發動機不同噴油時刻下煙炱對磨損的影響

楊國峰 ，張恩興，銀增輝，湛日景，郝 婧，林 赫

(1. 上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240；2. 中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108；3. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

日趨嚴格的排放法規使得發動機技術需持續更新來滿足最新的排放要求．廢氣再循環、延遲噴射等多項技術的使用導致了煙炱含量增加[1]．煙炱通常含有碳和少量的氧、氫、氮、硫和微量金屬元素，通過透射電子顯微鏡(TEM)觀察到的初生顆粒尺寸及團聚體尺寸分別為20～80 nm 和100～300 nm[2]．煙炱的聚集對發動機潤滑油的使用壽命和抗磨、減摩性能均產生不利影響，嚴重情況會導致發動機潤滑油濾芯堵塞、缸套-活塞環等摩擦副產生異常磨損[3-6]．

Green 等[7]、Uy 等[8]對煙炱的化學性能和結構特征進行研究，結果表明：煙炱顆粒的極性和硬度對發動機磨損有顯著影響．Nagai 等[9]對煙炱含量和油膜進行研究，發現改進油品配方能夠有效降低發動機磨損．Fujita 等[10]研究了煙炱顆粒對油膜的影響，發現煙炱顆粒會減少摩擦副表面油膜厚度，且對摩擦影響較大．George 等[11]研究了煙炱顆粒對磨損的影響，并比較了氧化鋁和煙炱的磨痕差異．

目前，關于碳黑或排氣管排放的碳煙對發動機潤滑油影響的研究較多，對上述煙炱模擬物的磨損機理已有一定的研究基礎，但發動機潤滑油中所含的煙炱與排氣管排放的碳煙或工業碳黑在結構和組成上有一定的區別[12]．碳黑或尾氣碳煙對發動機潤滑油中煙炱污染的模擬程度有限．

基于已有碳黑或煙炱對磨損影響的相關研究，筆者對發動機不同噴油時刻下潤滑油中的煙炱進行分離提取，研究煙炱性質對磨損性能的影響，分析影響磨損的因素，明確煙炱顆粒特性、顆粒物尺寸及煙炱含氧量等對磨損的影響，以期揭示煙炱特性與磨損之間的內在關聯性．

1 試驗裝置與方法

1.1 煙炱的制備和收集

采用高壓直噴、排量為12.5 L 的國產某型國V發動機進行試驗，測試了不同噴油時刻對煙炱性質的影響．發動機潤滑油理化性能和主要技術參數分別見表1 和表2，主要測試設備見表3，發動機臺架及主要測試設備示意見圖1．

圖1 發動機臺架及主要測試設備示意Fig.1 Schematic of engine bench and main test equipment

表1 發動機潤滑油理化性能Tab.1 Physical and chemical properties of engine oils

表2 發動機主要技術參數Tab.2 Engine specifications

表3 主要測試設備Tab.3 Main test equipments

圖2 為發動機外特性初始煙度．由于發動機原機排放中煙度較低，不足以產生較多的顆粒物，因而需對發動機噴油正時進行調整，進而增大發動機潤滑油中煙炱的生成速率．在發動機運行過程中，測量了外特性運行下的煙度，得出標定轉速為1 900 r/min 時的煙度最高(0.027 m-1)，筆者選定轉速為1 900 r/min時的噴油正時進行調整．

圖2 發動機外特性初始煙度Fig.2 Initial smoke of engine external characteristics

圖3為不同噴油時刻下不透光煙度對比．隨著發動機噴油正時從-7°、-1°、+1°和+3°CA ATDC(“-”為上止點前，“+”為上止點后)逐漸推遲到+5°CA ATDC，原始排放中的不透光煙度從0.027 m-1增大至0.100 m-1．這是由于隨著噴油正時的推遲，發動機缸內油、氣混合程度降低，后燃部分增多，使燃油燃燒不充分而產生的原始碳煙增多．

圖3 不同噴油時刻下不透光煙度對比Fig.3 Comparison of opaque smoke at different injection times

發動機潤滑油中煙炱增長率為0.003%/h，噴油時刻延長至-1°、1°、3°和5°CA ATDC 時煙炱增長率分別為0.03、0.043、0.11 及0.14%/h，相對初始時刻分別增長10.0、14.3、36.7 和46.7 倍．4 種延遲噴油策略均能從數量級上實現煙炱含量的快速增長．

圖4 為不同噴油時刻下煙炱增長率和渦后排氣溫度．隨著發動機噴油正時的不斷后移，燃油后燃部分增多，后燃的燃料導致各缸排氣溫度和渦后排氣溫度均有較大程度地增加．尤其是在＋5°CA 和＋3°CA 時，渦輪增壓器后排氣溫度接近640 ℃，各缸排氣溫度均超過700 ℃，使進/排氣門和增壓器等零件長時間處于高溫狀態下，極易損壞，發動機無法實現100 h 的長期運行．

圖4 不同噴油時刻下煙炱增長率和渦后排氣溫度Fig.4 Soot growth rate and temperature after vortex at different injection times

為保證試驗運行的穩定性，噴油策略的選擇上要平衡煙炱增長率和排氣溫度，試驗選取-1°CA ATDC和1°CA ATDC 兩種噴油策略作為研究工況．在兩種工況下，發動機運行100 h，并間隔5 h 進行發動機潤滑油樣品取樣．

100 h 試驗期間的煙炱含量增長率均呈線性增加，其中噴油時刻為1°CA ATDC 下增長率明顯高于噴油時刻為-1°CA ATDC 下的增長率，如圖5 所示．

100 h 試驗結束后，分別從柴油發動機潤滑油底殼收集兩種含煙炱的發動機潤滑油，通過稀釋離心法得到標記為-1°CA ATDC 和1°CA ATDC 的不含可溶性有機組分(SOF)的純煙炱顆粒[13-14]．對含煙炱的發動機潤滑油通過稀釋離心法提取煙炱，按稀釋、離心、提純、提取、風干和研磨等步驟進行，可以最大程度地獲得純煙炱顆粒，且對煙炱性質的影響較小[15]，提取的煙炱用于性能分析和磨損試驗．

1.2 煙炱特性分析設備

筆者對發動機潤滑油的煙炱含量、四球試驗的磨斑直徑、磨損鋼球的微觀形貌、煙炱顆粒結構、石墨化程度、官能團及元素含量進行了測量和表征．主要測試設備見表3．

利用加速電壓為200 kV、像點分辨率為0.19 nm的透射電子顯微鏡(JEM-2100F)對煙炱顆粒的形貌和納米結構進行了表征，得到了兩種放大后的圖像．用放大倍率為20 000 的圖像研究基本煙炱顆粒的形貌和直徑，用放大倍率為400 000 的圖像研究基本煙炱顆粒的納米結構，包括微晶長度．采用光譜分辨率為5 cm-1、光譜范圍為3 500 ～400 cm-1的顯微拉曼光譜儀(LabRam HR evolution)，在激光發射波長為532 nm、激光功率控制為5～6 mW 且光斑直徑為1.2μm 下研究了煙炱的石墨化程度．將煙炱顆粒與濃度為0.5%的溴化鉀(KBr)細粉混合后壓片用于制備紅外光譜測定的煙炱樣品．采用采集光譜范圍為 4 000 ～400 cm-1的傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，在光譜分辨率為4 cm-1、孔徑為6 mm 下掃描120 次，對煙炱表面官能團的種類和含量進行分析．利用X 射線光電子能譜技術(XPS)研究煙炱顆粒的表面元素組成和含氧官能團．試驗過程中，全譜掃描能量范圍為0～1 200 eV，掃描步長為1 eV，穿透能量為80 eV．采用OMNIC 軟件包(Thermo Nicolet)對煙炱顆粒進行基線校正和平滑后的吸收光譜分析．每個煙炱樣品采集3 組拉曼、FTIR 和XPS 光譜，并對處理結果取平均值，以減小誤差．

1.3 摩擦試驗及磨損形貌觀察設備

采用四球摩擦試驗機(Ms-10A)對油樣的抗磨損性能進行測試．每個試驗油樣在轉速為1 200 r/min、負載為40 kg 下運行60 min．試驗溫度設為100 ℃，以模擬發動機正常工作時的油溫．試驗所用鋼球符合GB/T 308.1—2013《滾動軸承 球 第1 部分：鋼球》要求，鋼球直徑為 12.7 mm，硬度(HRC)為(63±2)．每次試驗結束后，以3 個下鋼球的磨痕直徑(WSD)作為試驗結果．采用JSM-6490LV 鎢絲掃描電子顯微電鏡(SEM)，設掃描電鏡的放大系數為500、加速電壓為30 kV 且點分辨率為3 nm，觀察鋼球磨損區形貌．

2 結果與討論

2.1 不同噴油時刻對發動機摩擦學特性的影響

對噴油時刻為-1°CA ATDC 和1°CA ATDC 時所得的油樣進行四球摩擦磨損試驗，并對試驗后的鋼球磨損表面進行SEM 表征分析[16]．

圖6 為不同噴油時刻下油樣磨斑直徑對比．新發動機潤滑油樣品及兩種噴油時刻下含煙炱發動機潤滑油樣品在四球摩擦磨損試驗儀運行后，磨斑直徑隨運行時長的增加呈上升-平緩-上升的趨勢．前20 h兩種工況由于煙炱含量較低，在磨斑直徑上沒有明顯區分；20～100 h 過程中，低煙炱含量(噴油時刻為-1°CA ATDC)噴油發動機潤滑油樣品產生的磨斑直徑略大于高煙炱含量(噴油時刻為1°CA ATDC)噴油發動機潤滑油樣品．

圖6 不同噴油時刻下油樣磨斑直徑對比Fig.6 Comparison of wear spot diameters of oil samples at different injection times

圖7 分別示出噴油時刻為 1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、運行不同時間的小鋼球磨損區域形貌．可以發現，兩種磨損區域面積都隨運行時長的增大而增大．新油樣時只存在少量塑性變形(1.28%)，運行至20 h 時主要磨損形式為磨粒磨損，發動機潤滑油膜完整，并未出現點蝕(黃色)，噴油時刻為1°CA ATDC 和-1°CA ATDC 時塑性變形區域(紅色)分別為4.13%、3.47%；運行至100 h 時，潤滑油油膜出現缺失并出現點蝕，噴油時刻為1°CA ATDC 和-1°CA ATDC 時點蝕磨損分別為1.78%、2.03%，塑性變形區域均為9.33%．

圖7 不同噴油時刻油樣的磨損鋼球形貌分析Fig.7 Analysis of worn steel ball morphology of oil samples at different injection times

噴油時刻為1°CA ATDC、運行100 h 階段相比-1°CA ATDC 生成了較多的煙炱，但是發動機潤滑油樣品的磨斑直徑略小于噴油時刻為-1°CA ATDC．對運行20 h 和100 h 的四球試驗磨損鋼球進行SEM 表征分析時，二者塑性變形面積接近，點蝕磨損面積在噴油時刻為-1°CA ATDC 時略大．可知，不同噴油時刻燃燒形成的煙炱顆粒特性對發動機磨損有重要影響，但煙炱含量并不是影響發動機磨損的唯一因素．

2.2 不同噴油時刻對煙炱顆粒物理特性的影響

圖8 示出噴油時刻為1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、運行20 h 和100 h 時的煙炱顆粒物典型形貌．可知，基本碳粒子均呈堆積狀態，且整體堆疊程度隨運行時長增大而更加明顯，團聚態顆粒團簇大小和基本碳粒子數目也都明顯增大；但在相同運行時長下，噴油時刻為-1°CA ATDC 時產生煙炱顆粒的團聚體明顯更大，更容易破壞潤滑油膜形成干摩擦．

圖8 不同噴油時刻微粒典型形貌Fig.8 Typical morphology of particles at different injection times

圖9 示出噴油時刻為1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、運行時間為20 h 和100 h 條件下的煙炱顆粒物典型結構．微觀結構中，不同噴油時刻的油樣中基本碳粒子納觀結構呈現單核的結構，粒徑隨運行時長增加而不斷減小．相對比，噴油時刻為-1°CA ATDC下的油樣中顆粒物更大，表面較為清晰，微晶彎曲度更低．不同顆粒之間團聚更易形成較大的煙炱顆粒團聚體[17]．

圖9 不同噴油時刻微粒典型結構Fig.9 Typical structure of particles at different injection times

圖10 為不同噴油時刻微晶長度對比．隨著運行時長增加，噴油時刻為-1°CA ATDC 和1°CA ATDC下發動機潤滑油中煙炱各特性參數變化規律一致，發動機潤滑油中煙炱含量不斷上升，且噴油時刻為-1°CA ATDC 的微晶長度更大一些．

圖11為不同噴油時刻的基本碳顆粒平均粒徑對比．在相同運行時長下，噴油時刻為-1°CA ATDC 的油樣中煙炱含量更少，煙炱粒子平均粒徑更大且顆粒物石墨化程度更高．在油膜厚度方向上，更大的煙炱顆粒會導致潤滑油流動的阻礙能力更強，也更容易突出油膜形成干摩擦．由于噴油時刻較早，煙炱在缸內生長時間更長，導致其基本碳粒子尺寸更大，結構更加成熟有序．燃燒后形成的碳粒子通過缸套-活塞環進入發動機潤滑油中形成煙炱，并對發動機產生持續磨損[18]．

圖11 不同噴油時刻的基本碳顆粒平均粒徑Fig.11 Average particle size of basic carbon particles at different injection times

2.3 不同噴油時刻對煙炱顆?；瘜W特性的影響

圖12為不同噴油時刻煙炱顆粒氧質量分數對比．不同噴油時刻下煙炱顆粒氧質量分數隨運行時長變化均較小，且噴油時刻為-1°CA ATDC 時氧質量分數顯著高于噴油時刻為1°CA ATDC．由于發動機內多數零部件均為鐵制品，摩擦潤滑時潤滑油膜中的高含氧顆粒會導致摩擦副點蝕電位加速移動，進而導致點蝕加?。涓叩难踬|量分數導致煙炱顆粒反應活性更高，磨損表面點蝕出現更多．

圖12 不同噴油時刻煙炱顆粒氧質量分數對比Fig.12 Comparison of soot particle oxygen mass fraction at different injection times

圖13 為不同噴油時刻下的煙炱顆粒雜化比sp3/sp2．sp3/sp2隨時間增大而逐漸降低，且在噴油時刻為-1°CA ATDC 時顯著低于噴油時刻為1°CA ATDC．生成的煙炱雜化比sp3/sp2更低，有序度更高，其石墨化程度較高；而氧質量分數更高，其反應活性更高，在磨損表面的點蝕面積也會越大[19]．

圖13 不同噴油時刻煙炱顆粒雜化比sp3/sp2Fig.13 Soot particles sp3/sp2 at different injection timies

圖14 為不同噴油時刻FTIR 原始光譜對比．結果表明，在噴油時刻為-1°CA ATDC 和1°CA ATDC時油樣之間差異明顯，但相同噴油時刻、不同運行時間下油樣數值差異性較小．

圖14 不同噴油時刻FTIR原始光譜Fig.14 FTIR original spectrogram at different injection times

圖15為不同工況下油樣中煙炱表面CO 和CH官能團含量．隨著運行時長增加，不同噴油時刻油樣煙炱表面各官能團含量均在小范圍內波動．在相同運行時間下，噴油時刻為-1°CA ATDC 下煙炱表面氧含量更高，其表面含氧官能團含量更高，同時脂肪族CH 官能團含量也相對較高，但由于噴油時刻為-1°CA ATDC 下燃燒時間比噴油時刻為1°CA ATDC時更長，煙炱更加成熟，其芳香族CH 官能團含量明顯更低．CH 官能團通過影響煙炱顆粒氧化活性，進而對潤滑分散性產生影響[20]．整體來看，噴油時刻為-1°CA ATDC 時煙炱顆粒在發動機潤滑油中的分散性較差．

圖15 不同工況下油樣中煙炱表面CO和CH官能團含量Fig.15 Content of CO and CH functional groups on the surface of soot in oil samples under different operating conditions

圖16 為不同元素在潤滑油煙炱顆粒中原始能譜變化．以噴油時刻為1°CA ATDC、運行時間為100 h油樣的變化過程為例，表明煙炱顆粒中有Ca、Zn、S和P 元素等．

圖16 XPS原始能譜圖Fig.16 XPS raw energy spectrum

圖17 為不同工況下油樣中煙炱元素含量．對比不同噴油時刻油樣中煙炱表面添加劑元素含量發現，隨運行時長增加，噴油時刻為1°CA ATDC 時發動機潤滑油中煙炱表面各元素含量變化較小，噴油時刻為-1°CA ATDC 時煙炱Zn 元素和S 元素含量略有波動，Ca 元素和P 元素有上升趨勢．

圖17 不同工況下油樣中煙炱元素含量Fig.17 Element content of soot in oil samples under different operating conditions

在相同運行時長下，噴油時刻為-1°CA ATDC 的油樣中煙炱表面各添加劑元素含量均更高，其對發動機潤滑油添加劑的消耗更大，對Zn 元素和Ca 元素吸附能力更強，需要更多的分散劑才能保證其分散性．P 元素更高，說明潤滑油中的煙炱對摩擦化學膜的破壞作用更大，而噴油時刻為-1°CA ATDC 時對煙炱表面S 元素含量的影響沒有P 元素高，說明其團聚體還沒有對更貼近摩擦表面的含S 元素摩擦膜造成大量破壞，因而也沒有出現油膜缺失．

3 結 論

(1) 隨發動機運行時長的變化，潤滑油煙炱含量不斷上升，噴油時刻為-1°CA ATDC 時煙炱生成速率比噴油時刻為1°CA ATDC 慢，但相同運行時間下，噴油時刻為-1°CA ATDC 時的磨斑直徑大于噴油時刻為1°CA ATDC，說明煙炱含量不是影響磨損的唯一因素，煙炱顆粒特性對磨損也有重要影響．

(2) 相同運行時間下，噴油時刻為-1°CA ATDC相較噴油時刻為1°CA ATDC 時產生的煙炱在缸內生長時間更長，煙炱的團聚體、平均粒徑和微晶尺寸明顯更大，而層間距和微晶曲率更小，且煙炱顆粒物石墨化程度更高；部分顆粒物尺寸超出其油膜厚度是產生直接磨損的主要原因．

(3) 相同運行時間下，噴油時刻為-1°CA ATDC時產生的煙炱含氧量比1°CA ATDC 時更高，導致煙炱顆粒反應活性更高，磨損表面點蝕出現更多；煙炱表面各添加劑元素含量均更高，對發動機潤滑油添加劑的消耗更大，對Zn 和Ca 元素吸附能力更強，需更多的分散劑才能保證其分散性；煙炱表面P 元素更高則其對摩擦化學膜的破壞性更強，更易導致磨損．