,是GDI汽油机开发中需要解决的热点问题。本文应用喷雾测试平台、GDI发动机台架、光学单缸机平台、扫描电镜、透射电镜、红外光谱仪、喷油器温度测试系统等测试系统对不同积碳程度喷油器的宏观/微观喷雾特性、喷油器积碳理化特性、形成积碳的可沉积物(燃油和燃烧颗粒)的来源和沉积形式、喷油器热负荷特性及其对积碳形成的影响展开了系统地研究,揭示了喷油器积碳的形成机理,并在此之上提出了抑制和消除积碳的措施。主要结论有:一、对本文采用的积碳喷油器的喷雾特性研究表明:喷油器积碳后,积碳喷孔直径减小,长径比增加,喷孔轴线偏转。油丝和大液滴是积碳喷油器雾化不良的主要形式,随喷油压力增加,油丝和大液滴数量增加。随积碳程度(流量损失)增加,油束贯穿距先增加后减小,油束投影面积和油束落点截面积减小。轻度积碳喷油器部分喷孔的油束形态扭曲、膨胀,油束投影面积和油束落点截面积反而增加。油束喷射方向绕喷油器轴线发生顺时针偏转,随积碳程度增加,偏转角度增大。油束喷射方向与喷油器轴线夹角增大,随喷油压力增加,夹角变小。油束落点轮廓不规则,随喷油压力增加,落点轮廓不规则度减小。喷射起始延迟20μs,喷射结束延迟30-40μs。二、积碳理化特性研究表明:扫描电镜检测显示,积碳颗粒微观结构有漆膜、珊瑚状、块状等形态。透射电镜检测显示,纳观碳粒子是由20-50nm球状颗粒和絮状物堆积而成的。在小负荷下,头部纳观碳粒子是浅色、絮状物。在大负荷下,形成深黑色堆积物,随负荷增加和时间延长,深黑色堆积物增多。能谱分析仪检测显示,颗粒的主要元素是C和O,其余少量元素是N、K、Ca、Fe。红外光谱仪检测显示,有机物主要成分是羧酸类、烷烃类、芳香烃类等碳氢化合物。以上研究表明形成积碳的物质是燃油和燃烧颗粒。三、喷孔近场喷雾测试表明:燃油喷射时及结束后,喷孔内、凸起表面及底座平面上残留有油膜。主要原因是阶梯孔直径过小或其深度过大,油束撞击阶梯孔;压力室排油不彻底;球阀密封不良,喷孔漏油;针阀组件落座反弹导致尾喷,尾喷产生油丝和液滴;喷孔出口靠近底座平面,液滴滴落底座平面;积碳干涉油束并吸收油膜。喷射压力对改进尾喷的雾化特性无明显效果。燃油温度升高,能促进尾喷雾化,大幅减小尾喷油量。四、光学发动机燃烧试验表明:由尾喷形成的油丝和液滴滞留和聚集在喷油器头部,在燃烧后期形成扩散燃烧并产生碳烟颗粒。喷油压力和喷射正时对改进喷油器头部的扩散燃烧无明显效果。五、喷油器热负荷及其对积碳形成影响试验表明:缸盖积碳主要分布在进气侧,喷油器附近区域积碳数量最多。说明温度是影响积碳形成的重要因素。喷油器热负荷特性显示,随转速和负荷增加,喷油器体上密封环及密封环上游位置的温度降低;头部温度明显增加,在试验最大负荷(14bar IMEP)时达到132-147℃之间。随负荷增加,底座侧面温度先增大,后略有下降并趋于平缓;随着燃烧相位推迟,头部温度降低,温度变化范围为4.5-9℃。随着过量空气系数增加,头部温度先升高后降低,温度变化范围为7.5-13.5℃。喷油器温度与冷却水温度有良好线性关系。随直喷比例减小,头部温度大幅增加,温度变化范围为27-58.5℃。在保持发动机性能良好的条件下,PFI/GDI双喷射技术是提高喷油器头部温度的有效措施。随发动机负荷和喷油器头部温度增加,头部积碳数量减少。应用双喷射技术,头部温度升高到184℃,缸内内窥镜检测显示喷油器头部及缸套的积碳被全部清除。六、通过以上研究得出GDI喷油器积碳形成机理。燃油喷射后,喷孔内、凸起表面及底座平面上残留油膜。燃烧后期在喷油器头部附近聚集燃烧颗粒。随喷油器头部温度增加,头部积碳数量减少。由于燃油喷射降低了喷油器头部温度,头部壁面与缸内气体之间具有较大的温度梯度,近壁面燃油液滴、燃烧颗粒在热迁移作用下沉积在喷油器壁面。碳氢冷凝吸附在喷油器壁面。在壁面形成了粘性油膜、积碳层。因此喷油器头部温度低,能促进积碳的形成。根据温度测试表明高温热裂解的化学反应不会发生在喷油器表面,多数积碳前驱物是在近壁面区域和燃烧区域产生的。七、因此抑制喷油器积碳形成的主要措施有:1.提高燃油温度,减少尾喷和燃油沉积。2.提高喷油器头部温度和应用双喷射技术消除积碳。3.其他措施包括:优化阶梯孔,避免油束撞击阶梯孔;减小压力室容积;喷孔在凸起上的布置应尽量远离底座平面;优化针阀组件结构,抑制针阀反弹;优化球阀的密封结构,提高加工精度。