（动力机械及工程专业论文）基于不同燃料的tdi轿车柴油机磨损影响研究.pdf

摘要 摘要 通过对燃烧及排气后处理技术的不断改进和发展，柴油轿车早已一改往日 的“冒黑烟，高污染”的形象，取而代之的是其低排放，同比汽油机节省3 0 - - - 4 0 的燃油消耗。大力发展柴油轿车既减轻了能源的消耗创造可观的经济 效益，同时对日益恶化的环境也有良好的改善。 本文选用了搭载1 9 lt d i 柴油发动机的帕萨特b 5 柴油轿车，并通过对比 各种方法的优缺点，选择了六种油液理化性能分析方法和磨粒的电感耦合等离 子体发射光谱分析方法，对使用国柴油、国柴油和g t l 柴油三种不同燃 料的车辆道路运行的发动机已用润滑油进行油液分析，来判断目前的工作环境 下在换油期末润滑油理化性能的衰变情况和发动机的磨损情况。通过对试验结 果进行分析，得到不同燃料对t d i 轿车柴油机磨损的影响，并针对具体磨损问 题进行分析，探讨一些可能的原因并给出相关建议。主要研究内容和研究结果 如下： ( 1 ) 柴油轿车发动机已用润滑油理化性能研究。除了在水含量方面车辆使用 g t l 柴油对润滑油的衰变影响较大外，在其余各项润滑油的理化性能方面，使 用g t l 柴油的车辆均优于使用国i 柴油的车辆，而使用国i i 柴油的车辆其润滑 油品质的衰变最为明显。在换油期末，使用三种不同燃料的测试跟踪车辆的已 用润滑油的理化性能指标均未超出其理化性能的衰变极限，仍可以继续使用， 但具体可用里程数尚需进一步的研究来确定。 ( 2 ) 柴油轿车发动机已用润滑油磨粒元素光谱分析研究。从发动机磨损的绝 对程度来看，在使用的润滑油相同、工作环境相似的情况下，使用国柴油的 测试跟踪车辆其发动机的磨损最大，第二位的是使用国i 柴油的车辆，而使用 g t l 柴油的车辆其发动机的磨损最小；但从发动机各零部件的宏观磨损比例来 看，在整个研究阶段使用不同油品的发动机各零部件磨损的比例差别不大。 关键词：轿车柴油机、磨损、油液分析、光谱 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to nb u r n i n ga n dt h ee x h a u s tg a sp o s t t r e a t m e n t t e c h n o l o g y , i t sl o we m i s s i o nh a sa l r e a d yt a k e nt h ep l a c eo fs m o k i n ga n dp o l l u t i o nf o r t h ed i e s e lp a s s e n g e re a r , w i t hs a v i n g3 0 。4 0 f u e lc o n s u m p t i o nc o m p a r e dt ot h e g a s o l i n ee n g i n e w i d e l yd e v e l o p i n gt h ed i e s e lp a s s e n g e rc a rc a l lb o t hr e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a k eu pf o rt h ea b o m i n a b l ee n v i r o n m e n t i ts e l e c t e dp a s s a tb 5d i e s e lp a s s e n g e rv e h i c l e sa s s e m b l e dw i t ht h e1 9 lt d i d i e s e le n g i n ea c c o r d i n gt o 也e i rd i f f e r e n tf u e l ，a n de s t i m a t e dt h ed e c a yo fl u b r i c a t i n g o i l sp h y s i c a lc h e m i s t r yp e r f o r m a n c ea n dt h ea t t r i t i o ns i t u a t i o no ft h ee n g i n eu n d e r e x i s t i n gw o r k i n gc o n d i t i o n sb yc a r r y i n go no i la n a l y s i st ot h eu s e dl u b r i c a t i n go i l w h e nt h e yb ec h a n g e d t h r o u g ht h ea n a l y s i st ot h et e s tr e s u l t ，i ts u m m a r i z e dt h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tf u e l so np a s s e n g e rc a rd i e s e le n g i n e sw e a r , a n dm a d eo u ts o m e p o s s i b l er e a s o n sa n ds o l u t i o n st oa t t r i t i o np r o b l e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d r e s e a r c hr e s u l t sa sf o l l o w ( 1 ) f u e l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r ya t t r i b u t e sa n a l y s i so fu s e dl u b r i c a t i n go i l e x c e p tt h ei n f l u e n c eo nt h ew a t e rc o n t e n t ，g t li st h eb e s to nt h ep h y s i c a lc h e m i s t r y p e r f o r m a n c eo fl u b r i c a t i n go i l ，a n dt h ec h i n ai id i e s e lf u e lp l a y e dm o s tb a d l y w h e n t h el u b r i c a t i n go i lb ec h a n g e d ，t h e i rp h y s i c a lc h e m i s t r yp e r f o r m a n c ea r e s ts u r p a s s t h ed e c a yl i m i t s ( 2 ) f u e l se l e m e n ta n a l y s i so fu s e dl u b r i c a t i n go i l a st oa b s o l u t ed e g r e eo f a t t r i t i o n , t h ew e a ro ne n g i n e su s i n gc h i n ai id i e s e lf u e li st h em o s t ，t h es e c o n di st h e e n g i n e su s i n gc h i n ai i id i e s e lf u e l ，a n dt h el e a s ti st h ee n g i n e su s i n gg t l b u tt h e d i f f e r e n c eo fw e a r sp r o p o r t i o nb e t w e e ns p a r e p a r t si sl i t t l e k e yw o r d s ：p a s s e n g e rc a rd i e s e le n g i n e ，w e a r , o i la n a l y s i s ，i c p n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：僻名 伊7 年弓月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 倍感 弓月fg 日 第l 章引言 1 1 前言 第1 章引言 以内燃机为主要动力的交通运输业的燃油消耗量，占我国燃油消耗总量的 7 0 左右( 其中主要是汽车工业) 至今还没有其他能源可完全取代，并将仍然 是今后较长时期的主要动力源。以柴油为燃料的发动机作为轿车的动力，具有 良好的经济性( 比汽油机低3 0 4 0 的燃油耗) ，而且有排放低，低速扭矩 大，可靠性好，寿命长等优点。尤其是在欧洲，以柴油为动力的汽车已成为主 要的动力平台之一，其直喷式柴油机市场占有率从原来的1 4 上升到了现在的 4 4 1 5 】。针对我国汽油机的单位能耗较高的问题，节能和排放将是我国长期实 施的一项国策。因此发展柴油轿车在我国是一个重要的方向，而且国家已把发 展柴油轿车列入清洁汽车行动计划。 发动机在使用过程中难免会遇到各种各样的故障，其中磨损是其主要故障 之一。磨损表现为产生松脱的细小颗粒( 磨粒) 和摩擦表面材料的变化。磨粒是 磨损的重要信息源，研究磨粒的形状、尺寸、成分、表面形貌、物理性能和力 学性能，就能建立关于磨粒形成的概念。根据磨粒的分析结果，可以判断磨损 表面的破坏机理。由于油液( 润滑油) 中包含的磨损微粒携带着发动机运转状态 的大量信息，因此，对油液中磨粒的分析是判定发动机运行状态、对其进行故 障诊断的重要而有效的方法。油液分析技术包括油液本身物理化学性能分析和 油液中不溶性物质的分析( 通过光谱分析等手段) 。 发动机的磨损和运行情况与润滑油的物理化学性能和燃料的硫含量密切相 关。 1 2 润滑油品质对发动机磨损的影响 为了保证发动机的正常运转，有良好的燃油经济性，较低的摩擦磨损以及 较长的使用寿命，除了发动机本身的设计结构、工艺材料等因素外，润滑油起 着十分重要的作用。特别是近年来发动机仍处在不断改进和发展阶段，强化指 第1 章引言 标有所提高，对各种级别的润滑油的要求和需求量也日益提高，仅2 0 0 5 年上半 年国内的润滑油产量就达到了2 7 1 0 3 万吨【引。因此对发动机润滑、摩擦、磨损 研究及合理选用润滑油已成为提高发动机可靠性的一个重要方面。 润滑油主要有以下功能：润滑( 减少摩擦、降低磨损) 、冷却运动部件、防 止锈蚀、密封减震缓冲、控制积炭、清净分散等。润滑油功能发挥好坏，直接 影响到发动机运动部件的寿命和效率。 日本振兴机械协会曾对故障产生的原因进行统计，通过对由1 4 种原因引起 的6 4 5 次故障的分析，发现因润滑不良而产生的故障高达1 6 6 例，占2 5 7 ， 因润滑方法不当产生的故障9 2 例，占1 4 3 ，共4 0 。国内某进口卡车专业 维修服务中心对卡车发动机、变速器、车桥由于润滑问题造成的故障进行了分 析，发现最严重的后果是磨损，即使进行了正常的维护保养，汽车运动部件的 磨损仍难以避免，而渐进的磨损最终造成轴承、齿轮失效，导致运营成本大幅 度增加。【1 1 】 可见，要减少汽车运动部件的磨损，保证车辆正常、高效运转，延长使用 寿命，降低停车损失，选择优质的润滑油是关键。品质优异的润滑油，不但能 有效减少摩擦、降低磨损、延长换油周期、在苛刻的工作环境下有效保护零部 件正常运行，而且能高效延长部件及整车的寿命，减少维修次数，降低维修成 本，降低总运营成本。图1 1 为润滑系统的示意图。 运雩鼍： 么溶五傲土 嚣 暖志件 图1 1 润滑系统示意图 2 第1 章引言 1 2 1 发动机润滑油的工作特点 发动机润滑油是在以下不利条件下工作的：由于内燃机摩擦副受到气体爆 发压力以及活塞连杆组惯性力的交变负荷作用，即负荷大小方向都是周期性变 化的；润滑油处于高温工作状态，当处于飞溅式润滑方式时，油雾易与空气接 触而氧化；有些部位润滑油常以薄膜状态分布故易被燃烧、热裂化或氧化；特 别是润滑油在循环中不断与金属及合金接触，在金属及和合金的不断催化下， 会加快润滑油的氧化。由于金属的催化作用和高温条件，润滑油中的烃类容易 发生变化、缩合和分解等反应，形成积炭、沥青质、胶质和有机酸等，同时燃 料燃烧时产生的烟、水分、硫及机件磨损产生的金属磨粒也会进入曲轴箱而形 成油泥使机油变质。因此要保证内燃机具有良好的性能，就要选用合适的发动 机润滑油。 1 2 2 发动机润滑油的作用 性能优良的发动机润滑油，无论是汽油机油还是柴油机油，都应有下列作 用： ( 1 ) 润滑作用发动机工作时，活塞、活塞环和气缸壁之间，连杆大头和曲 轴颈、连杆小头和活塞销之间，以及控制气阀的传动系统等运动部件都处于高 温、高速和高压下运转。金属之间的干摩擦不但会增加能量的消耗，而且摩擦 产生的大量热会在短期内使摩擦面的金属发生磨损、融化甚至烧结。发动机机 油进入摩擦部件后，在摩擦表面之间形成一层油膜，防止金属的磨损。油膜的 厚度与润滑油的粘度和它对金属表面的吸附力有关，粘度大比粘度小容易形成 油膜，加入极性添加剂可增加对金属表面的吸附力。 ( 2 ) 冷却作用燃料在发动机内燃烧所产生的热量只有3 0 4 0 转变为机 械能，其余的热量，除了消耗于摩擦外，还使发动机发热和通过排气而进入大 气。发动机的冷却系统只能带走6 0 的热量，气缸、活塞等部件摩擦所产生的 热量要靠流经其表面的润滑油带走，从而保护发动机不会因过热而烧毁。 ( 3 ) 密封作用发动机活塞与气缸、活塞环之间都有一定的间隙以保证活塞 的自由运动。发动机润滑油填充了这些间隙，形成油封，从而使其不漏气，保 证了发动机功率的发挥，也可阻止废气窜入曲轴箱，污染和稀释润滑油。 第1 章引言 ( 4 ) 清洗作用发动机在工作时，由于燃料燃烧形成的积炭，润滑油形成的 胶状物，各部件摩擦产生的金属屑，以及由空气带进的尘土，都会在发动机的 部件表面形成沉积物和漆膜，如不及时除去，会加剧部件磨损，损坏机件，严 重时会卡死活塞环，致使发动机停止运转。发动机润滑油通过循环，及时把油 泥和杂质带走，经过粗、细滤清器，除去有害杂质，从而保证发动机的正常运 转。 ( 5 ) 防锈和抗腐蚀作用发动机的腐蚀来源于水、酸、空气和润滑油的氧化 产物。虽然大多数燃烧形成的水以水蒸气形式排出，但仍有一些水凝结在气缸 壁或经过活塞环进入曲轴箱而使机件锈蚀。燃料中的硫、铅携出剂的燃烧产物 产生的酸性物质以及油品正常氧化产生的酸，会使发动机发生腐蚀。内燃机机 油由于加入了防锈和防腐添加剂，具有良好的防锈和防腐蚀作用。 1 2 3 发动机润滑油的评价指标 润滑油的基本理化性能指标有：粘度、粘度指数、闪点、凝点、倾点、酸 值、碱值、残碳、灰分、水含量、抗乳化性、氧化稳定性、泡沫特性、空气释 放值、腐蚀测试、蒸发损失、密封件相容性、润滑特性( 摩擦因数、抗磨损性、 抗极压性) 等。s a e ( 美国汽车工程师学会) 、a s t m ( 美国材料试验学会) 、d i n 、 i s o 都对以上理化性能指标的测试条件、内容等作了规范。 ( 1 ) 粘度( v i s c o s i t y ) 和粘度指数( v i s c o s i t yi n d e x ) 粘度是液体流动时内摩擦力的量度，是表示油料稀稠度的主要指标。润滑 油的牌号就是用粘度来表示的。机油粘度越大，摩擦表面间油膜越厚，虽有利 于防止机件表面的磨损，但会使摩擦阻力增大，动力损失增加，油耗增多。另 外粘度过大，机油流动性差而不易流到所需润滑的间隙部位，未能及时补充润 滑摩擦表面，机油清洁效果变差，不但起不到应有的润滑作用，反而加速机件 磨损。而粘度过低，会使机油泵内泄增加，导致机油压力降低，曲轴与轴瓦间 隙无法形成油楔，易引起烧瓦抱轴事故。润滑油粘度过低，还会使过多的润滑 油窜入燃烧室燃烧，造成气缸严重积炭。粘度增加可能是由于油品氧化加快、 不溶物增加、高粘度油泄露和水分侵入等因素引起的；粘度降低可能是由于低 粘度油品泄露、燃油侵入或过量水分等因素引起的。粘度分为动力粘度和运动 粘度。 4 第1 章引言 粘度指数是一个比较值，它分别把一种粘温性能很好和另一种粘温性能很 差的油分成很窄的馏分，作为比较的标准，列成表或做成曲线，只要测出一个 油的4 0 和1 0 0 的粘度，就可以由图或表来得出粘度指数。一般来说，粘度 指数大于1 0 0 ，其粘温性能已相当好，数值越小，粘温性能越差。 ( 2 ) 闪点( f l a s hp o i n t ) 把油样加热，使油气蒸发与空气混合，用点火器点火，当能把油气点着时 油的温度即为闪点。它表示可燃气闪火时油品的温度。油品的馏分越轻，闪点 就越低。在某种程度上，它表示油的安全程度( 易燃的可能性) 。 ( 3 ) 凝点( s o l i d i f y i n gp o i n t ) 和倾点( p o u rp o i n t ) 凝点是油在规定的条件下停止流动的最高温度。 由于我国润滑油的规格大多采用欧美标准，其低温性能用倾点表示，它与 凝点不同的是：凝点是油品从能流动到不能流动时的温度；而倾点是从不能流 动到刚能流动时的温度。同一油品，一般其倾点高于凝点2 3 。 ( 4 ) 酸值( a c i dn u m b e r ) 酸值是表示润滑油中含有酸性物质的指标、油品精制的程度或酸性添加剂 的加入量。机油酸性过大，易使油品氧化变质，易使机件受腐蚀生锈。另外， 油品氧化变质产生的胶质和沉淀物还会堵塞滤清器滤芯、机油管路、调压阀等 部位，造成机油压力不正常，供油不足而润滑不良。新油的酸值较低，但油品 在使用过程中，由于氧化而生成酸性物质，并且不断积累，从而酸值会逐渐增 加。 ( 5 ) 总碱值( t o t a lb a s en u m b e r ) 油品的总碱值是量度油品中碱性添加剂含量的指标。有些种类的油品，如 发动机机油或气缸油中含有一定量的碱性添加剂，以中和燃油燃烧过程中所产 生的酸性物质。总碱值降低到一定程度，油品就必须更换。水分和其他油的侵 入都可能导致总碱值的剧烈变化。 ( 6 ) 不溶物( i n s o l u b i l i t y ) 不溶物分为积炭、漆膜和油泥，它们分别在发动机的不同温度部位生成， 因而也称高温、中温和低温不溶物。不溶物的存在会极大地影响发动机工况。 第1 章引言 汽油机 燃料 j 燕+ l ：扩燕+ 舳+ 0 2 ， l j 柴油机 h 1 2 油，燃料，无机固体一油泥 图1 2 内燃机不溶物生成机理 ( 7 ) 沉积物( s e d i m e n t ) 和水分( w a t e rc o n t e n t ) 沉积物是指存在于润滑油中的沉淀物、胶质状浮物、砂土、铁屑、有机金 属盐等杂质。机油中的沉积物会严重影响机件润滑效果，加速磨损和油品老 化，并易堵塞油路。新油中的水分很少，在用油品中的水分主要来自于空气中 水分的凝结或冷却系统中水分的泄露。而机油中水分的存在会破坏润滑油膜， 易使机油产生泡沫或乳化变质，加剧有机酸对金属的腐蚀作用而锈蚀设备。另 外，水分还会使部分添加剂分解沉淀物而堵塞油路，影响润滑油的循环和供 应。 另外，还需要考察的指标有润滑油的添加剂成分。其中最主要的五大添加 剂有清净剂、分散剂、抗氧抗腐剂、粘度指数改进剂以及摩擦改进剂和抗压抗 磨剂。 1 3 柴油机燃料对润滑油的影响 1 3 1 柴油机燃料直喷对润滑油的性能要求 6 第1 章引言 ( 1 ) 燃烧室温度提高，活塞温度也升高，润滑油加速氧化，活塞环的积 炭、漆膜增多，柴油机润滑油需要提高抗氧化性能和清净性能； ( 2 ) 燃料喷射在高温下容易结焦，堵塞喷嘴，可以在柴油中使用清净剂解 决； ( 3 ) 柴油喷入量多了，将会发生燃烧不完全现象，产生烟灰。其原因或由 于喷雾质量不好，柴油喷到缸套表面使燃烧不完全，喷出颗粒不均 匀，大颗粒不易燃烧完全；或由于柴油和空气混合不均匀，产生过浓 或过稀现象，使燃烧不完全等。 1 3 2 燃料硫含量对发动机磨损的影响 柴油燃料中呈化合物状的硫含量，比汽油要高1 0 多倍。而这些含硫化合物 燃烧后转化成氧化硫混合物( s 0 2 + s 0 3 ) ，它们遇水则反应生成硫酸。硫酸在 柴油机中对金属尤其是轴瓦的金属易产生腐蚀。此外，燃料中的硫化物，在高 温下易形成树脂状沉积物。由燃料中硫形成的硫酸、硫酸腐蚀物、漆状物等都 会给润滑油带来极大的污染，加速油品的氧化老化。 以柴油为燃料的柴油轿车，其柴油的品质( 特别是硫含量) 同发动机的磨 损密切相关。硫含量主要是指残存在柴油中的硫及其衍生物( 如硫化氢、硫醇、 二硫化物) ，是引起缸套、活塞( 环) 等机件腐蚀的主要物质。柴油中的硫含量遇 水气( 或水) 会生成亚硫酸( h 2 s 0 3 ) 和硫酸( h 2 s o , ) ，特别是在燃烧的条件下，这种 化学反应更被强化。同时还会降低柴油的抗爆性，使爆燃的倾向增加。柴油机 工作时，硫及其硫化物还会对缸套壁上的润滑油及缸套内尚未燃烧的柴油起催 化作用，加速烃类的聚合反应，使燃烧室、活塞顶、活塞环、气门等部位的漆 状物与积炭增多( 有硫存在的条件下，积炭层会更加坚硬) 。导致缸套过度磨 损、机件擦伤、活塞环胶结烧毁等，负荷越大，硫含量的影响也越大，尤其是 对第一道气环影响最大。另外，硫化物窜入曲轴箱，会导致润滑油中的添加剂 被磺化和脂化，生成具有强烈腐蚀性的磺酸、酸性硫化脂以及胶状物等。造成 润滑油过早变质及零部件的腐蚀磨损等( 特别对铅合金及镍镉轴瓦等有强烈的腐 蚀性) 。胶状物还会堵塞机油滤清器，造成供油不足而影响机件正常润滑，加速 机件磨损。 第1 章引言 因此，本文基于三种硫含量不同的燃料来研究其对发动机磨损的影响。表 1 1 为本课题所用燃油与普通轻柴油硫含量的对比。 表1 1 本课题所用燃油与普通轻柴油硫含量对比 轻柴油 城市车用o # 柴油 高品质清洁柴油壳牌天然气制 柴油 ( 简称“国i 柴油燃料( 简称 ( g b 2 5 2 - 2 0 0 0 ) ( 简称“国i i 柴油”) 油”)“g t l 柴油”) 硫含量 2 0 0 05 0 03 5 01 0 p p m 1 3 3 柴油机中烟怠、漆状物和润滑油添加剂的关系 一般认为润滑油在活塞环区域，在高温情况下，进行氧化形成含氧树脂 ( 漆状物) ，除部分溶在油中外，另一部分沉积在活塞最热的表面，形成漆 膜。当漆膜同烟怠中少量炭粒相互作用时，就更容易被吸附和粘附在金属表 面。在润滑油中含有分散剂时，那些没有被漆膜所作用的炭粒或漆状物互相发 生作用，润滑油添加剂分子的自由能降低，趋于形成聚集状态胶束，把那 些炭粒、漆状物等装入胶束内，稳定分散在润滑油内。 。妒 、j 十+ 。一 烟炭 l 树脂( 鳞状物) i - - 添加剂 图1 3 烟怠一树脂一添加剂关系图 8 第1 章引言 1 4 柴油机润滑油的选用 柴油机润滑油的选择主要是根据柴油机的使用环境、结构强化方式、性 能、工作负荷等条件，合理正确地选择柴油润滑油的粘度、粘温特性和质量。 选择润滑油的方式如下。 ( 1 ) 根据柴油机的强化程度选择 柴油机的强化程度常用强度系数k 来表示。首先，根据柴油机强度系数k 来 确定润滑油的质量等级，然后根据汽车使用环境温度确定润滑油粘度等级。 k = p 。c m z 其中：p 。气缸内平均有效压力，m p a ； c m 活塞平均线速度，m s ； z 柴油机冲程系数( 四冲程柴油机z = 0 5 ，二冲程柴油机z = i o ) 。 柴油机强化系数k 越高，表示柴油机的热负荷、机械负荷越大，要求润滑 油的质量越高。根据k 值可将柴油机分为低强化、强化和高强化三类。k 值小 于3 0 的为普通柴油机，可用c a 油；k 值在3 0 - 5 0 之间的为强化柴油机，可按 k 值的高低选用c c 级、c b 级柴油机润滑油；k 值大于5 0 的高强化柴油机应选 用c d 级以上的柴油机润滑油。 选用柴油机油时还要根据车型、发动机工况、发动机机油容量以及柴油质 量来确定。此外，当柴油机燃用的柴油中含硫量增加l 时，应将柴油机油提 高一个质量档次。满载和超载、多工况、路面差及拖挂车等都应选用质量较好 的柴油机油。柴油机油的粘度级别要根据使用的环境温度来选择。一般在寒区 或严寒地区为保证动机能够顺利起动，应选用多级油。 ( 2 ) 清净分散性 内燃机机油具有清净分散性能，能抑制氧化胶状物和积炭的生成，并能将 其悬浮在油中，使其不易沉积在润滑机件上。而且将沉积在机件上的沉积物洗 涤下来，悬浮在油中，最后通过滤清器把它滤掉。这样就减少了活塞上漆膜和 积炭的产生倾向。基础油并不具有清净分散性，内燃机机油的清净分散性能主 要是靠在油中加入金属清净剂和无灰分散剂而获得的。 ( 3 ) 抗氧化性能 9 第1 章引言 内燃机机油在使用条件下，由于温度、空气以及金属的催化作用，油品往 往容易氧化变质。发动机机油的氧化包括基础油的氧化，燃料泄漏氧化以及金 属的催化作用。油品氧化后生成酸性化合物，易腐蚀发动机部件。氧化产物又 将进一步氧化缩合生成大分子胶质和沥青质，使油品粘度增加，影响正常使 用。 发动机机油的氧化性能与基础油的组成关系极为密切。若基础油的抗氧化 性能较差，则必须加入抗氧剂以弥补其抗氧化性能的不足。 ( 4 ) 减摩性能 为改善发动机机油的摩擦性能而使用摩擦改进剂( 减摩剂) ，以降低机件 的摩擦阻力，减少机械功率的损失，达到节省燃料的目的。 ( 5 ) 抗磨损性能 1 5 本课题研究方法和研究目的 1 研究方法 综合以上所描述的润滑油的特性和评价指标以及柴油发动机的特点，本文 拟采用六种油液理化性能分析方法和磨粒的电感耦合等离子体发射光谱分析方 法来进行试验部分的研究工作。并通过对机械设备磨损的一般规律的阐述，结 合发动机中的摩擦学问题( 这些内容将在下文一一展开) ，来对测试结果进行 分析研究，以找出不同燃料对t d i 轿车柴油机运动件磨损的影响。 2 研究目的 ( 1 ) 对比不同柴油燃料( 国i i 、国、g t l ) 对润滑油理化性能的影响： ( 2 ) 对比不同柴油燃料( 国i i 、国、g t l ) 对t d i 轿车柴油机磨损的影 响： ( 3 ) 判断所用润滑油是否满足发动机的润滑要求( 选用更适合的润滑油) 及其衰变情况； ( 4 ) 通过对比找到含量异常的元素，并分析其来源和潜在的成因。 1 0 第2 章油液分析技术 第2 章油液分析技术 2 1 油液分析技术的发展 针对不同的诊断领域、诊断对象和诊断问题，产生了众多的诊断与监控方 法，按照测取信号的不同可分为：振动监控、声监控、力监控、温度监控、超 声监控、油污染监控、锈蚀监控、磨粒监控等。从摩擦学观点看，在引言中提 到的油液分析技术是一项对机械设备使用的油液的物理化学性能及油液中所含 磨屑杂物等进行分析，从而对设备实施状态监测的技术，这种基于磨粒的设备 状态检测是状态检测技术的主要组成部分。 机械设备零部件失效是影响机器正常运行的主要障碍之一，而零部件的磨 损失效又是其中最常见、最主要的失效形式。已有统计表明，机械设备的故障 约8 0 是由于摩擦磨损和润滑造成的。据资料统计，现代工业中因机械设备的 摩擦所消耗的能源占总能源的1 3 一 1 2 1 2 0 l 。由于设备摩擦副内部相互接触的运 动件之间的摩擦磨损，在机器运行过程中会产生大量的磨屑微粒( 磨粒) 进入油 液系统中，这些磨粒在油液中大多呈悬浮状态。此外，油液中还有空气及其他 工作状态和环境的不同，其大小范围从几百微米到几十纳米不等。正是这种微 小的磨粒本身携带了有关设备内部摩擦磨损状态的大量丰富且重要的信息。 试验证明，不同摩擦作用过程( 磨合期、正常磨损期、严重磨损期) 产生的 磨粒有不同的特征( 形态、尺寸、数量和粒子的分布) ，它们反映和代表了不同 的磨损失效类型( 粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等) 。根据颗 粒的材料和成分不同便可分辨磨粒的来源。因此，油液分析技术对研究机械磨 损的部位和过程、磨损失效的类型、磨损的机理、油品评价有着重要作用，而 且是在不停机、不解体的情况下对机械设备进行状态监测和故障诊断的重要手 段。 原则上讲，油液分析技术可用于任何具有封闭或半封闭式润滑系统的设 备。特别是对于低速回转机械及往复机械，利用振动和噪声监测技术判断故障 往往较为困难。有时由于工作环境的限制，不便于使用测振仪器，或者背景噪 第2 章油液分析技术 声较大，不便采用音响法。而此时如对设备定期采集油样比较方便，油液分析 便成为一种必不可少和行之有效的方法。 2 0 世纪4 0 年代，美西部铁路部门率先开始对铁路机车进行油液分析，取 得了巨大效益；5 0 年代，美海军开始对其喷气发动机实施油液光谱分析；5 0 年 代至6 0 年代早期，美陆军和空军普遍开展装备油液监控工作；7 0 年代，美海 军开始对舰船设备进行油液监控；至9 0 年代，仅美海军就有1 2 0 0 0 种航空部 件、2 0 0 0 0 种船用部件采用油液监控m 。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始进行油液分析工作，已对飞机、舰船、大型工 程车辆等实施油液分析，并已成立了大批油液分析试验室，有些部门和行业还 建成了专业的油液监测技术中心，颁布了一系列油液分析行业标准，取得了一 大批高水平的研究成果。如1 9 9 8 年上海铁路局科学技术研究所和上海机务段共 同合作的“d f ll 机车柴油机状态监控油液分析监测技术的研究”项目，对戚厂生 产的干线准高速内燃机车进行了油液分析，很好地检测了故障，有效地防止了 机破、临修的发生，保证了机车的正常运转。 油液分析技术有如下功能： 监测设备、诊断故障、失效分析、预测预防。提高设备使用可靠性、 安全性； 设备现代管理。推行状态视情维修，降低维修费用，最能合理地利用 设备的效益； 提高设备的随时可用性； 延长润滑油的使用期限； 保证油品的质量，判断油品的污染变质程度； 制定合理的设备磨合规范。 2 2 油液分析技术的主要内容 油液分析技术在发动机、齿轮传动、轴承系统、液压系统等诸方面取得了 显著的效益，获得了广泛的应用。油液分析技术包括油液本身物理化学性能分 析和油液中不溶性物质的分析。通常，油液分析主要是进行金属颗粒分析、污 染度的测定和部分理化性能的分析。其中，由于金属颗粒分析可以检测、定位 和预测机器浸油部件故障，因此是油液分析中最为重要的内容。目前，油液中 1 2 第2 章油液分析技术 金属屑分析主要由各种光谱仪和铁谱仪完成，污染度分析主要借助于各种颗粒 计数器，理化性能测定仪器有粘度计、 仪等。油液分析构成见图2 1 。 目前，应用油液分析技术来分 析油液中的不溶性物质，主要从以 下四个方面来进行： ( 1 ) 主要磨粒的类型、形态、颜 色和尺寸等特征，根据它们来判定 发动机( 及相关零部件) 所处的磨 损阶段以及相应阶段发生的磨损类 别及其磨损的程度。 ( 2 ) 磨粒的材质成分，即通过它 们来确定磨粒的来源，进而判断发 动机磨损的具体部位即磨损零部 件。 ( 3 ) 磨损量( 即磨损曲线) ，即 根据对磨粒数量的检测和分析，对 发动机的磨损进度进行判断。 水分测定仪、酸碱度测定仪、闪点测定 漉 t 分 斩 ，怙度 钫蔓l 闪点 特性弋舞疰 l 夯电常数辱 污聚 扬 ，金曩f 钦慧性曩柱 雕甓黜等 藏体 霪浩 气体 妻；气体 图2 1 油液分析构成 ( 4 ) 磨损的严重性，即根据对磨粒尺寸的相对关系的检测结果，确定发动机 磨损发生的剧烈程度。 油液本身物理化学性能分析包含有： ( 1 ) 油品的衰化：由于温度作用及滤清效应，使其粘度、密度、酸值等发生 改变，造成油品的衰化； ( 2 ) 油液中添加剂的损耗：润滑油中常加有各种用途的添加剂，用于抗磨、 抗氧化、防锈等，这些添加剂中常含有b a 、c a 、p 、z n 等元素； ( 3 ) 油液的污染：润滑油在使用过程中，不可避免地会出现一些非其本身所 有的或本身含量很少的元素，这些物质可能会影响油液自身的性能。如果油品 中发现某些元素含量突然增加，则标志着油品可能被污染。 磨损表现为产生松脱的细小颗粒( 磨粒) 和摩擦表面材料的变化。磨粒是磨 损的重要信息源，研究磨粒的形状、尺寸、成分、表面形貌、物理性能和力学 性能，就能建立关于磨粒形成的概念。根据磨粒的分析结果，可以判断磨损表 辱鏖力遗化簟t化撮压漉 氧总总碡，00a博他滞“1 学性 器欹 化特 机作 第2 章油液分析技术 面的破坏机理。在发动机等机械设备中存在着大量的摩擦副，由于这些摩擦副 的相互作用，产生了许多磨损颗粒，它们以不溶解颗粒的形式均匀的悬浮在润 滑油中。这些悬浮的颗粒蕴含着这些机械设备摩擦副的磨损特征信息，因此， 只要分析出磨损颗粒所含金属元素的种类和其浓度的变化趋势，就可判断设备 的磨损故障部位和磨损状态。鉴于实际运转中的柴油机磨损形式的多样性，磨 损型式的识别过程虽然较为复杂，但并不是不可实现的，油液分析技术可以很 好的解决这个问题。 油液分析技术包括：油液本身物理化学性能分析技术和油液所含磨粒的光 谱分析技术。油品理化性能分析、油液光谱分析可以是独立的油品质量分析方 法以及磨损趋势分析方法，各有其独特的作用同时它们又是相辅相成，互相 补充的综台分析方法。这些方法均以摩擦学理论及设各故障诊断学为基础，这 部分内容将会在第3 章中加以介绍。图22 为油液分析技术的仪器配置示意图， 图23 为油液分析诊断技术的工作流程示意图表21 为几种常见磨粒分析技术 的特点比较。 图2 2 油液分析技术的仪器配置示意蚓 第2 章油液分析技术 图2 3 油液分析诊断技术的工作流程示意图 表2 1 常见磨粒分析技术的比较 淤 铁谱技术光谱技术颗粒计数器过滤器检测磁塞 磨粒浓度好( 铁磁性)很好好好好( 铁磁性) 磨粒形貌很好 好 好 尺寸分步好很好 元素成分好很好一般好 磨粒尺寸 1 岬 2 p m2 5 , - - - , 4 0 0 0 m 早期失效的正常磨损检检测非正常 应用评价 辅助分析辅助分析 预报效果好 测效果好磨损 仅适用于铁无法识别磨无法识别磨无法识别磨仅适用于铁 局限性 磁性磨粒粒形貌尺寸粒成分形貌粒尺寸分布磁性磨粒 1 5 第2 章油液分析技术 2 2 1 光谱分析 光谱分析是通过测量油液中各种元素的原子在跃迁过程中吸收、发射或散 射的电子辐射的波长及强度来了解油样中含有的金属元素的种类及含量。机器 在正常的运行状态下，磨屑的生成速度是非常缓慢而且平稳的。光谱分析技术 就是把含有该元素的油液用电火花激发，这时金属元素会发出特征光，通过测 定该光波长的光强，就可以测出该元素在油液中的含量。目前所用的m o a 型分 析仪可以同时测定2 0 种元素，它们是f e 、c u 、p b 、c r 、s n 、s i 、m o 、a 1 、 m g 、l i 、n a 、m n 、a g 、s b 、v 、t i 、b 、c a 、z n 、p 。元素的测量精度是亿分 之一，分析时间为3 0 秒。根据油样中元素含量的变化就可以评价设备的磨损状 况和工作状况。 其优点是能定量分析多种元素的含量，再配合发动机零部件的材料信息可 判断某一种元素可能来源于哪一个或哪几个零部件，精确度高，但它对较大尺 寸( 大于1 0 9 i n ) 的磨粒灵敏度不高。 1 光谱分析技术的发展 油液分析的光谱技术是机械设备故障诊断、状态监测中应用最早最成功的 现代技术之一。光谱分析技术可以有效地监测机械设备润滑系统中润滑油所含 磨损颗粒的成分以及含量的变化。同时也可以准确地检测润滑油中添加剂的状 况，以及润滑油污染变质的程度。因此，油液分析的光谱技术已成为机械设备 状态监测最重要的方法之一。 早在1 9 4 1 年美国铁路系统首先采用油液光谱技术监测机车柴油机的运转工 况，改善了设备维修的方式，取得了可观的经济效益。5 0 年代美国海军航空站 在对飞机发动机的监测中也采用了光谱技术，而且取得了显著的效果。随后美 国三军对飞机、车辆等设备都采用了光谱技术进行监测。1 9 6 9 年美国国防部支 持研制新型的油液分析光谱仪，7 0 年代又提出研制小型的可用于现场的操作方 便的轻便型光谱仪，1 9 7 5 年美国三军联合油料分析计划( j o a p ) 对用于状态 监测的光谱仪定制了专门的检验标准并提出专门的要求。美国三军应用油料光 谱分析技术取得了巨大的经济效益，据有关资料统计，到1 9 8 2 年，美国空军应 用油料光谱分析的全部费用为9 4 5 1 万美元，而由于通过油料分析事先预报故 障节省的维修费用高达3 3 3 0 7 4 万美元。 1 6 第2 章油液分析技术 此外，加拿大和英国等发达国家，也从六十年代开始采用润滑油光谱分析 技术监测和诊断柴油发动机的运行状态。1 9 5 9 年英国也首先在铁路上采用了润 滑油光谱分析技术，6 0 年代大多数欧洲国家也开始广泛应用这一技术。英国的 r e a d i n g 公司通过采用光谱分析技术，将柴油机的换油期由6 个月延长到1 2 个 月，并通过实践表明，光谱分析是极具价值的预防性维修的监测手段。仅高速 机车应用光谱分析，防止发生事故每年节约的维修费用就达1 5 0 万英镑以上， 延长部分机车的检修期每年节约的费用约为2 0 0 万英镑，而每年全部的光谱分 析费用不过1 6 万英镑。加拿大的太平洋铁路公司是一家私营企业，由于广泛开 展了光谱监测分析，据公司维修部估计，每年可节省润滑油费用1 5 0 0 万美元， 节省发动机零配件费用1 2 5 万美元。太平洋铁路公司还利用多年来积累的数据 和经验，于1 9 8 3 年开发出了应用于诊断内燃机故障的发动机故障诊断专家系统 e d m s ( e n g i n ed i a g n o s i sm a i n t e n a n c es y s t e m ) 。1 9 8 7 年又推出了商品化软 件，在改进铁路机车的维修管理，减少零件更换，延长润滑油换油周期，预防 发动机故障以及帮助培训维修人员等方面取得了重大经济效益和社会效益m 。 我国自1 9 7 9 年以来铁路系统首先引进油液分析光谱仪，用于机车柴油机润 滑油的监测，取得了很好的效果，推广应用发展很快。铁路、飞机、船舶、电 力、采矿、化工、冶金等许多部门，在机械设备状态监测中已广泛采用油液分 析的光谱技术。 2 光谱分析技术的基本原理 任何物质都有特定的发射光谱和特定的吸收光谱。所以，通过测定物质的 发射或吸收光谱就可以测出相应物质的成分和含量。 物质由分子组成，而分子又由原子构成，原子的中心为带正电的原子核， 带负电的电子沿一定的轨道绕原子核转动。正常状态下，电子的负电荷与原子 核的正电荷是相等的，即电子沿固定轨道绕原子核旋转产生的离心力与原子核 对其的吸引力相等，原子处于稳定状态，原子具有的能量也一定。由于电子绕 原子核旋转的轨道是多层的，距离原子核较远的轨道上的电子具有的能量较 高，为高能级；距离原子核较近的轨道上的电子具有的能量较低，为低能级。 当有外来能量加到原子上时，能量被电子吸收，则电子从较低能级的轨道跃迁 到较高能级的轨道上去。此时，原子的能量状态是极不稳定的。因此，电子会 自动地从较高能级的轨道跃回到较低能级的轨道，同时以发射光子的形式把它 第2 章油液分析技术 吸收的能量再辐射出来，即发出光，见图2 4 。各种不同的元素的原子辐射的 光都有特定的互不相同的波长，各种波长的光就组成了光谱。 火龙绘予 图2 4 一个原子的吸收和激发过程 人们通过利用棱镜或光栅的色散作用，将某一光源辐射的光束中代表不同 元素的不同波长的光分解开来，并通过感光板记录下来，再利用测光器测出谱 线的强度，根据光谱线的强度和元素浓度的特定比例关系，就可求得元素的浓 度。元素的浓度越高，则受激发后产生的辐射线的强度也越高。从而得到元素 光谱的定量分析值，即元素的浓度，用p p m ( 百万分之一) 或g m o l l 表示。 因为光谱线的强度与光谱的激发条件、激发光源的强度、曝光的时间、感 光板的性能等诸多因素有关。因此，一般是测量被分析元素的谱线与一个内标 元素的对照谱线的相对强度。内标元素一般是人为外加的，即在分析的油样中 和标准油样中，同时加入一定的某一元素为内标。 发射光谱：利用气体火焰、交流电弧或直流电弧等离子体，以及电火花等 方法激发油样，以获得发射光谱，从而测得谱线的相对强度，进而求得分析元 素的含量。这种方法称为发射光谱分析法。每一种元素的原子在火焰、电弧放 电等激发光源受激发时，便发射出特有的原子光谱，检查试样中是否出现该元 素的特征谱线，便可以确定该元素的存在。发射光谱仪主要由激发光源、分光 系统、检测系统三部分构成。如图2 5 所示，由激发光源发出的光经过分光系 统色散为单色光，再由测光系统测量各波长的强度，完成试样成分的定性、定 量分析。 第2 章油液分析技术 图2 5 发射光谱仪原理图 1 一光源2 一分光系统3 一检测器 直读发射光谱：将发射光谱通过光电转换仪( 盖洛计数管或光电倍增管) 直接转化为电流，通过测量仪器再转换为元素的浓度，这种方法称为直读发射 光谱。一次油样可分析全部所含元素，分析速度快、操作简便。 原子吸收光谱：在光源和分光镜中间加入透明的物质，把某种单色光的成 分吸收掉，产生原子吸收光谱。被分析的元素都有特定的波长，通过测量原子 蒸气对辐射光的吸收，从而测