生物柴油發(fā)動機磨損特性實驗研究

吳 江，陳波水，方建華，王 九

（后勤工程學院油料應用與管理工程系，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高、運輸儲存使用安全性好、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?、發(fā)動機廢氣排放少等特點而備受關注［1－5］。目前國內(nèi)外對于生物柴油的應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］，而對生物柴油發(fā)動機在使用過程中的磨損特性研究甚少。實際上，發(fā)動機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，燃料在燃燒過程中容易竄到曲軸箱中，導致內(nèi)燃機油質(zhì)量惡化，加劇發(fā)動機的磨損，縮短發(fā)動機的使用壽命［11－12］。因此，研究生物柴油發(fā)動機的磨損特性對于降低發(fā)動機磨損、延長發(fā)動機使用壽命具有重要作用。本研究在發(fā)動機臺架試驗的基礎上，對發(fā)動機燃用生物柴油時的磨損特性進行研究。

1 實 驗

1.1 原 料

內(nèi)燃機油，長城牌CD15W-40柴油發(fā)動機油；0號柴油，中國石油蘭州石油化工公司生產(chǎn)，主要理化指標見表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發(fā)有限公司提供，其性能指標達到GB/T 20828—2007的要求，主要理化指標見表2。

1.2 試驗方法

1．2．1 發(fā)動機臺架試驗 將磨合后的兩臺發(fā)動機分別安裝在兩個試驗臺架上，分別以大豆油生物柴油（SME）和0號柴油為燃料進行平行臺架試驗。發(fā)動機上裝有專用儀表測量發(fā)動機的油耗、轉(zhuǎn)速、油溫、功率、進氣溫度等。實驗過程中，記錄大氣壓、相對濕度和室溫。每隔2h記錄1次轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗，臺架試驗時間共計200h。

表1 0號柴油的主要理化指標

表2 大豆油生物柴油的主要理化指標

1．2．2 儀器及設備 發(fā)動機，R165型柴油機，重慶拓普柴油機廠生產(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型水力測功機，江蘇啟東測功器有限公司生產(chǎn)，最大吸收功率12kW，主軸最高轉(zhuǎn)速6 000r/min，發(fā)動機輸出扭矩的測量范圍0～45N·m，測量精度±0．01N·m；ZSB型電子轉(zhuǎn)速表，江蘇南通啟測機電有限公司生產(chǎn)，測量范圍300～9 999r/min，測量精度 ±0．05%；流量計，DF-313型數(shù)字流量計，日本小野公司產(chǎn)品，累計流量0．1～99 999．9 mL，瞬時流量測量指示范圍0～999．9L/h，測量精度±1．0%；氣壓計，測量范圍300～1 000kPa，測量精度±0．1kPa；濕度計，測量范圍0～100%，測量精度±1%；溫度計，測量范圍0～100℃，精度為±1℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦副表面宏觀形貌

將進行200h臺架試驗的柴油發(fā)動機進行拆檢，對部分零部件的表面宏觀形貌進行分析，并與試驗前進行對比，柴油發(fā)動機缸套臺架試驗前后照片見圖1。缸套內(nèi)表面的交叉線紋是在加工過程中形成的晰磨紋理，細微的紋面對保持油膜分布及防止油耗過多是很有必要的，但當柴油發(fā)動機活塞形成過量沉積物時，則可抹掉上述紋面，形成被磨光的表面，而將難以保持油膜，加之活塞頭部過量沉積物可起到類似刮油環(huán)的作用，很容易將油向上推入燃燒室內(nèi)燒掉，這樣就會造成油耗增長。從圖1可以看出，生物柴油發(fā)動機和0號柴油發(fā)動機試驗后缸套的交叉紋線均較清晰，缸筒無明顯拉缸、劃痕現(xiàn)象。

圖1 缸套臺架試驗前后照片

發(fā)動機主要部件拆檢情況見表3。從表3可以看出，臺架試驗后，生物柴油發(fā)動機和0號柴油發(fā)動機的連桿、連桿軸瓦、凸輪軸、缸蓋、活塞銷、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)動機的噴油嘴和活塞部位積炭生成量較0號柴油發(fā)動機大，且其噴油嘴的壓力變化也相對大一些，但噴油嘴和活塞部位的磨損不明顯。

表3 發(fā)動機主要部件拆檢情況

2.2 摩擦副磨損量

發(fā)動機經(jīng)過長期運行，當磨損總量達到一定值時，零件就達到了磨損極限，此后，若發(fā)動機繼續(xù)運行，便進入極限磨損階段，這時各部分配合間隙過大，沖擊負荷增大，使?jié)櫥涣迹慵p急劇增加，將會造成零部件嚴重損壞，甚至發(fā)生事故，因此對臺架試驗后各部件的磨損量進行考察十分必要。表4為經(jīng)200h發(fā)動機臺架試驗后兩臺發(fā)動機主要摩擦副的磨損量。從表4可以看出，生物柴油發(fā)動機及0號柴油發(fā)動機的缸套、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磨損極限值，發(fā)動機磨損正常。其中，生物柴油發(fā)動機缸套的磨損量為0．016mm，小于0號柴油發(fā)動機的缸套磨損量。生物柴油發(fā)動機和0號柴油發(fā)動機活塞一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)的開口間隙增量 分 別 為 0．01，0．01，0．02mm 和 0．03，0．02，0．04mm。檢測結(jié)果表明，0號柴油發(fā)動機的磨損量稍大于生物柴油發(fā)動機。從表4還可以看出，生物柴油發(fā)動機和0號柴油發(fā)動機活塞一環(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)量變化從另一個角度反映了試驗過程活塞環(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)動機和0號柴油發(fā)動機活塞環(huán)和缸套的磨損情況，磨痕形貌照片見圖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，試驗后活塞環(huán)表面紋路清晰，凹坑小，無凸起，尤其是生物柴油發(fā)動機活塞環(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號柴油發(fā)動機的活塞三環(huán)甚至有較明顯的犁溝狀磨痕。與0號柴油發(fā)動機相比，生物柴油發(fā)動機活塞二、三環(huán)的磨損程度較小。

表4 生物柴油發(fā)動機各摩擦副的磨損量

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)動機缸套表面的加工網(wǎng)紋（縱向紋路）比0號柴油發(fā)動機清晰，缸套表面的磨痕較淺，磨損狀況優(yōu)于0號柴油發(fā)動機。分析原因，主要是由燃料的差異造成的，生物柴油比0號柴油具有相對較高的運動黏度，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，極性脂肪酸甲酯分子在摩擦過程中以物理吸附和化學吸附的形式形成了邊界潤滑膜，從而提高運動機件的潤滑性，降低機件磨損，延長使用壽命［13－14］。

3 結(jié) 論

（1）分別以生物柴油和0號柴油為燃料進行臺架試驗后，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極限值，但生物柴油發(fā)動機主要部件的磨損程度略小于0號柴油發(fā)動機。

（2）通過對缸套、活塞環(huán)等部件的形貌進行分析，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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