การวิเคราะห์อย่างละเอียดของฝากรูจมน้ําและคอกในเครื่องฉีดน้ํามันดีเซล

การสะสมของคราบและโค้กที่รูหัวฉีดเป็นหนึ่งในโหมดความล้มเหลวที่ร้ายกาจและแพร่หลายที่สุดในหัวฉีดดีเซลระบบคอมมอนเรลสมัยใหม่ ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมี ความร้อน และกลศาสตร์ของไหลที่ซับซ้อน แทนที่จะเป็นการปนเปื้อนแบบง่ายๆ คราบเหล่านี้ก่อตัวขึ้นภายในรูขนาดเล็กซึ่งโดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 100 ถึง 200 ไมโครเมตร ซึ่งแม้แต่ชั้นบางๆ ก็สามารถเปลี่ยนแปลงพื้นที่การไหล พลวัตของละอองฉีด และพฤติกรรมการเผาไหม้ได้อย่างมาก กลไกพื้นฐานเกี่ยวข้องกับการสลายตัวด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบออกซิเดชัน และการเกาะติดของผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งทั้งหมดนี้ทวีความรุนแรงขึ้นจากแรงดันรางที่สูงขึ้นและความคลาดเคลื่อนในการผลิตที่เข้มงวด

รากฐานของการเกิดโค้กคือการเสื่อมสภาพทางความร้อนของส่วนประกอบน้ำมันเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่นภายในปลายหัวฉีด ในระหว่างและหลังการฉีด น้ำมันดีเซลที่ตกค้างซึ่งติดอยู่ในปริมาตรของช่องว่างและรูหัวฉีดจะสัมผัสกับความร้อนสูงจากห้องเผาไหม้ ซึ่งมักจะเกิน 400°C ภายใต้สภาวะดังกล่าว ไฮโดรคาร์บอนสายโซ่ยาวจะเกิดการแตกตัวทางความร้อนและการกำจัดไฮโดรเจน ทำให้เกิดสารพอลิเมอร์ที่หนาแน่นและอุดมด้วยคาร์บอน สารประกอบเหล่านี้จะเกาะติดแน่นกับผนังภายในของรู ค่อยๆ สะสมจนกลายเป็นคราบแข็งที่ทนความร้อนได้ ในทำนองเดียวกัน น้ำมันเครื่องที่ตกค้างซึ่งเข้าสู่ห้องเผาไหม้ผ่านไกด์วาล์วหรือแหวนลูกสูบที่สึกหรอ จะมีส่วนช่วยให้เกิดเถ้าและส่วนประกอบอินทรีย์หนัก ซึ่งจะเร่งการก่อตัวของคราบยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้การเดินเบาเป็นเวลานาน การทำงานที่โหลดต่ำ หรือการเดินทางระยะสั้นบ่อยครั้งที่อุณหภูมิการเผาไหม้ไม่คงที่

คุณภาพของน้ำมันเชื้อเพลิงช่วยเพิ่มกลไกนี้ได้อย่างมาก เชื้อเพลิงที่มีส่วนประกอบจุดเดือดสูง ความเสถียรต่อการออกซิเดชันต่ำ หรือสิ่งเจือปนอนินทรีย์ที่ตกค้าง จะส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสของคราบ ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวในดีเซลคุณภาพต่ำมีแนวโน้มที่จะเกิดพอลิเมอไรเซชันภายใต้ความร้อนและความดัน ทำให้เกิดสารตั้งต้นคล้ายยางเหนียวที่แข็งตัวกลายเป็นโค้ก การกรองที่ไม่เพียงพอจะทำให้สารแขวนลอยละเอียดทำหน้าที่เป็นแหล่งนิวเคลียส ส่งเสริมการเจริญเติบโตของคราบและเร่งการอุดตันของรู

ในเชิงอุทกพลศาสตร์ คราบจะรบกวนการไหลของเชื้อเพลิงแบบลามินาร์ที่ตั้งใจไว้ภายในหัวฉีด เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางรูที่มีประสิทธิภาพลดลง อัตราการฉีดจะลดลง การแทรกซึมของละอองฉีดจะสั้นลง และคุณภาพของการทำให้เป็นละอองจะเสื่อมถอยลงอย่างมาก ลำเชื้อเพลิงจะกลายเป็นไม่สม่ำเสมอ นำไปสู่การกระแทกของเชื้อเพลิงกับผนังกระบอกสูบ การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ การปล่อยเขม่าเพิ่มขึ้น และการปล่อยอนุภาคที่สูงขึ้น เมื่อเวลาผ่านไป การอุดตันบางส่วนอาจทำให้กระบอกสูบไม่สมดุล การเดินเบาไม่เรียบ การสูญเสียกำลัง และอุณหภูมิไอเสียที่สูงขึ้น ในกรณีที่รุนแรง การอุดตันของรูเกือบสมบูรณ์จะป้องกันการจ่ายเชื้อเพลิงที่เพียงพอ ส่งผลให้เกิดการจุดระเบิดผิดพลาดและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับระบบบำบัดไอเสีย

นอกจากนี้ คราบใกล้กับที่นั่งเข็มจะรบกวนการปิดผนึกที่แม่นยำ ทำให้เกิดการรั่วไหลแรงดันต่ำ การหยดหลังการฉีด และการไหลของเชื้อเพลิงที่ไม่ถูกควบคุม สิ่งนี้จะสร้างวงจรที่เสริมกำลังตัวเอง: การเผาไหม้ที่ไม่ดีจะสร้างคราบมากขึ้น ซึ่งจะทำให้คุณภาพของละอองฉีดเสื่อมถอยลง ทำให้โค้กแย่ลงจนประสิทธิภาพของหัวฉีดเสียหายอย่างถาวร จากมุมมองของกลไกความล้มเหลว การเกิดโค้กที่หัวฉีดจึงเป็นกระบวนการเสื่อมสภาพที่ขับเคลื่อนด้วยเทอร์โมเคมีก้าวหน้าและเร่งตัวเอง ซึ่งบ่อนทำลายการทำงานหลักของหัวฉีดคอมมอนเรลแรงดันสูง