铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究

铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究第28卷,第4期2007年7月中国铁道科学CHINARAILWAYSCIENCEVol_28No.4July,2007文章编号:lOOl一4632(2007)04007305铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究刘宏业,李卫东,王丹,张红,蔺利,邓石馥(铁道科学研究院金属及化学研究所,北京100081)摘要:烟炱颗粒团聚后形成的结构会使柴油机油的黏度快速增加,导致柴油机油报废.采用反射和透射扫描电镜对铁路柴油机油中的烟炱颗粒进行分析研究.研究表明:柴油机油中的多数烟炱颗粒都分布在2070nIn附近,团聚后形成烟炱结构一般都呈点状或短链状,在黏度大的油样中有少量的球状团聚;柴油机油的黏度与烟炱结构大小具有相关性,结构大的黏度也大;柴油机油中烟炱颗粒的主要成份为c,还含有少量0,Ca,S,以及微量Si,A1和P;烟炱颗粒的晶体结构具有很高的硬度;烟炱含量大于4的油品抗磨性能明显下降.关键词:柴油机油;烟炱;颗粒;扫描电镜;内燃机车中图分类号:U262.24文献标识码:A1柴油机油中烟炱颗粒大小在柴油机油保持正常黏度的前提下,CF-4,CGI广4和CH一4的MackT-8A,T_8,T-8E的柴油机台架试验,允许的烟炱量分别为2.0,3.8和4.8,CI-4(MackT_8E)烟炱量虽仍然为4.8,但指标比CH一4提高了3OoA1.烟炱微粒具有很高的表面自由能,在柴油机油中具有很强烈自发聚结热力学倾向,烟炱粒子团聚后形成的结构会使柴油机油的黏度快速增加,从而使柴油机油报废,而烟炱颗粒的存在还会使柴油机部件的磨损增加.通常采用反射扫描电镜和透射扫描电镜对铁路柴油机油中的烟炱颗粒进行分析和计数.1.1反射扫描电镜分析反射扫描电镜能直观观察油中烟炱颗粒的大小,形状和烟炱颗粒在油中的团聚情况.图1所示是目前使用的柴油机油(以下简称在用柴油机油)油样的反射扫描电镜照片.通过反射扫描电镜观察发现:烟炱颗粒在油中分散比较好,团聚呈点状或短链状,有少量球状团聚,颗粒尺寸比较均匀.1.2透射扫描电镜分析透射扫描电镜能反映单个烟炱颗粒的情况,能更加准确观察到单个烟炱颗粒的大小,图2所示是收稿日期:200607一O4;修订日期:20070211基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2003YF32)作者简介:刘宏业(1963一),男,山东昌邑人,副研究员.在用柴油机油油样的透射扫描电镜照片.图1油样的反射扫描电镜照片图2油样的透射扫描电镜照片74中国铁道科学第28卷1.3颗粒分布通过对上述在用柴油机油油样的反射扫描电镜和透射扫描电镜照片中的烟炱颗粒进行计数测量,得出反射扫描电镜和透射扫描电镜烟炱粒径分布情况,见图3,图4.粒径/nm图3反射扫描电镜烟炱粒径分布情况粒径/nm图4透射扫描电镜烟炱粒径分布情况分析图3可以看出,反射扫描电镜中烟炱单体粒径98以上分布在2O80nm之间;由图4透射扫描电镜可以看出烟炱单体粒径98以上分布在1380nn2之间.反射扫描电镜与透射扫描电镜结果接近,其中透射扫描电镜是透过烟炱颗粒来观察烟炱颗粒直径的,能更准确地反映烟炱单体颗粒的直径;反射扫描电镜的优点是既能测量烟炱单体颗粒的直径,又能观察烟炱的颗粒表面形貌和单体颗粒在油中团聚后烟炱结构的情况.1.4不同油品中烟炱颗粒的分布范围对2种分散剂和烟炱含量不同的A和B型在用柴油机油油样中烟炱颗粒的分布情况进行研究.研究中用反射扫描电镜对在用柴油机油油样中的烟炱颗粒的的表面情况进行观察,利用透射扫描电镜对烟炱颗粒大小分布情况进行测定.烟炱颗粒通过团聚形成烟炱结构,用纳米粒度分析仪对烟炱的结构分布情况进行测定,结果列于表1.表中颗粒粒度分布覆盖了98以上的颗粒.表1烟炱颗粒的分布情况由表1可以看出,绝大多数烟炱颗粒的直径都小于100nm,对不同的柴油机油,烟炱粒径略有差异,但大多数分布在2070nm附近.A油的3个油样的烟炱结构分布范围分别为200380nln,170220nm,20140nm,其对应的黏度分别是25.64,23.92,22.58IDA21?S一;由此可以看出,烟炱结构越小的油样其黏度也越小.B油的3个油样情况与之接近,黏度在21nXITI2?S左右的2个油样烟炱结构的分布范围接近,都明显大于黏度在17mm?S叫附近时对应的烟炱结构分布.因此柴油机油的黏度与在油中形成烟炱结构的大小具有相关性.利用反射扫描电镜观察得到上述6个油样烟炱颗粒结构一般都呈点状或短链状,在黏度超过21mn2.?s的油样中有少量的球状团聚.团聚后的结构变大,特别是球状团聚可能包含更多的柴油机油,明显增大了柴油机油流动时的内摩擦力,因此可能会使柴油机油黏度增加更多.在研制柴油机油时,需要使用对烟炱具有很好分散能力的分散剂,以减少烟炱颗粒球状团聚,降低烟炱结构的尺寸,提高柴油机油对烟炱的容纳能力,使柴油机油中即使含较多的烟炱颗粒也能保持较低的黏度增长速度.嘲凝巢鬃矗;m0嘲籁巢鬃第4期铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究752烟炱颗粒的表面组成通过能谱分析仪对含不同分散剂的3种在用柴油机油以及在新油B中加入烟炱模拟物的油样进行了烟炱颗粒表面组成分析,具体数据列于表2.表2柴油机油中烟炱颗粒的表面组成其中烟炱模拟物加入新油B前的表面成分为C,将其分散加入B油后,与在用油中的烟炱颗粒一样,表面除含有90左右的C外,都含有大约7的0,1.1的Ca,0.6的S.上述3种柴油机油都含有硫化烷基酚钙和丁二酰亚胺清净分散剂.清净分散剂具有很高的表面自由能,烟炱颗粒具有极大的比表面积,因此烟炱微粒表面能吸附一定量的清净分散剂,使3种油品的烟炱颗粒表面都含有o,Ca和s等元素.烟炱颗粒表面含有清净分散剂能促进烟炱的分散,但由于烟炱微粒表面存在着极性基团和羟基,在强的氢键,诱导力和取向力作用下,烟炱微粒也会发生不同程度聚结.这2种效应共同作用,当后者的吸附性强于前者时,使烟炱颗粒团聚成较大的烟炱结构.3烟炱微粒对柴油发动机磨损的影响东风o型内燃机车柴油机窜烟比较严重,使用中经常因为烟炱含量太高造成黏度和不溶物超标而报废3.在实际应用中,存在认识上的误区,既柴油机油中的烟炱颗粒是纳米级,而纳米在很多情况下对摩擦副有减摩作用,所以油中烟炱颗粒多能使油品减磨性能增加;因此,当柴油机油烟炱含量超过4后,有些机务段的柴油机油仍在机车上继续使用.通过对使用中的铁路柴油机油采用四球长磨试验考察其抗磨性能,发现烟炱含量>4的油品抗磨性能明显下降,很多油样没到规定的试验时间就发生了卡死现象;而同样情况下烟炱含量较低的油品,其抗磨性能下降较少,能比较顺利的完成.四球试验.由以上分析可以看出烟炱颗粒多并没有起到减摩作用.早在20世纪80年代初,Rounds就提出烟炱微粒是通过优先吸附ZDDP,进而降低润滑油抗磨性能而增加机件磨损的机理,但随后的一些研究发现烟炱微粒增多,并未显着改变油液中的ZDDP浓度_5.由此可见,含烟炱润滑油磨损增加有可能是烟炱粒子本身造成的.为了弄清烟炱颗粒的表面结构,采用高分辨透射电镜对含烟炱的铁路柴油机油进行了分析,分析结果示于图5和图6.图5烟炱粒子的高分辨透射电镜照片1图6烟炱粒子的高分辨透射电镜照片2对图9和图10的分析可以看出,由碳组成的烟炱颗粒呈有规律的品格结构,该结构具有很高的硬度.由于烟炱颗粒具有很高的硬度,处于边界润滑状态的摩擦副极易受到烟炱颗粒的磨损.另外烟炱颗粒能吸附于柴油机摩擦副表面,进而减少了ZDDP的表面覆盖率,造成摩擦副的急剧磨损.因此,当油品中烟炱颗粒含量较高时就必须更换柴油机油.中国铁道科学第28卷由前面的反射扫描电镜与透射扫描电镜观测结果可以看出,烟炱是一种颗粒状混合物,形状不规则,多为球状.为此,选择与烟炱形状与结构接近的模拟物加入铁路柴油机油中进行四球长磨试验(试验时间1h,压力392N,温度75),验证烟炱模拟物颗粒对磨损的影响程度.实验数据见表3.表3加入烟炱模拟物后磨斑直径的变化由表3中的数据可以看出,随着烟炱模拟物加入量的增多,磨斑直径逐渐增大,平均摩擦力也呈增加趋势,在烟炱模拟物含量达到2时摩擦力增加较多,在烟炱加入量达到4时磨斑直径明显加大.4结论(1)柴油机油中的多数烟炱颗粒都分布在2O70nm附近.团聚后形成的烟炱颗粒结构一般都呈点状或短链状,黏度大的油样有少量的球状团聚.(2)柴油机油的黏度与烟炱结构的大小具有相关性,结构大的黏度也大.研制新油时使用对烟炱具有很好分散能力的分散剂,能使柴油机油即使含有较多烟炱颗粒仍然可以保持较低的黏度增长速度.(3)柴油机油中烟炱颗粒的主要成分为C,还含有少量的0,Ca和S及微量的Si,Al和P,这是由于烟炱颗粒表面吸附清净分散剂等造成的.(4)研究发现,烟炱颗粒具有很高的硬度,因此烟炱含量高将导致摩擦副磨损增大.参考文献1李卫东,刘宏业,王丹.铁路柴油机润滑油的现状与发展J.中国铁道科学,2004,24(3):133136.(LIWdong,LIUHongye,WANGDan.PresentStatusandDevelopmentofRailwayEngineOilEJ.ChinaRailwayScience,2004,24(3):133136.inChinese)2李卫东,刘宏业,张红,等.铁路柴油机润滑油的流变学衰变研究J.中国铁道科学,2005,26(4):8588.(LIWeidong,LIUHongye,ZHANGHong,eta1.ResearchontheRheologicalChangeofRailroadUsedOilI-J.ChinaRailwayScience,2005,26(4):85-88.inChinese)r3叶彬.东风4D型机车机油老化的分析及解决措施的几点建议J.铁道机车车辆,2003,23(11):198200.(YEBin.SomeSuggestionsonHowtOSolvetheProblemofOilAgingofDF4DTypeDieselLocomotiveI-J.RailswayLocomotive&CAR,2003,23(11):198200.inChinese)4王丹,刘宏业.柴油机机油外来污染物烟炱的分析J.内燃机车,2002,343(9):5-8.(WANGDan,LIUHongyAnalysisofSooExogenousContaminantofDieselEngineOil刀.DieselLocomotives,2002,343(9)5-8.inChinese)5郭和军,刘振玉,张有智,等.悬浮碳烟微粒对柴油发动机磨损的影响J.润滑与密封,2004,163(3):106107.(GUOHejun,LIUZhenyu,ZHANGYouzhi,eta1.ImpactofSuspendedSootParticlesOnDieselEngineWearJ.LubricationEngineering,2004,163(3):106-107.inChinese)第4期铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究77StudyontheSootinLubricatingOilforRailwayLocomotiveDieselEngineLIUHongye,LIWeidong,WANGDan,ZHANGHong,LINLi,DENGShifu(MetalsandChemistryResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)Abstract:Thestructurethatparticleofsootaggregateindieselenginelubricatingoilmakestheviscosityoflubricatingoilincreasequickly.whichresultsinanabandonmentofdieselenginelubricatingoil.ParticleofsootisstudiedindieselenginelubricatingoilbymeansofSEM.Theresultsshowthatthemajorityofparticlesdistributein2O一7Oam.ThestructurethatparticlesofsootaggregateassumedtobepunctateorchainSshape,andasmallquantityofsphericalaggregateinbigviscositylubricatingoil.Theviscosityofdieselenginelubricatingoilisrelatedtothestructureofsoot,thewiderthestructure,thebiggertheviscosity.ThecompositionoftheparticleofsootindieselenginelubricatingoilmainlyareC,asmallquantityof0,Ca,SandmicroSi,Al,P.Particlesofsoothaveaveryhighdegreeofhardness.TheabrasionresistanceoflubricatingoildropsobviouslywhenthesootScontentexceeds4.Keywords:Lubricatingoil;Soot;Particle;SEM;Locomotivedieselengine(责任编辑杨宁清)铁道科学研究院2006年科技成果简介铁道科学研究院2006年共主持和参加创造了各类科技成果6O项,其中通过省,部级鉴定6项,通过部级技术审查36项,通过院,局级技术审查18项.为扩大科技成果的交流推广及应用开发,本刊将以连载的形式从中选择主要的科技成果陆续简要介绍.1I1v铁路旅客自动售票系统在保持中国铁路客运信息标准的规范化,数据结构的完整性和一致性的基础上,集成计算机,通信,自动识别等先进技术,开发出JWTvM铁路旅客自动售票系统.系统由自动售票机,自助售票管理系统后台管理监控机,自助售票系统应用服务器和铁路旅客自动售票软件,铁路自动售票系统服务程序,客票系统接口服务程序,银行业务服务程序,自动售票系统管理程序,自动售票系统监控程序等系统软件组成.旅客可在该系统上购买到全国的联网铁路车票,并可选择使用现金或银行卡进行支付.2006年l1月通过了北京市科委组织的技术鉴定,并被认定为国家重点新产品.2铁路安全管理信息平台为适应上海铁路局直管站段后体制变革的要求,结合安监业务过程重组,利用计算机网络,数据库和信息处理等技术,围绕安全管理主题开发一种新型的安全管理信息平台系统.该系统为铁路局,办事处与站段之间提供了快速,透明和真实的业务工作流转功能和信息传递,沟通和反馈的渠道,同时减轻了相关人员的工作量,解决了安监系统信息沟通不畅等问题,为铁路局各级安全管理人员提供了一个安全管理信息共享平台,实现了基于工作流管理技术的铁路局安全值班调度值班信息电子档案管理,铁路安全会议管理,铁路安全监督检查管理,铁路安全管理信息集中管理,共享发布与传递沟通等服务.该信息平台界面友好,操作便捷,可满足不同用户的实际需要.2006年12月通过了上海铁路局组织的技术鉴定.(下转第82页)