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柴油机润滑油中烟炱的危害及检测方法
更新日期:2015-09-19  浏览:1135
 

         

    烟炱是由多种物质组成的混合物,其主要成份为石墨化碳黑。它在润滑油中是以固体不溶物的形式存在的,其初始大小约30nm~60nm.烟炱的含量高低和结构状况直接影响到发动机的可靠性和机油的耐久性。准确及时监测润滑油中烟炱的含量水平,适时掌握发动机状态和润滑油的质量状况,就可以减少发动机,特别是避免大型固定式柴油发动机因磨损、油路阻塞等造成的发动机非正常停机。

  1烟炱的来源柴油机的主要排放污染物是氮氧化物和颗粒物。在柴油机苛刻的燃烧条件下,燃烧过程中会产生很多的副产物,其中的固体物主要是柴油和进入燃烧室的润滑油在空气不足的条件下经不完全燃烧或热裂解而产生的不定形碳(微小的炭微粒),表现为烟炱,它会恶化颗粒物的排放。经过研究发现柴油发动机内漆膜及积炭是由润滑油及燃料氧化聚合生成,采用示踪原子跟踪后发现它们主要是润滑油氧化生成,而烟炱主要是柴油不完全燃烧引起。

  在曰益高涨的环保压力、市场竞争和提高燃油经济性的驱动下,制造商不得不采用许多最新的技术用于柴油机制造,如废气再循环技术、延迟喷射燃料技术等。但这些技术的采用,却使更多的烟炱滞留于柴油机内。除了新的发动机设计使烟炱的量增加外,旧的发动机在使用过程中也会因为空气滤清器、燃烧控制系统、发动机机件磨损等故障产生大量的烟炱。

  2烟炱的生成机理烟炱的生成与空气温度、空气中氧浓度、燃料的种类及其在燃烧过程中与空气的配比情况有关。一般而言,空气的预热温度越高,空气中氧的含量越低,燃料与空气混合越不均匀,燃料就越容易发生裂解,生成的烟炱就越多。不同的燃料,烟炱的生成趋势也不同,给出它的详细结果。

  烟炱的生成大致可以分为两个阶段。第一阶段:从低分子量的不饱和烃中产生烟炱核心,再通过化学反应实现高分子化;第二阶段:所生成的烟炱核心经过液化聚合和团聚等过程生长为烟炱微粒。目前第二阶段的机理已经较为清楚,现存在疑问的是第一阶段从燃料高温裂解生成不饱和烃到产生烟炱核心的过程中是何种中间物质起了主要作用。关于中间物质的成因主要有多环芳香烃中间体说(plycyclic PYs)和烃离子说(ionicspecies)等等。因烟炱粒子一般具有和石墨相类似的构造,所以芳香烃中间体说得到了较广泛的认同。该机理认为大的多环芳香烃聚合而形成原始的烟炱粒子,其形成可分为以下几个过程:(1)分子态的烟炱前身PHA的形成。(2)PAH分子形成烟炱的核心粒子。(3)核心粒子与气态的分子聚合使得粒子变大。(4)粒子团聚。(5)粒子的碳化。(6)粒子的部分氧化。

  3烟炱的危害柴油在汽缸中不完全燃烧产生烟炱。烟炱形成后会继续燃烧,其燃烧速度取决于其温度和表面积。粒子温度越高、表面积越大、粒子附近区域氧气浓度越高,粒子燃烧反应速度也就越快。柴油机汽缸内部空间较小,汽缸内温度分布不均匀,汽缸中心区部分温度较高,靠近汽缸壁的区域温度相对较低。柴油燃烧过程中会产生的烟炱会有一部分被烧掉,汽缸中心区域部分烟炱燃烧较充分,靠近汽缸壁的区域燃烧就差一些。因而在条件一定的情况下,汽缸中烟炱主要是在靠近汽缸壁的区域产生的,这就造成烟炱很容易在汽缸壁沾附而被润滑油洗脱下来进入到柴油机的润滑系统中。新换的发动机油一般运行几个小时就开始变黑,就是因为机油将发动机内的烟炱清洗下来,使烟炱进入油中的缘故。

  如果发动机润滑油中的烟炱增加到较高水平而不能被很好地分散,就可能会导致发动机更容易形成烟炱、活塞阀系的各种沉积物,进而使过滤器阻塞、供油不足、油膜破坏而造成非正常磨损,影响发动机正常工作和寿命。

  烟炱的主要危害:(1)大颗粒会造成滤网堵塞,影响供油;(2)使润滑油粘度增大,流动性变差;(3)加剧磨损。

  烟炱本身是一种磨料,造成磨料磨损,同时它吸附一些燃烧产生的酸性物质,产生腐蚀磨损。

  润滑油中烟炱对柴油机磨损的影响,主要表现在缸套-活塞环部分和进排气阀系部分。研究表明,柴油机的烟炱磨损主要是磨粒磨损造成的。研究人员在经过大量研究后,提出了五个主要烟炱磨损机理:①烟炱对ZnDTP分解产物的优先吸附,阻碍了金属表面抗磨膜的形成;②烟炱同ZnDTP对金属表面进行争夺,减少了ZnDTP的金属表面覆盖率;烟炱改变了抗磨膜的结构,减弱了抗磨膜的机械强度和对金属表面的粘合力;④由于烟炱集聚而使能够真正起润滑作用的油量减少;由烟炱引起的磨粒磨损。其中大多数研究是在模拟试验机上进行的,一些机理在实际发动机中尚未被证实。近些年的有关研究表明,柴油机的烟炱磨损主要是由磨粒磨损引起的。

  4检测方法直接或间接测量润滑油烟炱的常见方法有五种,包括热重分析法,红外测量法,过滤法,分光光度法和滤纸试验法。其中滤纸试验法主要是通过测定油斑大小来大致确定烟炱的含量,可以作为估计。实验室测定烟炱的主要方法是热重分析法和红外光谱法。目前测定烟炱含量的方法主要有以下几种。

  4.1热重分析法热重法是根据油中的烟炱在高温下与氧气化合,生成二氧化碳而引起一定量的失重来测定烟炱的含量。在650*C之前内燃机油中的大部分组分除烟炱和杂质外均已蒸发及分解,所以在650*C~750*C之间只能是由于烟炱与氧气在高温下化合,生成二氧化碳逸出而引起失重。

  此方法是在惰性气氛中,将油温升高到650*C,待样品重量稳定后将载气切换成氧气,继续升温至750*C后恒温,直至油品重量不变,这两个温度下质量之差即为烟炱含量。热重分析法是实验室方法和专家方法,但每测一次所消耗的时间较长且操作烦琐。它是测定在用油中烟炱含量(重量百分比)的主要方法,精确度高,被工业界广泛米用。

  4.2红外光谱法红外光谱是由于分子的振动-转动能级跃迁引起的光谱,通常出现在红外区。用红外光谱来检测润滑油中的烟炱的方法就是红外光谱法。这种测量方法是根据烟炱产生的一个固定波长的红外吸收峰的强度来计算油中烟炱的含量,但烟炱在谱图基线上会产生一个漂移。影响由烟炱引起的基线漂移的因素较多,除了烟炱的含量,燃烧系统及内燃机油中分散剂、扩散剂的特性等因素的存在使烟炱测定的准确性较难直接确定。红外光谱法对测量环境的要求高,对测量人员的技术水平要求也高,仪器价格昂贵,这就限制了其推广应用。红外光谱法与测量烟炱浓度准确性最高的热重分析法具有较高的相关性,而且能够满足对现场测量技术的要求。

  4.3过滤法该方法是将在用油称重后用正戊烷或正庚烷溶液稀释,然后用标定过的已知孔隙的薄膜过滤,用薄膜重量的增加量计算不溶物所占的百分比。此方法可用于在用油的监测。这种方法产生误差的一个原因是滤网上大粒子阻止了部分比孔隙尺寸小的粒子的滤出,因此得到的不溶物值偏高。另外该方法测定的数据不全部是油中的烟炱,也包含了其他固体悬浮物质,所测到的不溶物总量要高于在用油样品中烟炱的实际值。因此本方法对烟炱测定不具有专属性,而且主观因素较多,因此其测定结果仅有价值。

  4.4分光光度法这种方法的测量原理是:在烟炱存在的条件下,入射光线经烟炱的吸收和散射,透射光强度减弱。在一定条件下,不同烟炱含量的油,透射光强度减弱程度不同,其强度与润滑油中烟炱的含量符合朗伯-比尔定律。通过测量油样对光的散射,这样就可以确定润滑油中不溶物的含量。或者经与标注烟炱百分含量的标准滤清器比较,用已知烟炱含量的旧油校验该仪器。后者最早用于机油换油周期的预警,仅是估算。理论上讲,单波长就应该能够测定润滑油中的烟炱含量。但是,由于在分光光度分析中,光源、检测器、样品的组成差别等方面的原因,单波长方法的适应性较差,误差较大。为提高分光光度法的测量精度和对样品的适应性,目前普遍采用双波长技术。现在已有单位开发出精度可达0.03%的高精度仪器,并成功应用于柴油机台架和工业柴油机的在线油品质量检测。

  上述几种方法中,红外光谱法与分光光度法具有速度快、人为干扰少的特点。这就决定了利用它们测量润滑油中烟炱的结果具有较好的重复性和较高的精度。但由于二者原理的不同,两种仪器在其它方面存在较大的不同。利用红外原理制成的仪器,由于其本身特点决定了仪器自重较大,结构复杂,对样品需要进行特别的处理或者需要用特制的样品池来盛装,成本较高。而利用分光光度原理制成的仪器,其重量比前者轻,且结构简单,不需要对样品进行预处理或者用特制的样品池来装样品,因而操作简便,造价低廉。因此,利用后者在现场快速检测润滑油中烟炱含量时会比前者具有更好的适应性。

  5发展展望由于润滑油中的烟炱含量与柴油发动机的磨损和正常运行息息相关,更由于各种新型柴油机技术使润滑油中烟炱的含量越来越高,因此烟炱含量的测量对于柴油机而言已经变得越来越重要,越来越引起人们的重视。

  对大型固定式柴油发动机而言,由于其造价昂贵,因此可以考虑对其进行实时在线监测润滑油烟炱含量等理化指标。对小型柴油发动机油中烟炱含量进行取样检测,但整个检测应该在较短的时间内完成,以使烟炱含量的检测方便、经济、可行。现在已经有了美国威尔克斯公司推出一种快速便携式烟炱含量测定仪,利用红外的原理,只用一滴油就可在30秒内测出油中0%~12%范围内的烟炱含量。但其产品价格贵,不适合中国国情。目前国内已经有科研单位在利用分光光度法进行此类便携式烟炱测定仪的研制工作,且进展较好,与预期相符。

  随着实验条件的改善和各种新理论新方法的应用,人们对烟炱生成的实验研究和反应动力学的模型研究将会朝更深入的方向发展。这必将对发动机润滑油中的烟炱含量快速测定工作起到推波助澜的作用,将会有更多测量速度更快、测量精度更高、造价更低廉、操作更简便的烟炱测定仪出现。

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