生物質(zhì)燃油對柴油機(jī)潤滑油成膜性能的影響

李 豹， DEARN D Karl, 劉一鳴， 胡恩柱， 徐玉福， 胡獻(xiàn)國

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所， 安徽 合肥 230009； 2.英國伯明翰大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 英國 伯明翰 B15 2TT)

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生物質(zhì)燃油對柴油機(jī)潤滑油成膜性能的影響

李 豹1， DEARN D Karl2, 劉一鳴1， 胡恩柱1， 徐玉福1， 胡獻(xiàn)國1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所， 安徽 合肥 230009； 2.英國伯明翰大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 英國 伯明翰 B15 2TT)

生物質(zhì)燃油作為化石能源燃料的替代品之一，應(yīng)用過程中的燃油稀釋問題不可避免，研究生物質(zhì)燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油成膜性能的影響極為重要。利用活塞環(huán)-缸套摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)新型代用燃料——生物質(zhì)燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油(CH-4 20W-50)成膜性能的影響。采用掃描電子顯微鏡及附帶的能譜、X射線光電子能譜儀等分析手段對摩擦后的缸套表面形貌、摩擦反應(yīng)膜組分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，生物質(zhì)燃油(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)稀釋致使?jié)櫥宛ざ葟?4.55 mm2/s下降到14.55 mm2/s，進(jìn)而引起油膜厚度降低；此外，摩擦誘導(dǎo)缸套表面形成含有ZnO、Fe的氧化物、硫化物、磷酸鹽和含氮有機(jī)物類物質(zhì)的摩擦反應(yīng)膜，其中ZnO、FeS、含氮有機(jī)物和磷酸鹽起著主要的抗磨減摩功效。燃油的稀釋作用及引起摩擦反應(yīng)膜的組成的變化是生物質(zhì)燃油對潤滑油成膜性能影響的主要原因。

生物質(zhì)燃油； 潤滑油； 活塞環(huán)-缸套； 摩擦反應(yīng)膜

隨著化石能源的不斷開采和使用，能源儲量及化石燃料的價(jià)格不斷攀升，迫使人們研究可再生替代燃料，生物質(zhì)裂解燃料作為一種新型的可再生能源具有較大的優(yōu)勢。然而，裂解生物質(zhì)油的含氧量高、十六烷值低、酸值大、熱值低、腐蝕性強(qiáng)，不能直接作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，需經(jīng)精制改性后才有望作為替代燃料使用[1]。普遍認(rèn)為，當(dāng)生物柴油與礦物柴油相混合(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%)作為燃料時(shí)，能夠與現(xiàn)有車輛的燃油系統(tǒng)相適應(yīng)[2]。徐玉福等[3]采用微乳化法制備出理化性能和柴油相近的生物質(zhì)燃油(EBF)，并表明EBF的減摩性能優(yōu)于柴油。無論何種燃料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油稀釋潤滑油問題不可避免。燃油稀釋是指燃燒不完全的燃油穿過活塞環(huán)進(jìn)入曲軸箱而污染機(jī)油。這一現(xiàn)象會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油潤滑性能降低，進(jìn)而影響潤滑油的成膜性能。

目前，燃油稀釋的問題一直受到人們的廣泛關(guān)注。EBF因組分復(fù)雜和燃燒性能較差，燃油液滴易于附著在氣缸壁上，被活塞環(huán)刮入曲軸箱中而稀釋機(jī)油，影響柴油機(jī)油的成膜性能，增加發(fā)動(dòng)機(jī)磨損。鄧廣勇等[4]研究了柴油燃料對城市公交用潤滑油稀釋后的黏度變化以及對發(fā)動(dòng)機(jī)磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)稀釋會導(dǎo)致機(jī)油黏度下降，磨損增加。金理力等[5]分析了燃油稀釋對潤滑油性能的影響，結(jié)果表明，燃油稀釋會造成黏度和閉口閃點(diǎn)的下降，稀釋程度越大，潤滑油的高低溫黏度及低溫泵送黏度越小，堿值越低，抗磨性能呈現(xiàn)下降趨勢。Zdrodowski等[6]從以生物柴油為燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)換油時(shí)獲得已用過潤滑油，并對其進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，生物柴油會稀釋潤滑油，致使?jié)櫥宛ざ认陆?，產(chǎn)生腐蝕磨損，并且在摩擦過程中表面會產(chǎn)生摩擦反應(yīng)膜。M?der等[7]發(fā)現(xiàn)，與柴油相比，生物柴油引起的潤滑油的稀釋問題更為嚴(yán)重，主要由于生物柴油的揮發(fā)性較差；研究了14種共沸劑對潤滑油中生物柴油的攜出性能，發(fā)現(xiàn)甲酸對潤滑油中生物柴油的攜出性最好，在一定程度上可降低生物柴油對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的稀釋問題。Costa等[8]研究了含水和不含水乙醇對潤滑油的稀釋作用，發(fā)現(xiàn)乙醇的引入會降低機(jī)油的黏度，油膜厚度均會降低，引起潤滑狀態(tài)變化，含水乙醇稀釋潤滑油后，油膜厚度降低更為嚴(yán)重。Ajayi等[9]研究了船舶用發(fā)動(dòng)機(jī)以10%乙醇和16% 的異丁醇為添加劑的汽油為燃料時(shí)，燃料對機(jī)油的稀釋作用，發(fā)現(xiàn)稀釋降黏影響最大的是添加16%異丁醇的汽油，稀釋主要降低了潤滑油黏度，降低其承載能力。

關(guān)于裂解生物質(zhì)燃油的研究主要集中在EBF自身摩擦學(xué)特性，并未考慮到作為發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料后稀釋作用對潤滑油性能的影響，關(guān)于EBF對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油成膜特性的影響研究甚少。因此，筆者重點(diǎn)研究EBF對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油成膜性能的影響，為EBF在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安全使用提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

0#柴油，中國石化安徽石油分公司產(chǎn)品；快速熱解液化稻殼生物質(zhì)燃油(EBF)[10]，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物質(zhì)潔凈能源實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品；全配方柴油機(jī)潤滑油，CH-4 20W-50，中國石化潤滑油有限公司產(chǎn)品；表面活性劑Span-80、Tween-80，天津廣?；瘜W(xué)公司產(chǎn)品；丙酮，AR，上海振企化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

缸套(硼合金優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵)，浙江開山缸套有限公司產(chǎn)品；活塞環(huán)(雙鉻球墨鑄鐵)，南京飛燕活塞環(huán)有限公司產(chǎn)品；多功能活塞環(huán)-缸套摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所研制；上海尚貴流體設(shè)備有限公司SG 400型高剪切實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī)；淄博正工儀器廠YD-2010型石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度自動(dòng)測定儀；美國Thermo公司ESCALAB250型X射線光電子能譜儀(XPS)；日本電子公司JSM-6490 LV型掃描電子顯微鏡及附帶能譜儀(SEM/EDS)。

1.2 試驗(yàn)油品配制

由于燃油的吹入導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的比例占潤滑油總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7% 左右，且最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不會超過10%[7]。因此，本研究中燃油稀釋潤滑油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%、8%、10%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)步驟

采用自制的活塞環(huán)-缸套摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示于圖1。該試驗(yàn)機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、加載部分、摩擦力測量部分、實(shí)時(shí)溫度測量部分組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，活塞上固定一長桿及夾具帶動(dòng)上、下活塞環(huán)試件與上、下缸套試件作相對滑動(dòng)。摩擦副工作環(huán)境溫度90℃[11]，載荷210 N，往復(fù)頻率10 Hz，行程80 mm，供油方式為滴油潤滑(滴油速率25 mL/h)。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 h，重復(fù)3次，求平均值?；钊h(huán)試樣從實(shí)際活塞環(huán)上采用線切割方式截取，其直徑110 mm，周向?qū)挾?0 mm，活塞環(huán)高3 mm；缸套(122.0 mm×15.6 mm×6.3 mm)試樣采用線切割方式從實(shí)際缸套上截取。

圖1 活塞環(huán)-缸套摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦副示意圖

(2) 摩擦系數(shù)與磨損量的計(jì)算

由拉壓傳感器獲得壓力電信號，然后經(jīng)控制電路放大、濾波、整形后信息被數(shù)字示波器采集，記錄電壓信息值(U)，單位為V，并依據(jù)式(1)計(jì)算出摩擦力(F)，依據(jù)式(2)計(jì)算摩擦系數(shù)(μ)。

F=k×U

(1)

μ=F/N

(2)

式(1)、(2)中，k為傳感器固有系數(shù)，2 N/V；N為載荷，N。

采用失重法測量磨損量。實(shí)驗(yàn)前后用丙酮對下試件(即圖1中的“Cylinder line(2)”)(缸套和活塞環(huán))進(jìn)行超聲波清洗，烘干稱重，按式(3)計(jì)算試件磨損量m，取測量5次的平均值。

Δm=m0-m1

(3)

式(3)中，m0、m1分別為試驗(yàn)前、后試件質(zhì)量，mg。

1.3.2 摩擦反應(yīng)膜分析

采用掃描電子顯微鏡及附帶能譜(SEM/EDS)分析摩擦區(qū)域表面形貌及元素含量；采用X射線光電子能譜儀(XPS)分析摩擦表面的元素種類及其化合價(jià)態(tài)及元素含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同油品潤滑下的摩擦系數(shù)與缸套活塞環(huán)的磨損量

圖2為摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測得的不同稀釋程度潤滑油潤滑下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化以及缸套和活塞環(huán)的質(zhì)量損失。由圖2可知，各實(shí)驗(yàn)油品的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間增加而逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)。起始階段(50 min內(nèi))摩擦系數(shù)的降低歸于磨合期，之后摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定歸于摩擦副界面形成了穩(wěn)定的潤滑膜。隨著潤滑油中EBF含量的增加，摩擦系數(shù)逐漸增加，表明潤滑油中EBF含量增加會降低潤滑油的減摩性能，原因歸于稀釋導(dǎo)致潤滑油運(yùn)動(dòng)黏度降低，致使油膜厚度降低。該現(xiàn)象和Bunemann等[12]的研究結(jié)果一致。此外，Costa等[8]和Ajayi等[9]研究在汽油中添加生物燃料(乙醇或異丁醇)時(shí)，不僅降低潤滑油的黏度，而且會降低潤滑油的承載能力和潤滑油的油膜厚度。

由圖2還可知，當(dāng)w(EBF)≤8%時(shí)，缸套和活塞環(huán)的質(zhì)量損失隨潤滑油中EBF含量的增加而增加；當(dāng)潤滑油中w(EBF)達(dá)到10%時(shí)，活塞環(huán)和缸套質(zhì)量損失減小。原因可能歸于，盡管高含量的EBF降低油膜厚度，但摩擦誘導(dǎo)摩擦反應(yīng)膜形成，起到抗磨的功效。可見，潤滑油膜厚度和摩擦副表面的摩擦反應(yīng)膜共同決定了燃油稀釋對潤滑油成膜性能的影響。

圖3為90℃時(shí)潤滑油運(yùn)動(dòng)黏度隨EBF含量的變化。從圖3可見，隨著EBF含量的增加，潤滑油的黏度下降。黏度降低使油膜逐漸變薄，承載能力變?nèi)?，潤滑油的減摩抗磨性能降低；同時(shí)，EBF中的有機(jī)物以及其分解產(chǎn)物與潤滑油中的各種添加劑相互作用，也會降低潤滑油的減摩抗磨功效[13]。當(dāng)w(EBF)≤8%時(shí)，潤滑油膜占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)w(EBF)>8%時(shí)，摩擦副表面生成的摩擦反應(yīng)膜起主導(dǎo)作用。另外，由于生物質(zhì)燃油摻入，潤滑油中的有機(jī)官能團(tuán)數(shù)量增加，容易吸附在摩擦副界面，形成摩擦膜，增強(qiáng)材料的耐磨性能[2]。

圖2 含不同量EBF潤滑油潤滑下的摩擦系數(shù)(μ)和缸套活塞環(huán)的磨損量(Δm)

圖3 90℃時(shí)潤滑油運(yùn)動(dòng)黏度隨EBF含量的變化

2.2 摩擦反應(yīng)膜的分析結(jié)果

圖4為不同EBF稀釋程度潤滑油潤滑下的缸套表面摩擦區(qū)域的SEM照片。從圖4可見，未被EBF稀釋的潤滑油CH-4 20W/50對應(yīng)的缸套表面較為光滑，局部出現(xiàn)塑性變形，歸于往復(fù)運(yùn)動(dòng)中疲勞磨損所致；w(EBF)=2%油品對應(yīng)的缸套表面塑性變形進(jìn)一步加深，局部出現(xiàn)凹坑，歸因于EBF的腐蝕作用；隨潤滑油中EBF含量的增加，缸套表面均出現(xiàn)裂紋、凹坑和塑性變形，當(dāng)w(EBF)=10%時(shí)，缸套表面的凹坑減少，塑性變形破壞程度減弱，缸套表面的磨損情況有所好轉(zhuǎn)。EBF含量高時(shí)，摩擦誘導(dǎo)EBF中的有機(jī)成分或潤滑油中的添加劑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成一種摩擦反應(yīng)膜，使缸套表面的抗磨能力增強(qiáng)。為驗(yàn)證該結(jié)論，對缸套表面摩擦區(qū)域進(jìn)行了局部EDS分析，并對表面元素含量進(jìn)行定量分析，結(jié)果列于表1。可以看出，圖4(a)和圖4(f)中較暗區(qū)域(m和m’)的主要元素為 C、Fe、O、P、S、Zn，并且添加10% EBF油樣潤滑的P、Zn含量比未添加EBF的油品潤滑的該摩痕區(qū)域P、Zn的含量明顯降低，說明在一定程度上EBF稀釋降低了潤滑油添加劑ZDDP的功效。圖4(a)和圖4(f)中較亮區(qū)域(n和n’)主要含有C、Fe元素，添加10% EBF的磨痕區(qū)域Fe元素(85.82%)與未添加EBF的油樣Fe元素(88.11%)相比，含量明顯降低，在一定程度上可以說明EBF組分參與摩擦反應(yīng)膜形成而使鐵元素含量降低。C、Fe來源于缸套基體，O、P、S、Zn主要來源于潤滑油添加劑或EBF中的有機(jī)物在摩擦化學(xué)反應(yīng)中的分解產(chǎn)物，從缸套表面磨痕區(qū)域m、m’、n和n’四個(gè)區(qū)域的元素含量分析可知，缸套摩擦表面的摩擦反應(yīng)膜分布并不均勻連續(xù)。

圖4 含不同量EBF潤滑油潤滑下的缸套磨痕區(qū)域SEM照片

表1 圖4所示不同磨擦區(qū)域的元素組成

圖5 含不同量EBF潤滑油潤滑下的缸套磨痕區(qū)域的XPS譜

表2 含不同量EBF潤滑油潤滑下的磨痕區(qū)域元素組成

2.3 摩擦機(jī)理分析

低EBF含量(w(EBF)≤小于8 %)的潤滑油由于黏度降低，致使?jié)櫥湍ず穸冉档?，承載力下降，故摩擦系數(shù)增加，磨損量增加[9]；此外，EBF組分影響ZDDP成膜也是導(dǎo)致摩擦系數(shù)和磨損量增加的原因之一[8]。當(dāng)w(EBF)>8%時(shí)，潤滑油膜厚度進(jìn)一步變薄，此時(shí)，EBF的組分在摩擦誘導(dǎo)下，形成摩擦反應(yīng)膜，且由于稀釋作用導(dǎo)致油膜減薄，從而摩擦反應(yīng)膜起主要作用[6]。

3 結(jié) 論

(1)EBF進(jìn)入到潤滑油中會降低潤滑油的黏度，導(dǎo)致摩擦界面油膜厚度降低；同時(shí)潤滑油添加劑會參與摩擦化學(xué)反應(yīng)在摩擦界面形成摩擦反應(yīng)膜，其中摩擦反應(yīng)膜中ZnO、FeS、含碳有機(jī)物和磷酸鹽類物質(zhì)起到主要的減摩抗磨作用。

(2)油膜厚度和摩擦反應(yīng)膜共同作用決定了缸套膜表面的磨損情況。當(dāng)潤滑油中w(EBF)≤8%時(shí)，油膜厚度在抗磨減摩作用中占據(jù)主導(dǎo)；當(dāng)潤滑油中w(EBF)>8%，油膜較薄，摩擦反應(yīng)膜在抗磨減摩功效中占據(jù)主導(dǎo)地位。

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Effect of Emulsified Biomass-Fuel on the Film Formation Behavior ofDiesel Engine Lubricating Oil

LI Bao1, DEARN D Karl2, LIU Yiming1, HU Enzhu1, XU Yufu1, HU Xianguo1

(1.InstituteofTribology,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofBirmingham,BirminghamB15 2TT,UK)

As a kind of petroleum fuel alternatives, emulsified biomass fuel(EBF) can be used in a diesel engine. The problem of lubricating oil dilution by diesel engine fuel can’t be prevented. Research on the effect of EBF on the oil film formation behavior of diesel engine lubricating oil was very important. The friction and wear behaviors of engine lubricating oil (CH-4 20W-50) were investigated as diluted by different contents of EBF by using a cylinder-piston ring tribometer. The surface morphology and composition of oil film on the cylinder liners were analyzed by SEM with EDS and XPS. The results showed that the kinematic viscosity of lubricating oil decreased from 24.55mm2/s to 14.55mm2/s when diluted by 10% EBF, leading to the decrease of oil film thickness. Besides, the friction induced the formation of tribofilm containing ZnO, iron oxides, sulfides, phosphates, nitrogen-containing chemicals, which was benefit for the anti-friction and anti-wear properties of engine lubricating oil. The mechanism of EBF influence on the oil film formation of lubricating oil was ascribable to its dilution role and then the composition change of tribofilm.

biomass-fuel; lubricating oil; piston ring-cylinder liner;tribofilm

2016-01-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275143，51450110436,51405124)資助

李豹，男，碩士研究生，從事發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料方面的研究

胡獻(xiàn)國，男，教授，博士，從事潤滑和摩擦化學(xué)方面的研究，E-mail: xghu@hfut.edu.cn

1001-8719(2016)06-1142-08

TK6

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.009