内燃机油液状态监测的特点

1、内燃机的润滑机理失效模式和油液状内燃机的润滑机理失效模式和油液状态监测态监测 北京理工大学北京理工大学 陆思聪陆思聪内燃机油液状态监测的特点内燃机油液状态监测的特点历史最悠久:美国早在1940年就在铁路系统使用元素光谱仪分析柴油机油液;应用最广泛:遍及运输、工程领域、发电等众多行业,仅卡特匹勒公司每年就为用户分析700万个油样(1989);经验最丰富:开发的软件,总结的标准、界限值数量最多;技术最复杂:除机械运动形式(旋转、往复、摆动)多样外还有燃烧过程,使物理化学反应十分复杂.内燃机四大摩擦副内燃机四大摩擦副活塞环-缸套活塞裙-缸套轴与轴承曲轴与轴承连杆与轴承活塞销与销座轴承凸轮轴与轴承阀系

2、凸轮挺杆与摇臂四大摩擦副的润滑状态四大摩擦副的润滑状态活塞环-缸套:主要是流体动力润滑(包括弹性流体动力润滑),上下止点附近是包括挤压油膜的混合润滑;活塞裙-缸套:弹性流体动力润滑为主,上下止点附近是混合润滑;曲轴与连杆轴承:以流体动力润滑为主,对连杆轴承还需考虑弹性流体动力润滑;阀系:主要是边界润滑和混合润滑,凸轮挺杆间有弹性流体动力润滑.失效模式失效模式各摩擦副的失效模式是和其润滑机制密切相关的.一对摩擦副在不同工况下可能有不同的润滑机制因此也会有相应的失效模式.某一种失效模式可能由不同的润滑机制所形成.进行润滑油配方的人员必须充分掌握这种关系,对于最严重的问题作为优先考虑,次要问题后期解

3、决.Shell 公司在Thorton的研究中心的著名学者R.C.Coy提出下列表格说明内燃机润滑机理与失效模式的关系轴承的失效轴承的工作过程:第一点附近:当反向爬行时,爬行角的正切即为摩擦系数tan =.当油进入后, 下降故下降(3o-4o).这个过程处于边界润滑,主要是滑动磨损(或粘着磨损).停止过程与起动过程类似.最大的磨损部位在区域1.这种磨损对于那些在重载下起停的轴承是很重要的,其轴承寿命往往取决于起停次数,一般约5000次,而对于汽车发动机轴承,起动时为轻载,并立即加速,故这类磨损不严重.流体动力润滑状态下磨砺性磨损(严重时为切削磨损),此类磨损发生在油膜入口到最小油膜处.如果油的颗

4、粒污染严重,则磨砺性磨损便加剧.在出口边油温最高,在高温高剪切条件下会发生腐蚀磨损,当油被衰变污染后(水,盐水,有害气体),腐蚀磨损更严重.在油膜破裂处会形成气蚀.在油压最大处容易产生疲劳磨损.内燃机油液分析与监测内燃机油液分析与监测监测内容监测内容内燃机的健康状况颗粒的总量:判断增长率和磨损严重程度磨损发展进程磨损发展进程确定磨损严重程度确定磨损严重程度颗粒的成分：决定故障发生部位气缸套和活塞磨损: Fe,Cr,Mo,Al滑油添加剂: Ca,Ba,P,Zn上下轴承磨损: Sn,Pb,Cu,Al水污染: K,Na,Si,B燃油污染 Al,V,Si,Na颗粒的大小和分布：决定磨损的剧烈程度及污染

5、度JOAP的经验典型磨损颗粒尺寸是10-15微米严重磨损颗粒尺寸为50微米以上洛.马公司认为颗粒在20微米以上时才需要分辨是何种磨损形式液压系统中:ISO4406:87 ISO4406:992微米 4微米(会引起淤积堵塞)5微米 6微米(会引起正常磨损)15微米 14微米(引起严重磨损) 污染度采用4/6/14微米是全面考虑有代表性的颗粒尺寸段颗粒的几何形态：判断磨损的失效机理切削疲劳正常滑动严重滑动 除几何形态外,还要考虑表面纹理,形貌和色泽 形态:Morphology 形貌:Topography油液本身的健康状况油液的衰化变质氧化：高温富氧活塞环、缸套短暂，局部曲轴箱长期，整体硝化：高温缺

6、氧气体发动机硫酸化：污染氧化氧化是引起油液衰化的最主要原因。润滑油的基础油主要由烃类物质构成，当这些烃类组分与氧发生化学反应，就会发生油液的氧化并生成乙醛，酮，酒精和羰基酸等氧化产物。这些原生氧化产物会与油中的水分，磨损金属等物质产生进一步的聚合反应而生成油泥，积碳等次生产物。这些原生或次生的氧化产物会导致油液酸值和粘度的提高，磨损的增加，滤网的堵塞和添加剂的损耗。高温，压力，油中的水分都会加速油液氧化的速率，根据试验统计油液的工作温度在75度以上时，温度每增加15度，油液的氧化速率会加快1倍。由于氧化产物在红外光谱上具有明显的特征峰（1800-1670CM-1之间），因此目前普遍应用红外光谱

7、技术来监测油液的氧化程度和发展趋势。硝化与氧化反应不同，硝化是在高温缺氧的条件下生成的，是一种高温凝聚过程。它有两种不同的机理，一种是油液直接和灼热机件接触，另一种是油液在泵，轴承和其它带有压力的润滑环境中渗入气泡，当从低压区进到高压区时气泡受到绝热压缩而温度突然升高时（从40度升至200度以上）。硝化同样会使油液粘度增高，同时也是油泥和漆皮生成的重要原因之一。因为硝化一般发生在缺氧条件下所以不能生成氧化反应所生成的副产物也不产生羰基酸，故酸值变化并不明显，但在用傅里叶红外光谱仪测量时，氮的分子在1620CM-1附近具有明显的特征峰，因此可以据此判断硝化的严重程度。油液的污染水分：冷凝、冷却液

8、积碳颗粒燃油乙二醇乙二醇：乙二醇：产生原因密封失效汽缸垫漏气汽缸盖裂缝腐蚀和气蚀普遍性对万台柴油机进行检查有.发现有乙二醇污染台柴油机中发现严重乙二醇污染的为1.5轻微乙二醇污染的为1危害性柴油机中若存在0.4%含乙二醇的冷却剂就足以使烟炱聚集而形成油泥、沉渣，造成流动受阻和滤网堵塞研究指出乙二醇造成的磨损是水引起磨损的倍乙二醇倍会优先与反应形成堵塞油路导致内燃机的低温咬合乙二醇氧化后形成酸性物质，使总碱值迅速降低，形成不能抗拒腐蚀与氧化的环境乙二醇污染与磺酸钙反应会形成所谓油球，这是一种具有磨砺特性的球形污染物，它会划伤轴承，缸套等机件提高粘度，使油的润滑作用和冷却作用丧失燃油稀释燃油稀释产

9、生原因:经常启动的内燃机过多的怠速运行和低温工作燃烧不完全+燃油系统泄漏研究指出燃油稀释的燃油约为燃油总消耗的0.36%危害性:低温条件下运转时的柴油稀释会形成腊质,启动时会形成油压降低乃至贫油;燃油中不饱和芳烃是一种氧化剂,它会造成碱值迅速降低,使油变稠,油流受阻形成贫油;降低粘度,如15W40变为5W20,这会使油膜变薄,活塞环、缸套、轴承磨损加剧;泄漏的燃油会冲刷缸壁上的润滑油,加速活塞环、缸套的磨损,进而引起窜气,油耗增加;降低添加剂的效能;在生物燃料柴油机所引起的问题更为严重如氧化稳定性,滤网堵塞,形成沉渣,蒸发形成的曲轴箱聚集.烟炱烟炱产生原因:它是燃烧的副产物,存在于所有柴油机中

10、;柴油机工作时烟炱通过窜气等方式进入润滑油中.危害性:烟炱生成速率和内燃机燃烧效率直接相关.不恰当的点火定时堵塞了的空气滤清器以及过大的活塞环缸壁间隙都会使烟炱增高;新型内燃机采用的新技术如EGR,高喷射压力,延迟喷射等使烟炱浓度大大增高;提高油液的粘度,使起动困难;沉积在机件表面,降低燃烧效率,降低燃油经济性;烟炱能将皂膜冲掉,加剧磨损;活塞环沟槽积聚烟炱会导致环缸壁的迅速磨损,这会导致冷启动时活塞环的严重损伤.水分水分冬季长期怠速引起曲轴箱冷凝,致使总碱值降低,表面受酸腐蚀,油的氧化;乳化的水会导致添加剂失效,烟炱增加,氧化产物和油泥.油流会带着油泥堵塞滤网,阻碍油流进入轴承,活塞环和阀系

11、;水会急剧增加油中普通酸性物质的腐蚀性.油液添加剂的损耗：现代润滑油中添加剂的含量日益增加，品种日益多样，成分和结构日益复杂，添加剂已成为润滑油的重要组成部分。添加剂的功能主要是增强基础油的有益功能，抑制基础油的有害作用，赋予润滑油以新的功能。添加剂在使用过程中会由于蒸发，水解，泄漏，过滤等作用而逐渐损耗。损耗达到一定程度而不能及时补充或换油则润滑油的许多功能就会部分或全部丧失。因此添加剂损耗的跟踪是内燃机油监测的一项重要工作。内燃机油的添加剂主要是清洁剂，分散剂，抗氧剂和抗磨剂。监测添加剂的损耗常用两种方法。第一种是测量油中Ca,P,Ba,Mg,Zn等添加剂元素在使用中的变化。但需要注意的是

12、有时这些元素的浓度并无明显变化但添加剂的功能却已经丧失。例如如果依靠测量Zn，P来判断ZDDP的损耗那么当ZDDP分解为锌盐和磷酸盐时，Zn，P浓度就不能反映添加剂的损耗了。第二种是用红外光谱仪直接测量添加剂的损耗，例如用FTIR测量ZDDP，其结果就非常有效的反映其变化的过程和趋势。监测的方法和技术监测的方法和技术是和管理水平以及监测目的密切相关的预测性维修:以磨损监测为基础的诊断以磨损监测为主:光谱仪,铁谱仪兼顾理化特性:粘度,闪点,总碱值,水,不溶物主动性维修:重视根源性参数,以全面监测为基础的“预报”以元素,红外,清洁度和粘度为主要监测手段对油液本身的监测被提高到了更重要的位置综合一体

13、化和快速现场化代表油液监测仪器的发展趋势综合监测: MotorCheck, FilterCheck便携快速分析仪器: ML, MetalCheck污染污染固体,水分,空气,热油液衰变油液衰变粘性,润滑性,添加剂磨损及疲劳磨损及疲劳磨粒,粘着,冲蚀,腐蚀,穴蚀,微动设备失效设备失效泄漏,堵塞,振动,功能丧失,效率降低主动性维修主动性维修预知性维修预知性维修失效后维修失效后维修综合一体化监测综合一体化监测综合油液监测可以运用多种不同原理的分析手段对同一参数进行综合测量,相互验证,提高监测准确性可根据3种参量来测冷却剂泄漏通过元素分析可以得到钾,钠,硅,硼等添加剂;通过红外分析可以测出水含量;测量乙

14、二醇含量也可推出是否有冷却剂泄漏.可以根据3种参量来测燃油稀释通过燃油组分对红外辐射能量的吸收而测得;通过粘度的明显下降;通过积碳的浓度增加而看出燃烧不完全,而这正是燃油稀释的根源之一.可以根据3种参量来通过颗粒计数器既可以了解油料的清洁度,又可以弥补元素分析光谱仪只能检测小颗粒的不足,当小颗粒积累超标时,元素分析光谱仪会因元素浓度过高而报警,但很有可能磨损并无异常.相反,当少数大颗粒出现后,由于光谱仪检查不出来,元素浓度并不超标,但却可能磨损已经异常.而参照颗粒计数器测量结果中颗粒大小的分布状况即可做出正确判断.通过下列方法可以核查用油是否正确用元素分析光谱仪检测添加剂是否符合所用油料的技术

15、规范,通常主要控制Ca,Mg,P,Ba,Zn等 用红外光谱仪测量油样的谱线,既可了解基础油也可了解添加剂(如ZDDP等)用粘度计测量值查验粘度是否在规定范围之内,当用多级油时还要查验粘温指数是否符合要求用红外光谱仪还能推算出总碱值,这也是查看油料是否符合要求的重要指标(例如机车和船舶用油TBN值很重要) 用颗粒计数器检查是否符合油料清洁度的要求,控制储存,运输和加装过程中是否受到污染 油液监测仪器的集成化可以简化实验室配置,提高分析效率.MotorCheck系统在美国克莱斯勒公司的应用系统在美国克莱斯勒公司的应用美国克莱斯勒是第一个将油液监测技术作为重要的工程工具引入到发动机及传动部件开发阶段

16、的汽车制造商;MotorCheck被引入到克莱斯勒并进行了为期18个月的严格评价实验,实验的结论是综合油液监测可以有效检测到发动机和传动部件的可能失效从而减少将新产品推向市场的成本和时间.减少了无效试验所占的时间以及提高判定零部件失效的根本原因的能力,此外还能提高产品的质量,降低保修期内的维修工作量以及试验设施的维持费用.实验范例实验范例序号序号油料分析发现油料分析发现异常状态异常状态解体观察结果解体观察结果故障起因识故障起因识别别(1)(1)节约测功器时节约测功器时间间(2)(2)节约成本节约成本(3)(3)190小时,铝浓度活塞裙坏正确85/175小时能2铜浓度增高活塞裙坏有误？3150小

17、时冷却剂泄漏没有机械失效正确125/275没有486小时铅高595小时冷却剂漏链条张紧轮坏水泵坏正确能5一直有铜40，140小时冷却剂泄漏55小时换汽缸头正确120/160能6一直有铜，150小时冷却剂泄漏没有机械失效正确85/235能7150小时铝高铝高，316小时冷却剂活塞环正确116/316能8无异常结果曲轴裂纹有误9175小时冷却剂泄漏汽缸头裂纹正确325/500能1030小时铅高连杆失效正确10/40能1120小时铅高连杆失效正确40/60能1219小时铅高连杆失效正确31/50能13无异常结果同上有误14铁高同上正确25/80能1529小时铅高同上正确153/182能16无异常结果

18、同上有误1749小时铅高轴承失效正确1/49能现场快速分析是另一个发展方向和趋势现场快速分析是另一个发展方向和趋势油液监测工作的发展对监测时效性提出越来越高的要求:目前的实验室监测体系回馈信息太慢(几天到十几天),效率较低,不能完全满足设备监测对时效性的要求;现场油液监测使设备管理者更及时的了解设备和油液故障运转状态,更早发现故障隐患;增加现场监测手段使管理者能够方便的扩大油液监测的范围,增加监测次数,缩短取样周期,提高监测工作的效率.为满足快速现场分析的要求不应以降低仪器的分析效能为代价.传统实验室用传统实验室用FTIRFTIR的不足与缺陷的不足与缺陷实验室FTIR过分娇嫩,抗振性差,对使用

19、环境要求更高(如湿度,光线),无法适应恶劣工作环境,不适合现场使用.分析油样所使用的透射池不易清洗干净(尤其在分析脏油和稠油时).实验室经常远离设备现场,容易造成报告不及时,时效性不足等问题.日常操作与标定复杂便携式油液监测红外光谱仪便携式油液监测红外光谱仪-ML-ML系列系列由美国A2技术公司开发.是目前唯一一种专用油液监测FTIR光谱仪.尺寸202010cm,重量为4Kg设计坚固,抗振能力强专利的专利的DTRANTM进样技术进样技术进样系统由上下两块宝石构成.测试时只需将2滴油样滴在下端宝石上,再将上端宝石与下端扣合,即可形成光程长为100mm的宝石透射池.测试完成后将油样擦去即可进行下一

20、次测试.DTRANTM进样系统结合了ATR进样测试方便和透射池灵敏度高的优点,而又克服了两者的固有缺陷(ATR灵敏度较低,透射池清洗困难),是FTIR进样技术的重要突破.滴入油样滴入油样闭合样品池闭合样品池分析油样分析油样擦拭晶体擦拭晶体PAL便携红外光谱仪的功能和作用便携红外光谱仪的功能和作用油品品质衰化油品品质衰化氧化硝化硫酸化需要特别强调的是这些性能恶化的过程是非线性的,不能用简单的线性关系来推断油液剩余寿命,必须用红外加密取样才能比较准确地判断油液的状态.添加剂损耗添加剂损耗PAO损耗抗氧化添加剂损耗抗磨添加剂损耗油液的外来污染油液的外来污染水分冷却剂燃料积碳新进油品的质量保证:用户购

21、进的新油未必是合格的,在加装前用FTIR对其质量进行检验可以发现是否存在以下问题:配方不正确:将正确油品与新进油品的红外谱进行对比即可判断.调和失误:使用了不正确或不足量的添加剂.交叉污染:在储存,运输和加注过程中使用了不洁用具或者操作不当往往会造成污染.标志差错油液衰化变质:氧化,水解等辨别假冒伪劣产品通过红外光谱的对比可以很轻松地识别出假油和劣质油,保护企业的利益和品牌形象 4250 4200 4150 4100 4050 4000 3950 3900 3850 3800 3750 3700 3650 3600 3550 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200

22、 3150 3100 3050 0.10 0.08 0.06 0.04 0.020.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08WavenumberAbsorbance 油品中水分的监测油品中水分的监测50 PPM3000 PPMIn 30 seconds, FT-IR can determine water content to 100 ppm, allowing immediate remediation 3800 3750 3700 3650 3600 3550 3500 3450 3400 3350 3300-0.020-0.025-0.030-0.035-0.040-0.045-0.050-0.055-0.060-0.065-0.070-0.075WavenumberAbsorbancePhenolic antioxidant depletionAminic antioxidant depletion添加剂损耗的测量添加剂损耗的测量