基于变转速的柴油抗磨性评定方法探讨论文

时间:2020-01-14

  201X年9月17日,中华人民共和国环境保护部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》规定:2018年1月1日起,全国机动车将全面实施“国Ⅴ”排放标准。2014年底前,全国供应符合“国Ⅳ”标准的车用柴油;2015年底前,京津冀、长三角、珠三角等区域内重点城市供应符合“国Ⅴ”标准的车用汽、柴油;2017年底前,全国供应符合“国Ⅴ”标准的车用汽、柴油。北京市因已具备实施新标准的条件,将在标准正式发布后立即执行。同时,环保部鼓励具备燃油供应条件的地方提前实施该标准。与现行的“国Ⅳ”排放标准相比,“国Ⅴ”排放标准进一步提高了排放控制要求,其中氮氧化物排放限值严格了25%~28%,颗粒物排放限值严格了82%,并增加了污染控制新指标——颗粒物(PM)粒子数量。天然存在于原油中的硫是燃料产生颗粒物的关键,其98%在燃烧过程中转化为SO2,其余2%作为硫酸盐排放,最终成为PM的一部分;同时硫也可引起汽车催化转化器中毒:因此,加氢处理工艺应用越来越普及,以满足低硫燃料规格要求。

  美国、西欧和亚太地区部分国家已经将柴油中硫的质量比降到了50 mg/kg以下,我国于2013年颁布了GB 19147—2013《车用柴油(Ⅳ)》。根据该标准,《车用柴油(Ⅲ)》在2014年12月31日前仍有效,但此后必须执行标准《车用柴油(Ⅳ)》,相应硫的质量比由350 mg/kg降为50 mg/kg。然而,柴油中天然硫化物、极性物都是良好的抗磨组分,低硫化的炼油工艺必然会降低柴油对发动机喷射系统的润滑能力,以致发动机燃油泵过早损坏:因此,研发柴油抗磨添加剂和探索相应的抗磨性评定方法是柴油低硫化必须解决的问题。

  1柴油抗磨性评定方法

  目前国内外广泛使用的柴油润滑性试验方法是高频往复试验机(high?frequency reciprocating rig,HFRR)法。最初开发的高频往复试验用于研究内燃机中活塞与缸套之间的摩擦磨损,它能测量摩擦、磨损及油膜系数。20世纪80年代,英国帝国学院摩擦试验室的Wei和Spikes研究并建立了柴油润滑性能试验方法HFRR。其主要工作原理是在电磁振荡器的带动下,上试件(试验球)在试验负荷下做高频短冲程往复运动,下试件(试验片)固定在油盒里(油盒可以加热),上下试件的接触部位全浸在试验燃料中,用计算机控制、测量和记录全部试验参数。测定形成的磨斑以评价试验燃料的润滑性,也可以测定两接触试件间的摩擦力。HFRR方法对于测试不同炼制程度的柴油的区分性、添加剂的感受性都较好,并且有较好的重复性,与现场试验也有一定的对应性。该方法已列入ISO 12156-11S1,CEC F-06-A-96和ASTMD6079标准,是目前世界上普遍认可的柴油润滑性模拟评定方法。

  四球摩擦磨损试验机是我国评定油品润滑性能保有量最大的评定设备,具有操作简便、快捷、廉价的特点。我国科技人员进行了大量以四球机为试验平台来评定柴油抗磨性的研究工作,其特点是通过试验设计考察影响柴油抗磨性的试验因素及相对重要性,确定试验参数并在特定的试验条件下进行试验。但是,柴油油泵和喷嘴的工作条件并不是恒定的,而是随着发动机的转速变化而不断变化,显然特定试验条件的四球机试验既不与实际工况相符,也不与HFRR的往复试验条件相符。

  2变转速条件下柴油抗磨性评定方法

  柴油喷嘴开闭过程和高频往复试验过程中,摩擦副的运动速度都是交替变化的。为了模拟这一过程,需要对四球机进行升级改造,达到自由控制电机转速,模拟柴油喷嘴运动速度交替变化的目的。

  2.1试验材料与仪器

  2.1.1试验材料

  油样:市售0号柴油;石油醚,60~90 ℃,分析纯;油酸,分析纯;试验钢球为GCr15轴承钢二级标准钢球,直径12.70 mm,硬度59~61HRC,符合GB/T 308—2002《滚动轴承 钢球》。

  2.1.2试验仪器

  试验机采用济南舜茂试验仪器有限公司生产的MRS-1J型四球摩擦磨损试验机,该机主要由主轴驱动系统、油盒加热控温系统、弹簧-伺服电机加载系统、控制面板和试验数据测量系统等部分组成。试验机采用上、下位机控制,在自动模式下通过上位机可预先设定试验参数(如主轴转速、负荷、温度等)试验过程中可自动记录试验参数,实时测量并记录摩擦系数、摩擦力、摩擦力矩,但试验参数一旦设定,在试验期间则无法改变。

  2.2 MRS-1J型试验机软件编程改进

  针对试验机软件存在的不足,利用VC++对MRS-1J型四球摩擦磨损试验机软件进行了编程改进,使软件增加了负荷-转速程序控制功能,实现了试验机自由设置转速、负荷的变化范围、变化速率和变化模式。增加的程序控制设置模块具备以下功能:①自由设置转速、负荷参数,在一个试验过程中可以有多个不同的数值;②在试验总时间内设置不同的时间区段,模拟不同的润滑状态;③自由设置转速和负荷的变化形式,包括线性、阶跃、梯形、震荡等,且各种变化形式可以有序地组合在一个试验过程;④包含原有试验参数设置功能,即参数可自由设置,也可固定。

  3结 论

  1)采用VC++对MRS-1J型四球摩擦磨损试验机软件进行了编程改进,可自由设定试验转速、负荷的起始值和变化模式。

  2)建立了基于变转速的柴油抗磨性评定方法,其重复性误差小于HFRR方法,经方差分析证明该方法对添加不同质量分数的抗磨剂区分性显著。