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原文传递生物质燃油及其碳烟微粒对活塞环-缸套摩擦学特性的影响

论文题名：	生物质燃油及其碳烟微粒对活塞环-缸套摩擦学特性的影响
关键词：	生物质燃油;碳烟微粒;摩擦学特性;活塞环;汽缸套;柴油发动机
摘要：	生物质燃油作为柴油发动机的较为理想的替代燃料之一，具有潜在的应用价值。但发动机燃油对其润滑油会产生稀释作用，燃油燃烧所产生的碳烟微粒也会进入润滑油系统中，从而影响发动机润滑油的使用性能，影响发动机的摩擦学特性。活塞环-缸套作为发动机典型摩擦副，其摩擦学特性直接关系到发动机的燃油经济性和使用寿命。本学位论文利用活塞环-缸套摩擦磨损模拟试验机评判了生物质燃油稀释润滑油和生物质燃油碳烟污染润滑油后活塞环，缸套的摩擦学特性，借助扫描电子显微镜及能谱仪(SEM/EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表面分析手段对摩擦后缸套表面的形貌、成分及其元素价态进行分析，探讨生物质燃油稀释和生物质燃油碳烟污染润滑油对活塞环-缸套磨损机理的影响，为此开展下面的工作。　　(1)采取微乳化方法制备出发动机生物质燃油，研究了生物质燃油稀释润滑油后对活塞环-缸套摩擦磨损特性的影响。结果表明，生物质燃油会降低润滑油的黏度，削弱润滑油的减摩抗磨性能;摩擦副环境温度在25℃时，随着润滑油中生物质燃油含量增加，活塞环一缸套的摩擦系数逐渐增加，当生物质燃油添加量为6.0wt％，活塞环和缸套的磨损量最大;摩擦副环境温度在90℃时，随着润滑油中生物质燃油含量增加，活塞环-缸套的摩擦系数逐渐增加，当生物质燃油含量为8.0wt％时，活塞环和缸套的磨损量最大。当摩擦副环境温度分别在25℃和90℃时，缸套主要磨损方式均为疲劳磨损;摩擦过程中润滑油添加剂会在缸套表面形成摩擦反应膜，其中ZnO、FeS、含碳有机物和磷酸盐类物质起到主要的减摩抗磨作用。生物质燃油会与润滑油添加剂相互作用，进而影响摩擦反应膜成膜特性，润滑油膜和摩擦反应膜的共同作用决定了活塞环-缸套的磨损结果。　　(2)通过自制碳烟捕集器获取生物质燃油碳烟微粒，探究了生物质燃油碳烟对活塞环-缸套摩擦磨损特性的影响。结果表明，摩擦副环境温度在25℃下，随着润滑油中生物质燃油碳烟含量增加，活塞环-缸套的摩擦系数和活塞环-缸套的磨损量均降低;生物质燃油碳烟会增加润滑油的黏度，导致摩擦界面之间润滑油膜变厚，当油膜厚度大于大部分碳烟颗粒尺寸，润滑油以碳烟为骨架建立起润滑油膜，并且随着碳烟增加，油膜变厚;缸套表面存在大量犁沟和裂纹，表明摩擦过程中碳烟会刮擦缸套表面，缸套表面的主要磨损方式为疲劳磨损和磨粒磨损。同时，缸套表面的减摩抗磨元素P、S、Zn、N等元素含量降低，表明碳烟会抑制摩擦反应膜的形成。摩擦副环境温度在90℃下，随着润滑油中碳烟含量的增加，活塞换-缸套的摩擦系数和活塞环-缸套的磨损量均增加，温度升高致使油膜厚度变薄，当油膜厚度小于大多数团聚的碳烟颗粒尺寸时，碳烟在摩擦副之间充当磨粒，增加磨损;随着碳烟含量增加，出现贫油润滑状态，加剧磨损。相比25℃下，缸套表面存在的犁沟和裂纹进一步加深，90℃下缸套表面的磨损方式为疲劳磨损和磨粒磨损;随着碳烟含量增加，缸套表面的减摩抗磨元素含量降低，元素种类减少，表明90℃下，碳烟对缸套的刮擦进一步加深，碳烟的磨粒磨损机制占据主导地位。　　(3)探究了生物质燃油及其碳烟微粒共存于润滑油中时对活塞环-缸套摩擦学特性的影响。结果表明，摩擦副环境温度分别在25℃和90℃下，随着润滑油中生物质燃油及其碳烟含量的增加，活塞环-缸套的摩擦系数和磨损量均增加，且摩擦环境温度为90℃时，活塞环-缸套的摩擦系数和磨损量大于摩擦环境温度为25℃时的值。摩擦副环境温度25℃和90℃下缸套表面的主要磨损方式为疲劳磨损和磨粒磨损;摩擦过程中生物质燃油中的有机物更易吸附润滑油添加剂附着在缸套表面，从而促使润滑油添加剂形成摩擦反应膜;同时，高温（摩擦环境温度为90℃）下更有利于润滑油添加剂分解形成摩擦反应膜。但碳烟充当磨粒时刮擦摩擦副表面，一定程度上抑制了摩擦反应膜的功效。　　(4)以生物质燃油作为S195柴油发动机的燃料，运转10h，观察缸套表面的磨损情况。结果表明，缸套表面主要磨损形式为疲劳磨损、磨粒磨损和粘着磨损。缸套表面含有Fe、C、Si和P元素，相比台架试验机上缸套表面的元素较少，表明实际柴油机燃烧室内由于高温高压以及碳烟刮擦等原因，并不利于形成摩擦反应膜，润滑油膜对活塞环与缸套之间的润滑起主要作用。
作者：	李豹
专业：	机械设计及理论
导师：	胡献国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文