汽油直喷(GDI)发动机沉积物特性的研究

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汽油直喷(GDI)发动机以低油耗、低排放和高功率等特点赢得了人们的强烈关注,成为当今乘用汽车的主要动力之一。沉积物的存在给 GDI发动机性能带来很大的影响,严重时影响发动机的正常运行。然而关于它的研究主要集中在喷油器沉积物,对进气系统和燃烧室等处沉积物的研究很少。因此,很有必要就GDI发动机沉积物(尤其是进气系统和燃烧室沉积物)的特性开展研究,为有效避免或减少沉积物的生成提供必要的理论依据。  本文基于迈腾轿车所搭载的目前较为先进的一款1.8TSI发动机,对该 GDI发动机沉积物进行采样。对沉积物采样之前,迈腾轿车已正常运行96200公里。分别采集了发动机节气门、进气歧管、进气歧管翻板、进气阀杆、进气阀、进气阀座、活塞顶部和排气口等处的沉积物,并用热重分析(TGA)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)、扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)和 X射线衍射(XRD)对样品进行了综合分析。主要结论如下:  1.除节气门外,沉积物由挥发分、碳质和灰分组成,节气门沉积物不含碳质,由挥发分和灰分组成。进气系统(进气阀除外)沉积物主要为挥发分,达到了沉积物总质量的74%以上,灰分含量较少;而进气阀和活塞顶部沉积物挥发分和灰分含量均达到了沉积物总质量的将近一半,碳质含量很少,尤其是对于活塞顶部沉积物。  2.沉积物中碳质的初始氧化温度远远低于相同条件下 Printex U碳的初始氧化温度,这要归因于灰分在其氧化过程起到的催化作用,降低了反应的活化能。这也是造成进气阀和活塞顶部沉积物碳质含量较低的主要原因。  3.挥发分主要由链状HC及其氧化组分、芳香型化合物和高分子组分组成。活塞顶部沉积物中链状 HC及其氧化组分、芳香型化合物均为短链或小分子结构,绝大部分能够溶于有机溶剂。节气门沉积物HC组分几乎能够全部溶于有机组分,链状氧化物为长链结构、难溶于有机溶剂,而芳香型化合物则能部分溶解。进气阀杆沉积物中除部分HC溶于有机溶剂,其余组分均很难溶解,多为长链结构或分子量较大;进气阀沉积物中HC含量极少,其挥发分很难溶于有机组分。  4.沉积物灰分中主要含有 C、O、Si、S、P、F、Cl等非金属元素和 Mg、Al、Ca、Mn、Zn、K、Cu等金属元素。灰分中主要成分为无机盐以及少量的金属氧化物。不同位置沉积物灰分中的元素种类相差不大,但对应元素的含量差别比较明显。但也有例外:进气阀和进气阀杆沉积物灰分中不管在元素种类及其含量上比较接近,其中的化合物种类和结构也相当一致。  5. GDI发动机进气系统沉积物主要源于发动机润滑油,也受空气中悬浮颗粒的影响,其中润滑油添加剂是沉积物灰分的主要来源,节气门沉积物受悬浮颗粒的影响较大。相比于进气系统,活塞顶部沉积物(易挥发分)受燃油的影响较大,但主要源于发动机润滑油。
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