基于柴油介電特性快速檢測其潤滑性的方法研究

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 山東濟南 250100)

近年來，酸雨、霧霾和光化學煙霧等大氣污染問題在我國一些地區(qū)時常發(fā)生，這與汽車尾氣排放緊密相關(guān)。在同等功率下，車用柴油發(fā)動機排放的碳氫化合物和CO比同樣性能的汽油發(fā)動機低95%，所排放的CO2也要比汽油發(fā)動機少25%，而且使用柴油發(fā)動機可比用汽油發(fā)動機節(jié)約30%(體積分數(shù))的燃料，因此，柴油發(fā)動機具備清潔、耐用、效率高、修理費用低等特點[1]。無論從環(huán)保還是節(jié)能來看，柴油的使用量將會增大。隨著環(huán)保要求的日漸嚴格，硫含量的降低導(dǎo)致柴油潤滑性的問題日益突出，因此，需要有高效的柴油潤滑性評定方法。

為了評定柴油的潤滑性，預(yù)測柴油在燃油高壓泵中對泵的磨損情況，各國學者研發(fā)了許多試驗方法，主要是模擬評價方法和油泵臺架試驗[2]。此外，還有四球機模擬評價試驗方法，用來評價液壓油的潤滑性能和油品承載能力，用于輕質(zhì)燃料油的測試條件比較苛刻[3]；全尺寸發(fā)動機油泵模擬試驗依據(jù)經(jīng)過長期試驗后噴油的質(zhì)量以及各零部件的磨損狀況來判定燃料油的潤滑性是否符合發(fā)動機零部件的潤滑要求[4]。這些方法一般需要的試驗儀器比較笨重、昂貴，試驗時間較長，試驗過程也比較繁瑣。韋淡平[5]的研究表明，柴油的氮含量和終餾點與其潤滑性能的相關(guān)性較好。吳江[6]研究發(fā)現(xiàn)，酸度、黏度以及多環(huán)芳烴含量等指標與軍用柴油的潤滑性能具有良好的相關(guān)性。管亮等人[7]依據(jù)油品組分的特性研發(fā)了介電譜儀，專門用來測定油品的介電譜數(shù)據(jù)，使用數(shù)學建模的方式對數(shù)據(jù)進行處理，然后利用HFRR所測得的結(jié)果，討論了介電譜數(shù)據(jù)與潤滑性之間的關(guān)聯(lián)性，建立了數(shù)學模型和數(shù)據(jù)庫來判斷和測定柴油的潤滑性。

本文作者利用檢測介電特性的方法提取柴油中少量對柴油潤滑性能有較大貢獻的極性雜環(huán)化合物組分，建立介電特性快速預(yù)測柴油潤滑性能的模型，對保證柴油潤滑性能具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗所用抗磨劑為由C6～C22脂肪酸與多元醇組成的脂肪酸酯型柴油抗磨劑，柴油為煉油廠生產(chǎn)的未加入抗磨劑的加氫精制柴油，主要性質(zhì)如表1所示。可見，加氫精制柴油的組成相對比較簡單，主要為鏈烷烴和環(huán)烷烴，硫含量和酸度非常低，校正磨斑直徑較大。

表1 加氫精制柴油的主要性質(zhì)Table 1 The main properties of hydrofining diesel oil

1.2 儀器及試劑

實驗中用到的主要設(shè)備如表2所示。

表2 實驗設(shè)備Table 2 Experimental equipment

1.3 實驗方法

將柴油抗磨劑按比例加入柴油中，分別配制抗磨劑質(zhì)量比為0、50、100、150、200、250、300、350、400、450 mg/kg的10個柴油樣品，然后在60 ℃下測量其介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值和電阻率。每個樣品檢測3次，取3次的平均值作為最終結(jié)果。測定潤滑性實驗前將10個柴油樣品分別搖勻，然后按照SH/T 0765-2005[8]測定各柴油樣品的校正磨斑直徑。

2 結(jié)果與討論

在60 ℃下，測定了10個不同抗磨劑質(zhì)量比的樣品的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值、電阻率以及校正磨斑直徑，所測結(jié)果如表3所示。將所測得的校正磨斑直徑分別繪制成隨介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值和電阻率的變化圖，如圖1—4所示。

從圖1可以看出：伴隨介質(zhì)損耗的增加，校正磨斑直徑呈減小趨勢且隨介質(zhì)損耗的變化波動較大。介質(zhì)損耗是電介質(zhì)在交變電場影響下?lián)p失的能量，也就是轉(zhuǎn)化成熱能的那一部分能量，油相中電介質(zhì)極性分子轉(zhuǎn)向和位移極化需要一定的時間，且容易受極小量的可電離溶解雜質(zhì)或膠體微粒的影響，在極性較大的液體中有較高的溶解和電離能力，這就導(dǎo)致了在校正磨斑直徑較小也就是極性分子較多的情況下測得的介質(zhì)損耗波動比較大。

表3 不同抗磨劑含量柴油的介電特性及校正磨斑直徑Table 3 Dielectric properties of diesel oil with different antiwear agent concentration and corrected grinding spot diameter

圖1 介質(zhì)損耗與校正磨斑直徑的關(guān)系 Fig 1 The relationship between the dielectric loss and the corrected grinding spot diameter 圖2 介電常數(shù)與校正磨斑直徑的關(guān)系Fig 2 The relationship between the dielectric constant and the corrected grinding spot diameter

圖3 電容值與校正磨斑直徑的關(guān)系Fig 3 The relationship between capacitance value and corrected grinding spot diameter 圖4 電阻率與校正磨斑直徑的關(guān)系 Fig 4 The relationship between resistivity and corrected grinding spot diameter

從圖2可以看出：當校正磨斑直徑減小時，介電常數(shù)不斷增大。由于電介質(zhì)一般具有固定的介電常數(shù)，表示該物質(zhì)儲存電場能的能力，外界變化對其干擾較小，圖中介電常數(shù)與校正磨斑直徑的曲線也證實兩者之間的相關(guān)性很好。

從圖3能夠看出：伴隨電容值的增加，校正磨斑直徑呈減小趨勢，且隨電容值的變化波動較大。這是由于電容值易受空間雜散的電磁干擾，尤其是用于輸出數(shù)據(jù)的信號電纜，屏蔽不好會引起檢測精度誤差。

從圖4可以看出：伴隨電阻率的增加，校正磨斑直徑不斷增大，且隨電阻率的變化波動較大。這是由于測定電阻率時，線路中絕緣電阻較低的連線，時常會與被測試樣品電阻并聯(lián)，而且由于高壓線發(fā)生表面電離，有一部分會泄漏到地面，電化時間的差異也會引起電阻率測量結(jié)果的誤差。

從圖1—4可以看出：校正磨斑直徑隨介質(zhì)損耗、電容值、電阻率的變化規(guī)律不如隨介電常數(shù)變化的有規(guī)律，可認為介電常數(shù)與校正磨斑直徑有較好的相關(guān)性。為了探究校正磨斑直徑與介電常數(shù)是否存在一定的關(guān)系，使用1stOpt軟件對介電常數(shù)與校正磨斑直徑進行了擬合，如圖5所示。

圖5 介電常數(shù)與校正磨斑直徑擬合曲線Fig 5 Fitting curve of dielectric constant and corrected grinding spot diameter

擬合方程選用：

(1)

式中：a、b、c為擬合系數(shù);x為介電常數(shù);y為校正磨斑直徑。

擬合結(jié)果：a=317.36，b=0.01，c=-2.18，R2=0.979 3

決定系數(shù)R2非常接近于1，結(jié)合圖2可以得知介電常數(shù)與校正磨斑直徑有著必然的聯(lián)系。因此，在已知介電常數(shù)的情況下，可計算出柴油的校正磨斑直徑，從而為測定潤滑性提供參考。

3 驗證分析

以加氫柴油B為對象，分別加入不同量的脂肪酸酯型抗磨劑B，測定其介電常數(shù)，并計算校正磨斑直徑，同時運用行業(yè)標準方法直接測定的校正磨斑直徑數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 樣品的介電常數(shù)和校正磨斑直徑Table 4 The dielectric constant of the sample and the corrected spot diameter

對計算出的校正磨斑直徑和運用行業(yè)標準方法直接測定的值進行比較，如圖6所示。可以看出：決定系數(shù)R2=0.985 5非常接近于1，兩者線性擬合非常好，預(yù)測結(jié)果符合實驗重復(fù)性的要求，說明不同抗磨劑對不同柴油的潤滑性及介電常數(shù)的影響效果同樣適用于此模型。因此可以認為通過對柴油介電常數(shù)的測定，可以直接確定柴油潤滑性能。

圖6 校正磨斑直徑計算值和測定值比較Fig 6 Fitting the calculated value and measured value of the wear spot diameter

4 結(jié)論

(1)以未加抗磨劑的加氫精制柴油為基礎(chǔ)，通過添加不同量的抗磨劑來研究介電特性與校正磨斑直徑的相關(guān)性，研究表明，介電常數(shù)與校正磨斑直徑的相關(guān)性最好。

(2)建立介電常數(shù)與校正磨斑直徑的公式模型，通過不同抗磨劑對使用公式模型直接計算值與測定值比較，線性擬合很好。因此，可以通過對柴油介電常數(shù)的測定，來預(yù)測柴油的校正磨斑直徑。

(3)對于加有對柴油潤滑性貢獻效果不同的添加劑的部分柴油樣品(像許多腐蝕抑制劑抗磨劑和抗磨劑的極性較大并且有減少磨損的效果，而有些添加劑如硝基烷烴和氰類的極性也很大，卻增加柴油的磨損)，需預(yù)先將它們分類處理，并采用各自適合的特征進行建模，來適應(yīng)對不同樣品的評定，而分類方法需要進一步的探索研究。