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中速生物油柴油机燃油喷射器故障
Jonas Galle a,*, Sebastian Verhelst a, Roger Sierens a, Leonardo Goyos b, Rafaeuml;l Castaneda b,
Marc Verhaege c, Lieven Vervaeke d, Marc Bastiaen d
a Department of Flow, Ghent University, Heat and Combustion Mechanics, St. Pietersnieuwstraat 41, 9000 Ghent, Belgium
b Instituto Superior Politeacute;cnico Joseacute; Antonio Echeverria, Havana, Cuba
c Department of Materials Science and Engineering, Ghent University, Belgium
d Anglo Belgian Corporation, Belgium
关键字：
生物燃料 船用柴油发动机 喷油器故障 脂肪酸蒸馏残留物 气穴 堵塞
摘要：
在中速柴油机中使用脂肪酸蒸馏残余物作为柴油燃料。 将该生物油加热至110℃以使粘度降低至8mPa·s。 与生物油一起使用的注射器过早失效，操作时间范围为50至1500小时。 对喷油器和燃油进行了调查，以了解故障原因并改进发动机的运行。 调查揭示了不同的原因，包括喷射器通道的塑性变形和堵塞，以及微裂纹，侵蚀和气蚀损伤。 将失效的喷油器与来自相同发动机的未受影响的喷油器和来自化石柴油燃料发动机的喷油器进行比较。 发现燃料的化学和物理组成强化了喷油器的故障。
1.介绍
燃料成本的不断上涨，排放气体的更严格标准以及对更多绿色能源的日益增长的要求是使用替代燃料的最重要原因。 醇类，来自不同来源的生物柴油，直馏植物油和废物被用作内燃机的替代燃料，在性能和排放方面取得了良好的效果。 生物燃料的使用有时与损害或失败有关。 不同的作者研究了这方面的生物柴油和混合物。 Proc等人报道了机油滤清器更换的增量但没有明显的磨损增量。 在一项以B20生物柴油混合燃料为燃料的公交车队的研究中，Shina 报道了使用B20混合物的更好的润滑条件和更少的磨损。 Fraer等人在他们的研究中比较运用化石柴油和B20混合物的车辆的研究中得出类似的结论。 这些作者指出，在一些情况下，喷油器复位有一点增量。
Pehan等人认为使用B100改进了泵柱塞的润滑。 使用化石柴油或B100在注射器上没有观察到碳沉积物的差异，仅观察到燃烧室中的不同分布。
Dorado等人获得了相似的结果。使用B100生物柴油。与使用化石柴油相比，没有报道任何差异。 Cetinkaya等人评估了源自用过的烹饪油的生物柴油对发动机的影响。在这种情况下，不同的行为被报告为季节性时期的函数，表明冬季在喷油器中存在积碳。
使用纯油时会报告不同的情况。 Labeckas和Slavinskas报道，与化石柴油相比，使用直馏菜籽油作为燃料的喷射器焦化有所增加。 Ramadhas等人使用橡胶种子油指出了类似的结论。 Labeckas和Slavinskas发现了喷油器烹饪和发动机负载之间的关系。 Agarwal也报告了类似的长期问题。
没有关于喷射器在以生物燃料为燃料的发动机中失效的报道。对使用化石柴油的喷油嘴进行了几项工作。余和徐研究了化石柴油机车发动机中氮化物表面喷射器的脆性破坏，指出制造不正确是失败的原因。这些研究人员还报道了卡车喷油器的故障，也是化石柴油发动机的故障。作者得出结论：注射器基础材料中的冶金缺陷是导致失效的原因。 Asi报告由于汽蚀造成的故障。空化现象引起的破坏导致裂纹沿注射器轴线的起始和传播。
基本上，使用生物燃料操作的发动机喷油器的工作条件与压力和温度有关，与化石柴油发动机中的喷油器类似。但是，当使用生物燃料时，必须特别注意燃料特性。相反，生物燃料的广泛分散，已经为燃料的主要特性引入了一些标准。
本文将介绍一种生物油，一种来自油菜籽，棕榈油和牛油混合物的脂肪酸蒸馏残余产物，用作中速柴油机的燃料。在使用这种生物油的过程中，发现过早的喷油器故障，促使对这种行为的原因进行分析。据发动机制造商在12月至07年12月期间的报告，超过30个喷油器更换是由一组运行的2个8缸发动机执行的。还观察到燃油泵的问题。详细分析了两个损坏的喷油器。主要研究结果报告如下。
2.燃料分析
使用过的生物油是脂肪酸蒸馏的残留物。油脂，菜籽油和棕榈油混合物水解后，得到甘油和游离脂肪酸。接着，进行蒸馏以分离游离脂肪酸。该操作的残留物是用于该调查的生物油。
原料（牛脂，棕榈油和菜籽油）的相对数量从一批变为另一批，导致每批不同的生物油组合物。
在2007年5月至2008年12月期间进行了几项化学和物理分析，表1中报告了更有意义的结果，显示了结果的平均值和它们的标准偏差。
其性能和特性可与RMH 380型船用剩余燃料的ISO 8217燃料标准和德国菜籽油燃料标准DIN 51 605的值进行比较。
分析的一个重要趋势是大多数属性的值不一致。请注意，某些测试属性的标准偏差与其平均值的顺序相同。
根据欧洲标准，生物油特性值与所需要的值比较，显示出其中大部分的显着差异，并且通常不符合标准。高密度和高粘度是纯油中的预期值以及十六烷值和闪点。
所有这些属性都很重要，但有必要根据它们对发动机和环境的潜在影响来考虑每一个属性。其中一些参数是油本身的特性，因此很难以简单的方式进行改变。其他参数可以在生产过程中或之后使用适当的过程进行修改。
其中一些性能对于事先评估燃料性能非常重要，特别是总污染和含水量。
水和污染物会导致燃油滤清器堵塞，并有助于形成沉积物。另外，水可以促进腐蚀和微生物生长以及燃料系统的不适当操作。
高总污染也会产生更高的颗粒物排放。
动物脂，特别是动物脂，是重要的污染源。由于牛脂的必要加工和熔化，最终的生物油呈现重要数量的灰分，碳，硫和金属，例如碱，硅和其他。所有这些元素使燃料具有非常高的堵塞和腐蚀倾向。这是生物油的情况。
室温下生物油中可见许多颗粒。当加热燃料时，大部分颗粒不再可见并且被识别为生物油的固化部分。通常这是磷脂存在和它们聚集其他脂肪酸的能力的结果。
还有许多固体颗粒作为燃料中的污染物存在，并可能是牛脂加工的骨头和其他元素的残留物。
用配有EDAX微探针分析仪的Philips XL-30扫描电子显微镜（SEM）分析这些颗粒。从不同点采集三个样品：在发动机燃油滤清器之前，在过滤器之后和在喷油器之前。
在第一项研究中，样本被烧毁以调查残余灰烬。这项研究证实这三个样本非常相似。颗粒是不同元素的混合物;图1显示了过滤器前样品中发现的颗粒。图2中的衍射图显示了颗粒的组成。它们主要由不同碱金属氧化物，铁，磷和硫组成。它们还含有一些硅和碱金属。
在图3中显示了其他类型的颗粒。图4中的衍射图显示了颗粒的组成。在这种情况下，主要组分是团聚熔融颗粒形式的铁。
在过滤器之后和喷射器之前的样品中发现约50mm的沙粒。为了研究颗粒的大小分布，研究了另外三个样品：一个在过滤之前，一个在5mm上过滤后和在1mm上过滤后一个。该过滤的效率被指定为75％。在此分析中，首先将样品离心以浓缩大颗粒。此后，样品在炉中干燥。
在未过滤的样品中发现铝氯;这是与烃进行聚合反应的催化剂。燃料中的聚合会导致过滤器和喷油器堵塞。在5mm过滤的样品中，颗粒存在的尺寸高达40mm。样品中含有大量的沙粒和盐粒。在1mm颗粒上过滤的样品直至25mm被发现。样品含有氧化铝，氧化硅和氧化钙。
两次分析的结果证实了颗粒的组成。过滤后发现太多大于过滤器尺寸的颗粒，警告这些设备的效率。未燃烧样品中的大部分大颗粒物为铁，可能是石油生产过程中设备磨损的结果。
2.1.关于燃料质量的结论
尽管经过分析的燃料具有经济优势，作为工业生产过程的一个残余，但仍有必要改进其特性以避免对发动机和环境造成重大的破坏性影响。
燃料富含有害元素，会使发动机变质。
大多数这些元素，特别是颗粒的存在具有共同的起源，即牛油加工。
事实证明，过滤不足以允许在燃料系统中存在大于额定过滤器尺寸的颗粒。
生物油的良好和廉价的改进必须始于颗粒与牛脂的充分分离和促进氧化，附聚和聚合的化学组分如AlCl和磷脂的减少。这种操作会降低钙，灰分，硫，磷以及可能的铁含量。大多数有害元件的减少将直接减少具有窄公差的移动部件以及腐蚀危险的系统的磨损。另一个重要结果是减少燃料系统和燃烧室中堵塞和沉积的趋势。
为了减少燃料回路中的腐蚀危险，还需要改进消除高水位的过程。
3.喷油器分析
在调查失效的喷油器时，在活塞顶部，环，燃烧室和喷油器上检测到黑色沉积物。使用SEM分析活塞上的残余物。这些沉积物有很大的黑暗区域和一些白点（见图5）。在这些区域的衍射图中检测到类似的化学成分：除了大量的碳以外，还发现了一些金属，如钠，镁和铁。主要区别在于黑暗区域碳含量较高（图6）。
图中示出了失效的喷射器中的喷射孔的表面积。 7和8.这些注射器用字母A和B表示。它们的主要特征见表2。
在图7中可以看出，喷射器A在外部区域具有深色硬质沉积物，并且其喷嘴孔由于明显相同的沉积物而完全封闭。在黑暗的物体中观察到几个白色颗粒。质量堵塞孔的特征在于图1和2中的衍射图。在图8中，喷射器B没有在孔内沉积，只在外部区域看到，并且沿着孔的轴线看到严重的裂缝。
堵塞喷射器A中的孔的沉积物与其他分析的沉积物含有相同的元素。高含量的碳使其他元素的反射最小化，并使得难以将该组成与在过滤器之前和之后针对燃料确定的组成进行比较。它证明了碱金属，铁和硫的存在，它们都存在于燃料中。分析中不能检测到磷，但不可能说它不存在，因为它们在样品中的相对量不足以检测。
表征孔中堵塞物质中的白色颗粒（图10）。这些颗粒是金属的，铁含量非常高，并含有注射器钢体特征的合金元素。该组合物证明颗粒是来自注射器和泵的损坏部分的碎屑。
其他喷油器进行了分析比较的目的。标记为C的喷油器是从发动机上拆下的废旧喷油器，没有故障。喷油器D是在类似发动机运行后用柴油运行后拆下的喷油器。表2列出了喷油器的主要特性。
在发动机中使用的所有喷油器（喷油器A，B和C）在几何上都是相同的，有8个孔，并且来自相同的供应商。注射器A，B和D是低碳合金钢，而注射器C具有中等含碳量。
注射器A因大部分喷嘴堵塞而失败。图11中的喷嘴孔的前三个外部视图示出了可见的变形。为了便于比较，图中包括了未使用喷嘴中孔的类似视图（右下角）。请注意，孔的边缘会显示一个鳍片作为加工过程残留物。
为了研究喷射器和通道的内部，如图12所示使用火花腐蚀切割。
在喷射器A的孔的横截面（图13）中，清楚地观察到变形。图13中边缘的放大图清楚地显示了边缘的变形不仅在外侧。最重要的变形是边缘材料进入孔的逆向流动。这种变形是完全塑性的。通过分析区域的粗糙轮廓来判断，这种变形在几个燃烧循环中以连续的步骤发生。
变形的外部也显示出一些有趣的细节。在图14中，可以看到图11所示的喷射器A的堵塞孔的外部部分的放大图。黑色部分是填充孔，白色部分是孔的边缘。图中注意到这部分小碎片的撕下以及显示恶化过程的微裂纹。在边缘周围发现了几个这些微裂纹，显示出注射器上的疲劳载荷的作用。这些疲劳负载在燃烧室中是严重的。高压力水平以非常快速的脉动方式和孔边缘的较弱区域（由于其几何形状）相结合。
边缘的几何形状不仅对于压力载荷而言，而且对于传热都是至关重要的。与喷嘴的大部分相比，拐角具有更大的表面。这意味着角落将与环境产生更大的热量传递，因此温度波动和热疲劳将是最高的。
边缘的临界条件在孔的收缩和堵塞中起着重要的作用。靠近喷射器的腔室区域的温度通常为进气阀约250℃，排气约330℃。建议避免喷嘴头温度超过280°C以防止堵塞和碳化。在同样的意义上，直径小于0.25毫米的孔不建议用于使用标准柴油燃料的柴油发动机。由于堵塞而失效的喷射器显示出0.4mm的孔直径，并且约束区达到0.3mm。通常，由于高喷射压力（图15）和喷射速度引起的自清洁效应，即使存在沉积物，孔仍保持自由，但在这种情况下，存在不同因素的综合作用。
喷嘴材料是软质低碳钢。该材料的基本保护是提高其硬度的外部渗碳处理。可能由于该喷嘴的制造缺陷，孔的边缘受到硬化表面开裂的疲劳载荷的影响。这种损坏使基材暴露于温度和负荷组合。这种情况导致材料向喷嘴通道内部的塑性流动。通常喷射的燃料必须能够将物质从孔中推出，但容易堵塞的燃料中的颗粒被变形的边缘部分地保留。流过孔的燃料通常有助于冷却喷射器。污垢堆积会降低冷却效果并增加堵塞的可能性，有助于增加颗粒的保留以及边缘温度的升高。只有当通过孔的燃料流量减少时，边缘的反向变形才是可能的。堵塞通道中受约束区域的直径显示减小至近似0.3mm。这足以在用过的燃料条件下关闭孔。
该注射器A的其他孔也显示出关于外部区域中的塑性变形和疲劳的类似问题。
喷油器B（图8）中的裂纹起源于喷嘴体内部。该注射器显示孔中没有变形，这与注射器A完全不同（在类似的工作时间之后）
裂纹沿着轴和喷嘴的尖端传播。在喷油器内部（图16）可以看到几个裂缝，其中一些裂缝与受侵蚀损坏的区域相连（图17），突出显示了失效的起源。在注射器的关闭区域也发现有空化和侵蚀迹象的位置。
大的纵向裂缝被填满（图18）。填充物从注射器的囊体积变得不那么密集，从
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