生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)磨損特性實(shí)驗(yàn)研究

吳 江，陳波水，方建華，王 九

（后勤工程學(xué)院油料應(yīng)用與管理工程系，重慶401311）

生物柴油作為一種代用燃料，因其與礦物柴油相比具有閃點(diǎn)高、運(yùn)輸儲(chǔ)存使用安全性好、十六烷值高、燃燒性能好、硫含量低、芳烴含量低、氧含量高、燃燒殘?zhí)康汀l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放少等特點(diǎn)而備受關(guān)注［1－5］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物柴油的應(yīng)用研究主要集中在生物柴油的燃料特性、燃燒及排放特性等方面［6－10］，而對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中的磨損特性研究甚少。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨損在一定程度上受燃料及其燃燒產(chǎn)物的影響，燃料在燃燒過(guò)程中容易竄到曲軸箱中，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)油質(zhì)量惡化，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命［11－12］。因此，研究生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損特性對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命具有重要作用。本研究在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油時(shí)的磨損特性進(jìn)行研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

內(nèi)燃機(jī)油，長(zhǎng)城牌CD15W-40柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油；0號(hào)柴油，中國(guó)石油蘭州石油化工公司生產(chǎn)，主要理化指標(biāo)見(jiàn)表1；生物柴油是以大豆油酸化油為原料制取，由重慶華正生物能源開(kāi)發(fā)有限公司提供，其性能指標(biāo)達(dá)到GB/T 20828—2007的要求，主要理化指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1．2．1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn) 將磨合后的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別安裝在兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架上，分別以大豆油生物柴油（SME）和0號(hào)柴油為燃料進(jìn)行平行臺(tái)架試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有專(zhuān)用儀表測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、轉(zhuǎn)速、油溫、功率、進(jìn)氣溫度等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄大氣壓、相對(duì)濕度和室溫。每隔2h記錄1次轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)200h。

表1 0號(hào)柴油的主要理化指標(biāo)

表2 大豆油生物柴油的主要理化指標(biāo)

1．2．2 儀器及設(shè)備 發(fā)動(dòng)機(jī)，R165型柴油機(jī)，重慶拓普柴油機(jī)廠生產(chǎn)，汽缸直徑65mm，壓縮比23．5，噴油壓力（13．7±0．5）MPa，功率2．42kW；D12型水力測(cè)功機(jī)，江蘇啟東測(cè)功器有限公司生產(chǎn)，最大吸收功率12kW，主軸最高轉(zhuǎn)速6 000r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的測(cè)量范圍0～45N·m，測(cè)量精度±0．01N·m；ZSB型電子轉(zhuǎn)速表，江蘇南通啟測(cè)機(jī)電有限公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍300～9 999r/min，測(cè)量精度 ±0．05%；流量計(jì)，DF-313型數(shù)字流量計(jì)，日本小野公司產(chǎn)品，累計(jì)流量0．1～99 999．9 mL，瞬時(shí)流量測(cè)量指示范圍0～999．9L/h，測(cè)量精度±1．0%；氣壓計(jì)，測(cè)量范圍300～1 000kPa，測(cè)量精度±0．1kPa；濕度計(jì)，測(cè)量范圍0～100%，測(cè)量精度±1%；溫度計(jì)，測(cè)量范圍0～100℃，精度為±1℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦副表面宏觀形貌

將進(jìn)行200h臺(tái)架試驗(yàn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢，對(duì)部分零部件的表面宏觀形貌進(jìn)行分析，并與試驗(yàn)前進(jìn)行對(duì)比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸套臺(tái)架試驗(yàn)前后照片見(jiàn)圖1。缸套內(nèi)表面的交叉線紋是在加工過(guò)程中形成的晰磨紋理，細(xì)微的紋面對(duì)保持油膜分布及防止油耗過(guò)多是很有必要的，但當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞形成過(guò)量沉積物時(shí)，則可抹掉上述紋面，形成被磨光的表面，而將難以保持油膜，加之活塞頭部過(guò)量沉積物可起到類(lèi)似刮油環(huán)的作用，很容易將油向上推入燃燒室內(nèi)燒掉，這樣就會(huì)造成油耗增長(zhǎng)。從圖1可以看出，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后缸套的交叉紋線均較清晰，缸筒無(wú)明顯拉缸、劃痕現(xiàn)象。

圖1 缸套臺(tái)架試驗(yàn)前后照片

發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件拆檢情況見(jiàn)表3。從表3可以看出，臺(tái)架試驗(yàn)后，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、連桿軸瓦、凸輪軸、缸蓋、活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)等部件未出現(xiàn)明顯劃痕及裂紋，積炭生成量較少，部件的工作狀態(tài)良好。相比較而言，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴和活塞部位積炭生成量較0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大，且其噴油嘴的壓力變化也相對(duì)大一些，但噴油嘴和活塞部位的磨損不明顯。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件拆檢情況

2.2 摩擦副磨損量

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)磨損總量達(dá)到一定值時(shí)，零件就達(dá)到了磨損極限，此后，若發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，便進(jìn)入極限磨損階段，這時(shí)各部分配合間隙過(guò)大，沖擊負(fù)荷增大，使?jié)櫥涣迹慵p急劇增加，將會(huì)造成零部件嚴(yán)重?fù)p壞，甚至發(fā)生事故，因此對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)后各部件的磨損量進(jìn)行考察十分必要。表4為經(jīng)200h發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)后兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)主要摩擦副的磨損量。從表4可以看出，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套、活塞、曲軸、連桿軸、活塞環(huán)槽等主要摩擦副的磨損量均未超過(guò)磨損極限值，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損正常。其中，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的磨損量為0．016mm，小于0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套磨損量。生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)的開(kāi)口間隙增量 分 別 為 0．01，0．01，0．02mm 和 0．03，0．02，0．04mm。檢測(cè)結(jié)果表明，0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損量稍大于生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。從表4還可以看出，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)的失重分別為0．581 6，0．663 9，0．651 8g和0．655 2，0．670 1，0．710 2g，活塞環(huán)的質(zhì)量變化從另一個(gè)角度反映了試驗(yàn)過(guò)程活塞環(huán)的磨損情況，活塞環(huán)失重越大磨損越明顯。

2.3 活塞環(huán)－缸套SEM分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)和缸套的磨損情況，磨痕形貌照片見(jiàn)圖2～圖5。從圖2～圖4可以看出：活塞一環(huán)的鑄鐵表面鍍鉻，其抗磨性較好，試驗(yàn)后活塞環(huán)表面紋路清晰，凹坑小，無(wú)凸起，尤其是生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)，部分區(qū)域甚至看得出留有較明顯的加工痕跡；活塞二、三環(huán)的磨損較一環(huán)明顯，摩擦表面有凸起凹坑，能看出試件磨損的方向，0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞三環(huán)甚至有較明顯的犁溝狀磨痕。與0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞二、三環(huán)的磨損程度較小。

表4 生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副的磨損量

圖2 活塞一環(huán)的SEM照片

圖3 活塞二環(huán)的SEM照片

圖4 活塞三環(huán)的SEM照片

圖5 缸套的SEM照片

從圖5可以看出，生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面的加工網(wǎng)紋（縱向紋路）比0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)清晰，缸套表面的磨痕較淺，磨損狀況優(yōu)于0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。分析原因，主要是由燃料的差異造成的，生物柴油比0號(hào)柴油具有相對(duì)較高的運(yùn)動(dòng)黏度，這使得生物柴油在不影響燃油霧化的情況下，更容易在汽缸內(nèi)壁形成一層油膜。此外，由于生物柴油脂肪酸甲酯分子中含有極性基團(tuán)，極性脂肪酸甲酯分子在摩擦過(guò)程中以物理吸附和化學(xué)吸附的形式形成了邊界潤(rùn)滑膜，從而提高運(yùn)動(dòng)機(jī)件的潤(rùn)滑性，降低機(jī)件磨損，延長(zhǎng)使用壽命［13－14］。

3 結(jié) 論

（1）分別以生物柴油和0號(hào)柴油為燃料進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)后，兩者的缸套、活塞、活塞環(huán)、連桿、連桿軸瓦、凸輪軸、噴油泵等部件的磨損量均未超過(guò)極限值，但生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的磨損程度略小于0號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）通過(guò)對(duì)缸套、活塞環(huán)等部件的形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于生物柴油自身黏度高，且具有一定的潤(rùn)滑性能，使得其更容易在汽缸內(nèi)壁形成一層油膜，從而起到抗磨、減摩作用。

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