乙醇對柴油發動機燃油系統中T2的腐蝕性能研究

李立琳，陳丹，秦先鋒，孔垂展，張紅松

(河南工程學院機械工程學院，河南 鄭州 451191)

含氧燃料部分或者全部代替礦物燃油，可降低發動機燃燒污染物排放[1-2]。含氧燃料中的乙醇在汽油機上得到廣泛的應用[3-5]，在柴油機上仍處于研究推廣階段。乙醇和礦物燃油混合，會使礦物燃油的成分發生變化[6-7]，從而對燃油系統中金屬部件耐腐蝕性能產生顯著影響[8]。

發動機燃油系統中金屬部件要具有耐高溫、耐腐蝕及良好的力學性能，其中以銅及其合金為材料的金屬部件在燃油系統中應用較多，其在乙醇-礦物燃油作用下的抗腐蝕性能倍受關注。Baena[9]等考察了不同比例乙醇汽油對汽車金屬材料的腐蝕，評價了金屬的電化學腐蝕行為。Aperador[10]和Boniatti[11]等把鋁合金浸泡在不同比例的汽油和乙醇的混合物中，考察乙醇對鋁合金的腐蝕行為，結果發現乙醇比例增加，腐蝕加重。Fazal等[12]的研究結果表明，乙醇在金屬表面發生的腐蝕主要是電化學腐蝕。這說明乙醇和礦物燃油混合使礦物燃油的成分發生變化，有利于金屬氧化物的生成，增大了金屬腐蝕溶脹的速率。

由于乙醇和柴油的理化特性不同[13]，乙醇對柴油機燃油系統金屬部件的腐蝕可能存在差異。本研究選用乙醇和0號柴油(我國應用最多)，以柴油機燃油系統中的T2銅金屬為對象，在常溫下采用浸泡的方法，考察單一燃料理化特性對T2的腐蝕情況。探究乙醇對柴油機燃油系統中銅金屬合金的腐蝕機理及規律，為改善柴油機燃油系統中銅金屬材料部件的抗腐蝕性能提供理論與數據支持。

1 試驗材料與方法

浸泡溶液選用乙醇(分析純)和0號柴油。金屬為T2純銅，規格為圓柱體(直徑D=10 mm，高度H=10 mm)，試樣表面磨平、拋光，腐蝕前后用去離子水沖洗。T2成分見表1。參照GB/T 5096《石油產品銅片腐蝕試驗法》和GB/T 10124—88《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》的試驗方法，常溫浸泡試樣，浸泡周期為1 440 h，密封保存。采用JA2003電子微量分析天平測量試樣質量。利用FEI Quanta250FEG掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌，分析腐蝕產物成分。

表1 T2元素質量分數

試樣的耐腐蝕性能通過動電位極化曲線分析得到。采用辰華CHI660A電化學工作站測試，測試時采用三電極體系，其中工作電極為腐蝕后T2試樣，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，鉑片為輔助電極。腐蝕性溶液為3.5%NaCl溶液，電位掃描范圍為-300～300 mV(相對EOCP)，掃描速率為1 mV/s。

2 試驗結果與分析

2.1 腐蝕前后的T2宏觀形貌

圖1示出T2的宏觀形貌。從圖1可以看出，經過1 440 h浸泡，柴油中T2顏色稍微變化；乙醇中T2顏色變黑，其表面已沒有金屬光澤，試樣表面析出一些腐蝕物，腐蝕較嚴重。

圖1 腐蝕前后T2宏觀形貌

2.2 腐蝕前后的T2微觀形貌

圖2示出T2腐蝕前后SEM圖片對照，圖2a為腐蝕前試樣，圖2b、圖2c分別為T2經柴油和乙醇腐蝕后微觀形貌。從圖中可以看出，被柴油、乙醇浸泡1 440 h后，試樣的表面形貌發生了一定的變化。從圖2b可以看出，被柴油腐蝕后，試樣表面有少量的突起，進一步放大觀察(見圖2e)，可見表面出現了少量顆粒物。從圖2c可以看出，經乙醇腐蝕后，試樣表面出現了少量索狀物，呈現出溝壑與突起，進一步放大觀察(見圖2f)，可以看到試樣表面出現了樹枝狀組織，呈層片狀疊加。這說明T2在乙醇中發生了化學反應，腐蝕較為嚴重。

圖2 腐蝕前后T2的SEM圖片對比

2.3 金屬表面元素測定

選定試樣表面某一區域析出產物，與原樣對比，分析析出產物中Cu、C和O元素的質量分數(見圖3)。從圖3可以看出，腐蝕前試樣含有少量C、O，這可能是T2與有機物接觸的原因。腐蝕前，T2中Cu、C、O質量分數為97.8%，0.1%，2.1%，被柴油腐蝕后T2中Cu、C和O的質量分數分別為91%，1.6%和7.4%，被乙醇腐蝕后T2中Cu、C和O的含量分別為78%，5.1%和16.9%。比較乙醇腐蝕后析出產物中C、O的質量分數，發現C、O質量分數分別是柴油的3.2倍和2.3倍，乙醇中C、O質量分數增加明顯。這表明在浸泡過程中，乙醇中更多的C、O元素與T2反應，生成Cu的氧化物及C、O的化合物，Cu的化合物有可能進一步和溶液中的有機物發生反應。

圖3 T2的Cu、C和O質量分數

2.4 腐蝕機理分析

可根據下式計算浸泡1 440 h后乙醇和柴油對T2的腐蝕速率(見圖4)：

圖4 乙醇和柴油腐蝕速率對比

V=k(W1-W2)/(Ftγ)。

式中：V為紫銅的腐蝕速率；W1為紫銅腐蝕前的質量；W2為腐蝕并經除去腐蝕產物后紫銅的質量；k為所采用單位的常數，取87.6；F為試片的表面積；t為受腐蝕的時間；γ為金屬的密度，為8.92 g/cm3。

圖5 腐蝕前后0號柴油溶液的變化

圖6 腐蝕前后乙醇溶液的變化

2.5 電化學分析

采用動電位極化曲線對浸泡之后的T2試樣進行評價，動電位極化曲線測試結果見圖7。由圖7可以看出，乙醇浸泡后T2試樣的自腐蝕電位明顯負移，表明乙醇浸泡后的T2較易發生腐蝕。同時可觀察到陽極和陰極支的腐蝕電流均增加，由動電位極化得到相關電化學參數——自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Jcorr)，結果列于表2中。

圖7 腐蝕后T2動電位極化曲線

表2 極化曲線中參數的變化

由表2可知，乙醇浸泡后電極表面自腐蝕電位由-0.235 7 V正移至柴油浸泡的-0.215 5 V，表明經乙醇浸泡后的T2抗腐蝕性能較差，并且自腐蝕電流密度減小了約2個數量級，由4.08×10-4A/cm2減小至6.61×10-6A/cm2。根據自腐蝕電流密度與腐蝕速率的正比關系[14]可知，經乙醇浸泡后T2電極的腐蝕速率顯著升高。這與圖4、圖5和圖6的結論一致。

3 結論

a)從腐蝕前后T2的宏觀和微觀形貌可以看出，被柴油腐蝕后，試樣表面有少量顆粒物析出，被乙醇腐蝕后，試樣表面顏色變黑，失去金屬光澤，出現了樹枝狀組織，呈層片狀疊加；

b)腐蝕前后金屬表面元素變化存在差異；腐蝕前，T2中Cu、C、O質量分數為97.8%，0.1%，2.1%，柴油腐蝕后T2中Cu、C和O的質量分數分別為91%，1.6%和7.4%，乙醇腐蝕后T2中Cu、C和O的含量分別為78%，5.1%和16.9%；乙醇腐蝕后T2中C、O質量分數增加高于柴油，說明乙醇中T2腐蝕速率明顯大于柴油；

c)浸泡前后柴油溶液顏色變化不明顯，乙醇溶液由無色變成了淺綠色，說明乙醇對T2的腐蝕較嚴重，這與電化學測量結果一致；

d)與柴油相比，乙醇對燃油系統中T2金屬的腐蝕明顯，燃用添加乙醇的礦物燃油時必須考慮燃油系統中金屬的抗腐蝕性能。