生物柴油发动机磨损特性实验研究

吴 江，陈波水，方建华，王 九

（后勤工程学院油料应用与管理工程系，重庆401311）

生物柴油作为一种代用燃料，因其与矿物柴油相比具有闪点高、运输储存使用安全性好、十六烷值高、燃烧性能好、硫含量低、芳烃含量低、氧含量高、燃烧残炭低、发动机废气排放少等特点而备受关注［1－5］。目前国内外对于生物柴油的应用研究主要集中在生物柴油的燃料特性、燃烧及排放特性等方面［6－10］，而对生物柴油发动机在使用过程中的磨损特性研究甚少。实际上，发动机零部件的磨损在一定程度上受燃料及其燃烧产物的影响，燃料在燃烧过程中容易窜到曲轴箱中，导致内燃机油质量恶化，加剧发动机的磨损，缩短发动机的使用寿命［11－12］。因此，研究生物柴油发动机的磨损特性对于降低发动机磨损、延长发动机使用寿命具有重要作用。本研究在发动机台架试验的基础上，对发动机燃用生物柴油时的磨损特性进行研究。

1 实 验

1.1 原 料

内燃机油，长城牌CD15W-40柴油发动机油；0号柴油，中国石油兰州石油化工公司生产，主要理化指标见表1；生物柴油是以大豆油酸化油为原料制取，由重庆华正生物能源开发有限公司提供，其性能指标达到GB/T 20828—2007的要求，主要理化指标见表2。

1.2 试验方法

1．2．1 发动机台架试验 将磨合后的两台发动机分别安装在两个试验台架上，分别以大豆油生物柴油（SME）和0号柴油为燃料进行平行台架试验。发动机上装有专用仪表测量发动机的油耗、转速、油温、功率、进气温度等。实验过程中，记录大气压、相对湿度和室温。每隔2h记录1次转速、扭矩和油耗，台架试验时间共计200h。

表1 0号柴油的主要理化指标

表2 大豆油生物柴油的主要理化指标

1．2．2 仪器及设备 发动机，R165型柴油机，重庆拓普柴油机厂生产，汽缸直径65mm，压缩比23．5，喷油压力（13．7±0．5）MPa，功率2．42kW；D12型水力测功机，江苏启东测功器有限公司生产，最大吸收功率12kW，主轴最高转速6 000r/min，发动机输出扭矩的测量范围0～45N·m，测量精度±0．01N·m；ZSB型电子转速表，江苏南通启测机电有限公司生产，测量范围300～9 999r/min，测量精度 ±0．05%；流量计，DF-313型数字流量计，日本小野公司产品，累计流量0．1～99 999．9 mL，瞬时流量测量指示范围0～999．9L/h，测量精度±1．0%；气压计，测量范围300～1 000kPa，测量精度±0．1kPa；湿度计，测量范围0～100%，测量精度±1%；温度计，测量范围0～100℃，精度为±1℃。

2 结果与讨论

2.1 摩擦副表面宏观形貌

将进行200h台架试验的柴油发动机进行拆检，对部分零部件的表面宏观形貌进行分析，并与试验前进行对比，柴油发动机缸套台架试验前后照片见图1。缸套内表面的交叉线纹是在加工过程中形成的晰磨纹理，细微的纹面对保持油膜分布及防止油耗过多是很有必要的，但当柴油发动机活塞形成过量沉积物时，则可抹掉上述纹面，形成被磨光的表面，而将难以保持油膜，加之活塞头部过量沉积物可起到类似刮油环的作用，很容易将油向上推入燃烧室内烧掉，这样就会造成油耗增长。从图1可以看出，生物柴油发动机和0号柴油发动机试验后缸套的交叉纹线均较清晰，缸筒无明显拉缸、划痕现象。

图1 缸套台架试验前后照片

发动机主要部件拆检情况见表3。从表3可以看出，台架试验后，生物柴油发动机和0号柴油发动机的连杆、连杆轴瓦、凸轮轴、缸盖、活塞销、活塞环等部件未出现明显划痕及裂纹，积炭生成量较少，部件的工作状态良好。相比较而言，生物柴油发动机的喷油嘴和活塞部位积炭生成量较0号柴油发动机大，且其喷油嘴的压力变化也相对大一些，但喷油嘴和活塞部位的磨损不明显。

表3 发动机主要部件拆检情况

2.2 摩擦副磨损量

发动机经过长期运行，当磨损总量达到一定值时，零件就达到了磨损极限，此后，若发动机继续运行，便进入极限磨损阶段，这时各部分配合间隙过大，冲击负荷增大，使润滑不良，零件磨损急剧增加，将会造成零部件严重损坏，甚至发生事故，因此对台架试验后各部件的磨损量进行考察十分必要。表4为经200h发动机台架试验后两台发动机主要摩擦副的磨损量。从表4可以看出，生物柴油发动机及0号柴油发动机的缸套、活塞、曲轴、连杆轴、活塞环槽等主要摩擦副的磨损量均未超过磨损极限值，发动机磨损正常。其中，生物柴油发动机缸套的磨损量为0．016mm，小于0号柴油发动机的缸套磨损量。生物柴油发动机和0号柴油发动机活塞一环、二环、三环的开口间隙增量 分 别 为 0．01，0．01，0．02mm 和 0．03，0．02，0．04mm。检测结果表明，0号柴油发动机的磨损量稍大于生物柴油发动机。从表4还可以看出，生物柴油发动机和0号柴油发动机活塞一环、二环、三环的失重分别为0．581 6，0．663 9，0．651 8g和0．655 2，0．670 1，0．710 2g，活塞环的质量变化从另一个角度反映了试验过程活塞环的磨损情况，活塞环失重越大磨损越明显。

2.3 活塞环－缸套SEM分析

利用扫描电子显微镜（SEM）分析生物柴油发动机和0号柴油发动机活塞环和缸套的磨损情况，磨痕形貌照片见图2～图5。从图2～图4可以看出：活塞一环的铸铁表面镀铬，其抗磨性较好，试验后活塞环表面纹路清晰，凹坑小，无凸起，尤其是生物柴油发动机活塞环，部分区域甚至看得出留有较明显的加工痕迹；活塞二、三环的磨损较一环明显，摩擦表面有凸起凹坑，能看出试件磨损的方向，0号柴油发动机的活塞三环甚至有较明显的犁沟状磨痕。与0号柴油发动机相比，生物柴油发动机活塞二、三环的磨损程度较小。

表4 生物柴油发动机各摩擦副的磨损量

图2 活塞一环的SEM照片

图3 活塞二环的SEM照片

图4 活塞三环的SEM照片

图5 缸套的SEM照片

从图5可以看出，生物柴油发动机缸套表面的加工网纹（纵向纹路）比0号柴油发动机清晰，缸套表面的磨痕较浅，磨损状况优于0号柴油发动机。分析原因，主要是由燃料的差异造成的，生物柴油比0号柴油具有相对较高的运动黏度，这使得生物柴油在不影响燃油雾化的情况下，更容易在汽缸内壁形成一层油膜。此外，由于生物柴油脂肪酸甲酯分子中含有极性基团，极性脂肪酸甲酯分子在摩擦过程中以物理吸附和化学吸附的形式形成了边界润滑膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损，延长使用寿命［13－14］。

3 结 论

（1）分别以生物柴油和0号柴油为燃料进行台架试验后，两者的缸套、活塞、活塞环、连杆、连杆轴瓦、凸轮轴、喷油泵等部件的磨损量均未超过极限值，但生物柴油发动机主要部件的磨损程度略小于0号柴油发动机。

（2）通过对缸套、活塞环等部件的形貌进行分析，发现由于生物柴油自身黏度高，且具有一定的润滑性能，使得其更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而起到抗磨、减摩作用。

［1］ Janaun J，Ellis N．Perspectives on biodiesel as a sustainable fuel［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（4）：1312-1320

［2］ 闵恩泽．发展我国生物柴油产业的探讨［J］．当代石油石化，2005，13（11）：8-10

［3］ Talebian-Kiakalaieh A，Amin N A S，Mazaheri H．A review on novel processes of biodiesel production from waste cooking oil［J］．Applied Energy，2013，104：683-710

［4］ Salvi B L，Panwar N L．Biodiesel resources and production technologies-A review［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（6）：3680-3689

［5］ Atabani A E，Silitonga A S．A comprehensive review on biodiesel as an alternative energy resource and its characteristics［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（4）：2070-2093

［6］ Fazal M A，Haseeb A S，Masjuki H H．Biodiesel feasibility study：An evaluation of material compatibility；performance；emission and engine durability［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15（2）：1314-1324

［7］ 尹文杰，米林．柴油机燃用生物柴油的经济性与排放特性试验研究［J］．内燃机与动力装置，2010（3）：15-17

［8］ Hoekman S K，Broch A，Robbins C．Review of biodiesel composition，properties，and specifications［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（1）：143-169

［9］ Mohammed E K，Medhat A N．Studying the effect of compression ratio on an engine fueled with waste oil produced biodiesel/diesel fuel［J］．Alexandria Engineering Journal，2013，52（1）：1-11

［10］Atadashi I M，Aroua M K，Abdul A A．High quality biodiesel and its diesel engine application：A review［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（7）：1999-2008

［11］许汉立．内燃机润滑与用油［M］．北京：中国石化出版社，1997：105

［12］Blachburn J H，Pinchin R，Nobre J T，et al．Performance of lubricating oils in vegetable oil ester-fuelled diesel engines［C］．SAE Paper 831355

［13］吴江，陈波水，方建华，等．生物柴油的润滑性及机理研究［C］//2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集，Chongqing，China：Scientific Research Publishing，2011：338-342

［14］Muñoz M，Moreno F，MonnéC，et al．Biodiesel improves lubricity of new low sulphur diesel fuels［J］．Renewable Energy，2011，36（11）：2918-2924