元素分析法判斷是否有滑油進入發動機燃燒系統的可行性研究

施 雯，夏 林

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙 410000）

航空發動機的油路系統主要包含燃油系統、滑油系統和液壓油系統。發動機處于正常工作時，燃油系統、潤滑油系統和液壓油系統是彼此隔離的，但如果各油路系統間密封器件等出現故障時，三大系統彼此的物理隔離會被打破，從而發生串油現象。其中最普遍的是燃油系統與滑油系統的互串[1-2]。當燃油串入滑油系統時，可通過發動機油箱有無異常上漲、潤滑油中是否有燃油的氣味等進行初步的判斷，再將油液送至理化實驗室使用閃點法[3]、黏度法、紅外光譜分析法[4]等來判斷串油的情況。當滑油串入燃油系統時，情況就要復雜得多，因為串入的滑油可能會直接進入燃燒室燒掉，目前只能通過滑油的消耗量以及發動機各部件上是否有滑油油跡來初步判斷是否有滑油進入燃油系統[5]。

近日，我所某型號發動機在試車過程中發現滑油消耗量猛增，但找不到滑油泄漏的痕跡，發動機研制人員懷疑是滑油進入了燃燒室參與了燃燒，但找不到證據。理論上，可以通過檢測發動機尾氣雜質成分來確定是否有燃油參與燃燒。但在前期調研中發現，目前航空發動機尾氣檢測主要是通過檢測尾氣中CO 和NO等的含量來分析發動機的燃燒效率以及尾氣對環境的影響[6]，尚無有效的檢測發動機尾氣其他雜質成分的方法。

燃油和滑油都為石油產品，最主要的元素都為C和H，其元素組成最大的區別就體現在它們分別加入的添加劑中。目前，國內外潤滑油添加劑種類主要有含硫、磷和氯類的添加劑，含有有機金屬鹽、硼酸鹽類和稀土類的添加劑等，其中最主流的為含硫、磷和氯類的添加劑。常用的含磷添加劑主要有：酸性亞磷酸二丁酯、磷酸三甲酚酯、硫代磷酸酯、磷酸酯和酸性磷酸酯胺鹽，其中用得最多的是有機磷酸酯[7]。RP-3航空煤油的添加劑中含有少量的硫元素，不含磷元素[8]。添加劑中的磷元素在高溫下會分解出磷的含氧酸[9]，硫元素會分解成硫的氧化物。

本文以滑油與燃油的混合油樣為研究對象，用氧彈量熱儀的氧彈來模擬燃燒，并對燃燒產物進行收集，再對收集液進行70余種元素的光譜分析，篩選能反映混合油樣中滑油含量的特征元素，為元素分析法判斷是否有滑油進入發動機燃燒系統提供可行性依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在RP-3航空煤油中加入不同質量的滑油，用氧彈量熱儀進行燃燒，并對燃燒產生的氣體用溶液進行收集，再對收集液用ICP-OES進行元素分析，最后找出元素測試強度與加入滑油質量具有線性關系的特征元素。

1.2 實驗藥品與儀器

氫氧化鈉吸收液：5g/L；純水吸收液。

RP-3燃油，4050滑油，555滑油，飛馬Ⅱ號滑油。

IKA C6000量熱儀，PE Avio 500 ICP-OES。

1.3 實驗方法

1.3.1 混合油樣的配置

稱取一定質量的4050滑油加入一定質量的RP-3燃油中，配制6個樣，如表1所示。

表1 混合油樣的配置

1.3.2 吸收液的選擇

因為燃油燃燒的產物主要為CO2，H2O，SO2，NO化合物等酸性氣體，所以一般用水或堿溶液作為吸收液。

對6號混合油樣用氧彈量熱儀進行燃燒，分別用5g/L的氫氧化鈉溶液和純水溶液進行吸收，用ICPOES進行多元素測定，選擇強度較高的雜質元素來對比，最后確定吸收液。

1.3.3 特征元素的選擇

按表2稱取一定質量的1～6號混合油樣分別進行燃燒，并收集燃燒產物。將收集液定容50mL，用ICP-OES對76種元素，分別選擇一條推薦譜線，進行測試。選擇出元素強度與加入滑油質量具有線性關系的特征元素。

表2 混油的稱取

1.3.4 特征元素譜線的選擇

對特征元素的所有特征譜線進行測試，選擇出線性最好，強度最高的譜線。

2 結果與討論

2.1 吸收液的選擇

通過測試，發現Si、P、S、Mo等雜質元素具有較高的強度，測試結果如表3所示。

表3 不同吸收液元素強度對照表

從表3可以看出，選擇NaOH吸收液時，Si、P、S元素具有更高的強度，Mo元素差別不大，所以選擇NaOH作為吸收液。

2.2 特征元素的選擇

吸收液中各元素強度與加入4050滑油質量的關系圖如圖1所示。

圖1 各元素強度與加入4050滑油質量的關系

通過圖1可以看出，P、Mo、I等都具有較好的線性，其中P元素的線性相關系數最好，到達了0.999以上。故可以選擇P元素作為特征元素。

2.3 特征元素譜線的選擇

P元素各特征譜線強度與加入4050滑油質量的關系如圖2所示。

圖2 P元素各特征譜線強度與加入4050滑油質量的關系

通過圖2可以看出，P元素在213.617nm譜線處強度最高，線性最好。

3 結論

采用同樣的方法對常用的555滑油、飛馬Ⅱ號滑油等做了同樣的試驗，P元素在213.617nm譜線處的強度與混合油樣中滑油質量含量都有非常好的線性關系。

結果表明，可以通過發動機尾氣中P元素的測試來判斷是否有滑油參與燃燒以及計算出參與燃燒滑油的質量。