燃油稀释对柴油机油摩擦学性能的影响

时间：2024-05-19

李小刚，王爱香，李旭

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州 730060)

0 引言

目前，市场上的涡轮增压及缸内直喷柴油机普遍存在着不同程度的燃油稀释情况。燃油稀释是指燃烧不完全的燃油穿过活塞环进入曲轴箱而污染机油，这一现象会导致发动机润滑油性能降低，进而影响发动机润滑油的摩擦学性能[1]。燃油稀释降低油膜强度，润滑油的密封能力和清洁能力，还将引起润滑油黏度、闪点下降，影响其润滑性能，造成柴油机磨损加剧[2]。

目前，燃油稀释的问题已受到各大OEM的关注。也有各大学者对燃油稀释的问题做了相关研究，之前有邓广勇等研究了柴油燃料对城市公交用润滑油稀释后的黏度变化以及对发动机磨损性能的影响[3]，研究结果表明燃油稀释会对发动机润滑油造成黏度下降，磨损增加的影响。Zdrodowski等研究了燃油对柴油发动机润滑油稀释后性能的影响[4]，结果表明燃油稀释导致发动机润滑油黏度下降，产生腐蚀磨损，并且在摩擦过程中表面会产生摩擦反应膜。综上所述，目前在燃油稀释引起发动机磨损方面的研究大都以行车试验以及台架试验为主，而从模拟试验角度研究缸套-活塞环因燃油稀释引起的摩擦学性能方面的报道少之又少。

本文主要介绍了在SRV®4型摩擦磨损试验机上，以OEM发动机缸套-活塞环截取件为摩擦副试验件，以昆仑CJ-4、其他品牌润滑油以及对以上油品经过不同比例燃油稀释后的润滑油为润滑介质，研究发动机缸套-活塞环的摩擦学性能。

1 SRV®4型摩擦磨损试验机简介

德国OPTIMOL公司研制开发的SRV®4型摩擦磨损试验机是一款功能多，测试手段全，能较为真实地模拟多种台架试验，且具有较高自动化程度的摩擦磨损试验机。试验机在国内、外科研院所，高校及润滑油行业的研究领域中得到了广泛的应用。在实际应用方面，试验机具有专门用于模拟内燃机缸套-活塞环的摩擦副，在模拟内燃机油及齿轮油的减摩/节能试验中发挥了较大作用。SRV®4型摩擦磨损试验机控制参数如表1所示，试验机及摩擦副示意图见图1。

图1 SRV®4型摩擦磨损试验机及摩擦副

2 模拟试验方法研究

目前，柴油发动机润滑油缸套-活塞环摩擦学性能大都以台架试验研究为主，但是台架试验周期长(比如本文研究模拟的台架试验周期长达800 h)、耗资成本较大，因此模拟试验成为台架试验筛选的重要途径。

应OEM发动机制造厂家需求，兰州润滑油研究开发中心与OEM发动机制造厂就柴油机油在发动机缸-环模拟工况下摩擦学性能研究方面达成合作共识。以兰州润滑油研究开发中心拥有的SRV®4型摩擦磨损试验机为试验平台，应用OEM发动机缸套-活塞环截取件为摩擦副试验件，模拟OEM发动机800 h耐久性试验缸套磨损深度建立模拟试验方法。

2.1 润滑介质介绍

为了能更好地建立模拟试验和台架试验的相关性，选取OEM发动机800 h耐久性试验用油(参比油A)和不同品牌的参比油B作为润滑介质，两种油品都属于CJ-4级别的油品，其质量指标如表2所示，参比油A、B理化分析结果如表3所示。

表2 CJ-4油品质量指标

表3 参比油A、B理化分析结果

2.2 模拟试验条件确定

根据OEM发动机800 h耐久性试验的工况，通过与SRV®4型摩擦磨损试验机运行参数进行对比换算，我们研究确定SRV®4型摩擦磨损试验机模拟试验条件如表4所示，参比油试验结果如图2所示，图3、图4为参比油缸套磨损三维形貌图。

表4 SRV®4型摩擦磨损试验机模拟试验条件

图2 参比油A、B摩擦系数对比

图3 参比油A缸套磨损三维形貌

图4 参比油B缸套磨损三维形貌

在确定的模拟试验条件下，使用OEM发动机800 h耐久性试验用油作为模拟试验研究的参比油，以部件代替整件的方式进行模拟试验。模拟试验结果显示其缸套磨损深度和台架试验结果具有较好的对应性，也从摩擦系数以及缸套磨损深度三维形貌上对参比油进行了很好的区分，同时该模拟试验方法得到了OEM的认可，并为其油品筛选提供一定的技术支持。

3 不同比例燃油稀释对柴油机油润滑性能的影响

之前有学者研究过，随着发动机油中所含燃油比例的增大，润滑油的高低温黏度及低温泵送黏度均呈现下降趋势，并且燃油对润滑油黏度的影响是温度越低，影响越大[5]。而润滑油的黏度又是摩擦副间形成油膜的关键因素，如果发动机摩擦副间润滑不良会直接影响发动机的正常工作。因此，发动机油燃油稀释的问题引起了各大OEM高度关注。

发动机中工况最苛刻的区域之一就属于缸套-活塞环区域，因为缸套-活塞环区域的润滑是边界混合润滑状态。在已建立的模拟试验方法的基础上，对参比油A、B进行一定比例柴油稀释后研究其缸套-活塞环的抗磨损性能，其中对参比油选取的燃油稀释比例参考OEM发动机耐久性试验过程中不同时期采样分析得到的比列。参比油A、B分别加入3%、5%、8%及12%的柴油进行SRV缸套-活塞环模拟试验，试验结果如图5、图6所示，参比油加入12%柴油缸套磨损三维形貌图如图7、图8所示。

图5 参比油A不同比例柴油稀释后试验结果

图6 参比油B不同比例柴油稀释后试验结果

图7 参比油A+12%柴油缸套磨损三维形貌

图8 参比油B+12%柴油缸套磨损三维形貌

图5～图8说明了参比油A、B经过一定比例柴油稀释后的SRV缸套-活塞环试验摩擦系数对比以及典型的参比油A+12%柴油、参比油B+12%柴油后的缸套磨损三维形貌对比。表5、表6以缸套-活塞环的总失重来说明模拟试验和台架试验的对应性及不同配方体系的柴油机油经柴油稀释后对发动机缸套-活塞环的摩擦学性能的影响。

表5 参比油A不同比例柴油稀释后磨损结果

表6 参比油B不同比例柴油稀释后磨损结果

从表5、表6结果可以看到参比油A经一定比例的燃油稀释后，摩擦系数有降低的现象，同时缸套磨损量以及磨损深度有增大的趋势。参比油B经不同比例燃油稀释后，随着燃油稀释比例的增大，摩擦系数基本无变化，同时缸套磨损量及磨损深度也变化不大。

这说明燃油稀释对柴油机油缸套-活塞环摩擦学性能的影响在边界混合润滑状态下和柴油机油自身的配方体系有关系。参比油A的抗磨损性能在未经燃油稀释前就较参比油B弱，同时参比油A经不同比例燃油稀释后，虽然表观上降低了摩擦系数，但是缸套-活塞环的磨损量及缸套磨损深度较未稀释前严重，因此燃油稀释不同程度上会降低油品的抗磨性能；而参比油B在经一定比例的柴油稀释后，其摩擦系数、缸套-活塞环的磨损量及缸套磨损深度变化不大，油品的抗磨性能并没有因燃油的稀释而受到影响，仍能表现出优良的抗磨性能。