不同航空动力燃料燃烧结焦积碳性质分析

李范+杨鹏慈

摘 要：针对航空发动机工作时燃烧系统内产生大量结焦积碳，影响航空飞行器的使用性能的问题，分别选用航空煤油和轻质柴油为燃料，采集航空发动机喷嘴处产生的两种结焦积碳样品，利用SEM、TEM、XRD进行表征。结果表明：航空煤油以热裂解方式产生颗粒团聚态的结焦积碳，为无定型焦炭；轻质柴油以热裂解和催化结焦两种方式产生颗粒团聚状和丝状结焦积碳，为石墨结构焦炭；航空发动机产生的结焦积碳性质与燃料的成分有关，降低其中苯环等芳烃类组分的含量，有利于减少航空燃料在发动机喷嘴处的结焦积碳。

关键词：航空发动机；结焦积碳；微观形态

航空燃料燃烧时，经常在发动机燃烧系统内产生结焦积碳，导致飞机发动机的动力性能显著的下降。[1]为从根本上解决这一问题，本文分别采用航空煤油和轻质柴油为燃料，收集航空发动机喷嘴处的两种结焦积碳样品，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察样品的微观形貌，X射线衍射仪分析样品物相，探讨了不同动力燃料对航空发动机喷嘴结焦积碳的影响，为航空发动机抗结焦积碳的方法研究奠定基础。

1实验方法

航空发动机喷嘴部件上产生的两套结焦积碳。两套样品产生，使用的燃料不同，分别为航空煤油和轻质柴油，其它条件均相同，流速为7.1L/h，压力为3.03×105Pa；喷嘴零部件的材料为高温钴基合金。对在航空发动机喷嘴零部件上采集到的两种结焦积碳样品，利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射技术（XRD）进行表征，对比分析两套样品的形貌及结构。

2结果与讨论

2.1 两套结焦积碳宏观形貌对比

航空煤油产生的结焦积碳样品为不规则粒状物，粒度较大且不均匀，平均粒徑约为2-3mm；由轻柴油产生的结焦积碳样品粒度很小，相对均匀，平均粒径约为0.5mm。

2.2 两种结焦积碳的表征与分析

2.2.1 采用SEM分析，如图1：航空煤油产生的结焦积碳为颗粒状焦，而且有一定大小的、尺寸不均的球状焦存在。轻质柴油产生的结焦积碳为带状分布，排列整齐，有方向性，类似火山喷发后的岩浆，结焦积碳样品表面有大小不一的颗粒沉积，且分布不均。

2.2.2 采用 TEM 分析，如图2：航空煤油结焦积碳样品为颗粒团聚状焦，轻质柴油结焦积碳样品为颗粒团聚状焦和少量丝状焦。目前，关于结焦积碳产生机理的研究普遍认为，丝状焦是由催化结焦产生的，颗粒状焦是由热裂解结焦产生的，所以，航空煤油结焦积碳样品只以热裂解方式产生，而轻质柴油结焦积碳的形成有热裂解和催化结焦两种方式。

2.2.3 采用XRD进行物相分析，图3中样品的XRD图谱在23.03°和43.42°出现尖峰，根据碳材料XRD谱图002峰（2θ=26°左右）和101峰（2θ=42°左右）可以确定该样品为碳，又因其它位置没有明显峰出现，可知样品排列有序部分较少，石墨化不明显，结构介于无定形碳和焦炭间。图4为轻柴油燃烧结焦积碳样品XRD图，可以看出有许多的尖峰，可知该结焦积碳样品为晶体结构。对比石墨结构特征峰可知2θ=24.94°，42.46°，61.46°，73.62°分别对应002，101，103，104晶面，可以确定样品成分为碳元素，由其它特征峰判断，表面样品结构有序化程度良好，为石墨态的六边形结构。所以可知：轻质柴油燃烧产生的结焦积碳是由具有六边形碳环的石墨结构的片层按照一定的晶体学矢量方向构成的。

2.3 两种动力燃料形成结焦积碳理论分析

航空煤油中含有重芳烃、胶质、沥青质等组分，在高温环境下发生脱氢缩合形成更大分子的物质，沉积在金属表面，形成焦核，焦核继续汇聚，脱氢，缩合形成颗粒状积碳。当形成的焦核较多，沉积后相互溶解，汇聚成大液滴，大液滴脱氢，缩合形成球状积碳。航空煤油中的重组分油气，结焦反应是在气相中进行的，反应后产生的微小碳粒相互团聚，形成焦炭颗粒簇，这些不规则的焦炭颗粒簇即形成较松散的无定形焦炭。

轻质柴油为复杂的烃类混合物，比航空煤油的粘度大，在发动机内主要靠很细小的喷嘴，把燃料喷成雾状的形态，才能与高压高温空气充分混合，猛烈的燃烧，产生动力，这种燃烧特性决定了其燃烧产生的结焦积碳呈现类似火山喷发岩浆的带状。在高温环境下，喷嘴集体材料中的Fe， Ni等元素具有显著的催化作用，这些元素与燃料形成不稳定的碳化物，碳化物不稳定发生分解，在碳化与分解过程中，碳析出，脱氢，形成丝状焦碳。

3结论

1）航空发动机中，航空煤油燃烧产生的结焦积碳以热裂解方式产生，为颗粒团聚状焦；轻质柴油燃烧产生的结焦积碳以热裂解和催化结焦两种方式产生，为颗粒团聚状焦和少量丝状焦；

2）航空煤油中重芳烃、胶质、沥青等燃烧、冷凝产生的结焦积碳，是一种无定型焦炭；轻质柴油中的芳烃、环烷烃等作为结焦积碳的前驱体经过氧化、裂化、热解、焦化、聚合和缩合等一系列过程，形成石墨结构的焦炭。

3）航空发动机产生结焦积碳的性质与燃料的成分有关，降低航空燃料中的苯环等芳烃类、重芳烃、胶质、沥青等组分的含量，有利于减少航空燃料在发动机喷嘴处的结焦积碳。

参考文献：

[1]李华强， 费逸伟， 姜旭峰.喷气燃料在合金表面的碳沉积[J]. 表面技术， 2005， 34（4）： 62-64endprint