乙醇對柴油發(fā)動機燃油系統(tǒng)中T2的腐蝕性能研究

李立琳，陳丹，秦先鋒，孔垂展，張紅松

(河南工程學院機械工程學院，河南 鄭州 451191)

含氧燃料部分或者全部代替礦物燃油，可降低發(fā)動機燃燒污染物排放[1-2]。含氧燃料中的乙醇在汽油機上得到廣泛的應(yīng)用[3-5]，在柴油機上仍處于研究推廣階段。乙醇和礦物燃油混合，會使礦物燃油的成分發(fā)生變化[6-7]，從而對燃油系統(tǒng)中金屬部件耐腐蝕性能產(chǎn)生顯著影響[8]。

發(fā)動機燃油系統(tǒng)中金屬部件要具有耐高溫、耐腐蝕及良好的力學性能，其中以銅及其合金為材料的金屬部件在燃油系統(tǒng)中應(yīng)用較多，其在乙醇-礦物燃油作用下的抗腐蝕性能倍受關(guān)注。Baena[9]等考察了不同比例乙醇汽油對汽車金屬材料的腐蝕，評價了金屬的電化學腐蝕行為。Aperador[10]和Boniatti[11]等把鋁合金浸泡在不同比例的汽油和乙醇的混合物中，考察乙醇對鋁合金的腐蝕行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙醇比例增加，腐蝕加重。Fazal等[12]的研究結(jié)果表明，乙醇在金屬表面發(fā)生的腐蝕主要是電化學腐蝕。這說明乙醇和礦物燃油混合使礦物燃油的成分發(fā)生變化，有利于金屬氧化物的生成，增大了金屬腐蝕溶脹的速率。

由于乙醇和柴油的理化特性不同[13]，乙醇對柴油機燃油系統(tǒng)金屬部件的腐蝕可能存在差異。本研究選用乙醇和0號柴油(我國應(yīng)用最多)，以柴油機燃油系統(tǒng)中的T2銅金屬為對象，在常溫下采用浸泡的方法，考察單一燃料理化特性對T2的腐蝕情況。探究乙醇對柴油機燃油系統(tǒng)中銅金屬合金的腐蝕機理及規(guī)律，為改善柴油機燃油系統(tǒng)中銅金屬材料部件的抗腐蝕性能提供理論與數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料與方法

浸泡溶液選用乙醇(分析純)和0號柴油。金屬為T2純銅，規(guī)格為圓柱體(直徑D=10 mm，高度H=10 mm)，試樣表面磨平、拋光，腐蝕前后用去離子水沖洗。T2成分見表1。參照GB/T 5096《石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗法》和GB/T 10124—88《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》的試驗方法，常溫浸泡試樣，浸泡周期為1 440 h，密封保存。采用JA2003電子微量分析天平測量試樣質(zhì)量。利用FEI Quanta250FEG掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌，分析腐蝕產(chǎn)物成分。

表1 T2元素質(zhì)量分數(shù)

試樣的耐腐蝕性能通過動電位極化曲線分析得到。采用辰華CHI660A電化學工作站測試，測試時采用三電極體系，其中工作電極為腐蝕后T2試樣，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，鉑片為輔助電極。腐蝕性溶液為3.5%NaCl溶液，電位掃描范圍為-300～300 mV(相對EOCP)，掃描速率為1 mV/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕前后的T2宏觀形貌

圖1示出T2的宏觀形貌。從圖1可以看出，經(jīng)過1 440 h浸泡，柴油中T2顏色稍微變化；乙醇中T2顏色變黑，其表面已沒有金屬光澤，試樣表面析出一些腐蝕物，腐蝕較嚴重。

圖1 腐蝕前后T2宏觀形貌

2.2 腐蝕前后的T2微觀形貌

圖2示出T2腐蝕前后SEM圖片對照，圖2a為腐蝕前試樣，圖2b、圖2c分別為T2經(jīng)柴油和乙醇腐蝕后微觀形貌。從圖中可以看出，被柴油、乙醇浸泡1 440 h后，試樣的表面形貌發(fā)生了一定的變化。從圖2b可以看出，被柴油腐蝕后，試樣表面有少量的突起，進一步放大觀察(見圖2e)，可見表面出現(xiàn)了少量顆粒物。從圖2c可以看出，經(jīng)乙醇腐蝕后，試樣表面出現(xiàn)了少量索狀物，呈現(xiàn)出溝壑與突起，進一步放大觀察(見圖2f)，可以看到試樣表面出現(xiàn)了樹枝狀組織，呈層片狀疊加。這說明T2在乙醇中發(fā)生了化學反應(yīng)，腐蝕較為嚴重。

圖2 腐蝕前后T2的SEM圖片對比

2.3 金屬表面元素測定

選定試樣表面某一區(qū)域析出產(chǎn)物，與原樣對比，分析析出產(chǎn)物中Cu、C和O元素的質(zhì)量分數(shù)(見圖3)。從圖3可以看出，腐蝕前試樣含有少量C、O，這可能是T2與有機物接觸的原因。腐蝕前，T2中Cu、C、O質(zhì)量分數(shù)為97.8%，0.1%，2.1%，被柴油腐蝕后T2中Cu、C和O的質(zhì)量分數(shù)分別為91%，1.6%和7.4%，被乙醇腐蝕后T2中Cu、C和O的含量分別為78%，5.1%和16.9%。比較乙醇腐蝕后析出產(chǎn)物中C、O的質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)C、O質(zhì)量分數(shù)分別是柴油的3.2倍和2.3倍，乙醇中C、O質(zhì)量分數(shù)增加明顯。這表明在浸泡過程中，乙醇中更多的C、O元素與T2反應(yīng)，生成Cu的氧化物及C、O的化合物，Cu的化合物有可能進一步和溶液中的有機物發(fā)生反應(yīng)。

圖3 T2的Cu、C和O質(zhì)量分數(shù)

2.4 腐蝕機理分析

可根據(jù)下式計算浸泡1 440 h后乙醇和柴油對T2的腐蝕速率(見圖4)：

圖4 乙醇和柴油腐蝕速率對比

V=k(W1-W2)/(Ftγ)。

式中：V為紫銅的腐蝕速率；W1為紫銅腐蝕前的質(zhì)量；W2為腐蝕并經(jīng)除去腐蝕產(chǎn)物后紫銅的質(zhì)量；k為所采用單位的常數(shù)，取87.6；F為試片的表面積；t為受腐蝕的時間；γ為金屬的密度，為8.92 g/cm3。

圖5 腐蝕前后0號柴油溶液的變化

圖6 腐蝕前后乙醇溶液的變化

2.5 電化學分析

采用動電位極化曲線對浸泡之后的T2試樣進行評價，動電位極化曲線測試結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，乙醇浸泡后T2試樣的自腐蝕電位明顯負移，表明乙醇浸泡后的T2較易發(fā)生腐蝕。同時可觀察到陽極和陰極支的腐蝕電流均增加，由動電位極化得到相關(guān)電化學參數(shù)——自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Jcorr)，結(jié)果列于表2中。

圖7 腐蝕后T2動電位極化曲線

表2 極化曲線中參數(shù)的變化

由表2可知，乙醇浸泡后電極表面自腐蝕電位由-0.235 7 V正移至柴油浸泡的-0.215 5 V，表明經(jīng)乙醇浸泡后的T2抗腐蝕性能較差，并且自腐蝕電流密度減小了約2個數(shù)量級，由4.08×10-4A/cm2減小至6.61×10-6A/cm2。根據(jù)自腐蝕電流密度與腐蝕速率的正比關(guān)系[14]可知，經(jīng)乙醇浸泡后T2電極的腐蝕速率顯著升高。這與圖4、圖5和圖6的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

a)從腐蝕前后T2的宏觀和微觀形貌可以看出，被柴油腐蝕后，試樣表面有少量顆粒物析出，被乙醇腐蝕后，試樣表面顏色變黑，失去金屬光澤，出現(xiàn)了樹枝狀組織，呈層片狀疊加；

b)腐蝕前后金屬表面元素變化存在差異；腐蝕前，T2中Cu、C、O質(zhì)量分數(shù)為97.8%，0.1%，2.1%，柴油腐蝕后T2中Cu、C和O的質(zhì)量分數(shù)分別為91%，1.6%和7.4%，乙醇腐蝕后T2中Cu、C和O的含量分別為78%，5.1%和16.9%；乙醇腐蝕后T2中C、O質(zhì)量分數(shù)增加高于柴油，說明乙醇中T2腐蝕速率明顯大于柴油；

c)浸泡前后柴油溶液顏色變化不明顯，乙醇溶液由無色變成了淺綠色，說明乙醇對T2的腐蝕較嚴重，這與電化學測量結(jié)果一致；

d)與柴油相比，乙醇對燃油系統(tǒng)中T2金屬的腐蝕明顯，燃用添加乙醇的礦物燃油時必須考慮燃油系統(tǒng)中金屬的抗腐蝕性能。