燃油稀釋對柴油機油摩擦學(xué)性能的影響

李小剛，王愛香，李旭

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

目前，市場上的渦輪增壓及缸內(nèi)直噴柴油機普遍存在著不同程度的燃油稀釋情況。燃油稀釋是指燃燒不完全的燃油穿過活塞環(huán)進入曲軸箱而污染機油，這一現(xiàn)象會導(dǎo)致發(fā)動機潤滑油性能降低，進而影響發(fā)動機潤滑油的摩擦學(xué)性能[1]。燃油稀釋降低油膜強度，潤滑油的密封能力和清潔能力，還將引起潤滑油黏度、閃點下降，影響其潤滑性能，造成柴油機磨損加劇[2]。

目前，燃油稀釋的問題已受到各大OEM的關(guān)注。也有各大學(xué)者對燃油稀釋的問題做了相關(guān)研究，之前有鄧廣勇等研究了柴油燃料對城市公交用潤滑油稀釋后的黏度變化以及對發(fā)動機磨損性能的影響[3]，研究結(jié)果表明燃油稀釋會對發(fā)動機潤滑油造成黏度下降，磨損增加的影響。Zdrodowski等研究了燃油對柴油發(fā)動機潤滑油稀釋后性能的影響[4]，結(jié)果表明燃油稀釋導(dǎo)致發(fā)動機潤滑油黏度下降，產(chǎn)生腐蝕磨損，并且在摩擦過程中表面會產(chǎn)生摩擦反應(yīng)膜。綜上所述，目前在燃油稀釋引起發(fā)動機磨損方面的研究大都以行車試驗以及臺架試驗為主，而從模擬試驗角度研究缸套-活塞環(huán)因燃油稀釋引起的摩擦學(xué)性能方面的報道少之又少。

本文主要介紹了在SRV?4型摩擦磨損試驗機上，以O(shè)EM發(fā)動機缸套-活塞環(huán)截取件為摩擦副試驗件，以昆侖CJ-4、其他品牌潤滑油以及對以上油品經(jīng)過不同比例燃油稀釋后的潤滑油為潤滑介質(zhì)，研究發(fā)動機缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能。

1 SRV?4型摩擦磨損試驗機簡介

德國OPTIMOL公司研制開發(fā)的SRV?4型摩擦磨損試驗機是一款功能多，測試手段全，能較為真實地模擬多種臺架試驗，且具有較高自動化程度的摩擦磨損試驗機。試驗機在國內(nèi)、外科研院所，高校及潤滑油行業(yè)的研究領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用方面，試驗機具有專門用于模擬內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)的摩擦副，在模擬內(nèi)燃機油及齒輪油的減摩/節(jié)能試驗中發(fā)揮了較大作用。SRV?4型摩擦磨損試驗機控制參數(shù)如表1所示，試驗機及摩擦副示意圖見圖1。

圖1 SRV?4型摩擦磨損試驗機及摩擦副

2 模擬試驗方法研究

目前，柴油發(fā)動機潤滑油缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能大都以臺架試驗研究為主，但是臺架試驗周期長(比如本文研究模擬的臺架試驗周期長達800 h)、耗資成本較大，因此模擬試驗成為臺架試驗篩選的重要途徑。

應(yīng)OEM發(fā)動機制造廠家需求，蘭州潤滑油研究開發(fā)中心與OEM發(fā)動機制造廠就柴油機油在發(fā)動機缸-環(huán)模擬工況下摩擦學(xué)性能研究方面達成合作共識。以蘭州潤滑油研究開發(fā)中心擁有的SRV?4型摩擦磨損試驗機為試驗平臺，應(yīng)用OEM發(fā)動機缸套-活塞環(huán)截取件為摩擦副試驗件，模擬OEM發(fā)動機800 h耐久性試驗缸套磨損深度建立模擬試驗方法。

2.1 潤滑介質(zhì)介紹

為了能更好地建立模擬試驗和臺架試驗的相關(guān)性，選取OEM發(fā)動機800 h耐久性試驗用油(參比油A)和不同品牌的參比油B作為潤滑介質(zhì)，兩種油品都屬于CJ-4級別的油品，其質(zhì)量指標如表2所示，參比油A、B理化分析結(jié)果如表3所示。

表2 CJ-4油品質(zhì)量指標

表3 參比油A、B理化分析結(jié)果

2.2 模擬試驗條件確定

根據(jù)OEM發(fā)動機800 h耐久性試驗的工況，通過與SRV?4型摩擦磨損試驗機運行參數(shù)進行對比換算，我們研究確定SRV?4型摩擦磨損試驗機模擬試驗條件如表4所示，參比油試驗結(jié)果如圖2所示，圖3、圖4為參比油缸套磨損三維形貌圖。

表4 SRV?4型摩擦磨損試驗機模擬試驗條件

圖2 參比油A、B摩擦系數(shù)對比

圖3 參比油A缸套磨損三維形貌

圖4 參比油B缸套磨損三維形貌

在確定的模擬試驗條件下，使用OEM發(fā)動機800 h耐久性試驗用油作為模擬試驗研究的參比油，以部件代替整件的方式進行模擬試驗。模擬試驗結(jié)果顯示其缸套磨損深度和臺架試驗結(jié)果具有較好的對應(yīng)性，也從摩擦系數(shù)以及缸套磨損深度三維形貌上對參比油進行了很好的區(qū)分，同時該模擬試驗方法得到了OEM的認可，并為其油品篩選提供一定的技術(shù)支持。

3 不同比例燃油稀釋對柴油機油潤滑性能的影響

之前有學(xué)者研究過，隨著發(fā)動機油中所含燃油比例的增大，潤滑油的高低溫黏度及低溫泵送黏度均呈現(xiàn)下降趨勢，并且燃油對潤滑油黏度的影響是溫度越低，影響越大[5]。而潤滑油的黏度又是摩擦副間形成油膜的關(guān)鍵因素，如果發(fā)動機摩擦副間潤滑不良會直接影響發(fā)動機的正常工作。因此，發(fā)動機油燃油稀釋的問題引起了各大OEM高度關(guān)注。

發(fā)動機中工況最苛刻的區(qū)域之一就屬于缸套-活塞環(huán)區(qū)域，因為缸套-活塞環(huán)區(qū)域的潤滑是邊界混合潤滑狀態(tài)。在已建立的模擬試驗方法的基礎(chǔ)上，對參比油A、B進行一定比例柴油稀釋后研究其缸套-活塞環(huán)的抗磨損性能，其中對參比油選取的燃油稀釋比例參考OEM發(fā)動機耐久性試驗過程中不同時期采樣分析得到的比列。參比油A、B分別加入3%、5%、8%及12%的柴油進行SRV缸套-活塞環(huán)模擬試驗，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示，參比油加入12%柴油缸套磨損三維形貌圖如圖7、圖8所示。

圖5 參比油A不同比例柴油稀釋后試驗結(jié)果

圖6 參比油B不同比例柴油稀釋后試驗結(jié)果

圖7 參比油A+12%柴油缸套磨損三維形貌

圖8 參比油B+12%柴油缸套磨損三維形貌

圖5～圖8說明了參比油A、B經(jīng)過一定比例柴油稀釋后的SRV缸套-活塞環(huán)試驗?zāi)Σ料禂?shù)對比以及典型的參比油A+12%柴油、參比油B+12%柴油后的缸套磨損三維形貌對比。表5、表6以缸套-活塞環(huán)的總失重來說明模擬試驗和臺架試驗的對應(yīng)性及不同配方體系的柴油機油經(jīng)柴油稀釋后對發(fā)動機缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能的影響。

表5 參比油A不同比例柴油稀釋后磨損結(jié)果

表6 參比油B不同比例柴油稀釋后磨損結(jié)果

從表5、表6結(jié)果可以看到參比油A經(jīng)一定比例的燃油稀釋后，摩擦系數(shù)有降低的現(xiàn)象，同時缸套磨損量以及磨損深度有增大的趨勢。參比油B經(jīng)不同比例燃油稀釋后，隨著燃油稀釋比例的增大，摩擦系數(shù)基本無變化，同時缸套磨損量及磨損深度也變化不大。

這說明燃油稀釋對柴油機油缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響在邊界混合潤滑狀態(tài)下和柴油機油自身的配方體系有關(guān)系。參比油A的抗磨損性能在未經(jīng)燃油稀釋前就較參比油B弱，同時參比油A經(jīng)不同比例燃油稀釋后，雖然表觀上降低了摩擦系數(shù)，但是缸套-活塞環(huán)的磨損量及缸套磨損深度較未稀釋前嚴重，因此燃油稀釋不同程度上會降低油品的抗磨性能；而參比油B在經(jīng)一定比例的柴油稀釋后，其摩擦系數(shù)、缸套-活塞環(huán)的磨損量及缸套磨損深度變化不大，油品的抗磨性能并沒有因燃油的稀釋而受到影響，仍能表現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨性能。

4 結(jié)論

(1)以SRV?4型摩擦磨損試驗機為試驗平臺，以O(shè)EM發(fā)動機缸套-活塞環(huán)截取件為試驗件模擬其發(fā)動機800 h耐久性試驗，建立的模擬試驗方法和發(fā)動機臺架試驗具有較好的對應(yīng)性及區(qū)分性，為OEM發(fā)動機試驗油品篩選提供一定的技術(shù)支持。

(2)燃油稀釋對柴油機油缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響和油品自身的配方體系有關(guān)系。比如參比油A，隨著燃油稀釋比例的增大，缸套磨損量以及磨損深度有明顯增大的趨勢；而參比油B的配方體系隨著燃油稀釋比例的增大，缸套磨損量以及磨損深度變化不大。