甲醇的燃料潤(rùn)滑性研究 精靈論文

1、甲醇的燃料潤(rùn)滑性研究汪映，何利，周龍保（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）摘要：甲醇的物理化學(xué)特性與傳統(tǒng)的柴油燃料不同， 當(dāng)前的燃料潤(rùn)滑性評(píng)定方法不是非常適用于甲醇燃料。本文采用冷態(tài)油泵試驗(yàn)法進(jìn)行甲醇燃料潤(rùn)滑性的研究，結(jié)果表明冷態(tài)油泵 試驗(yàn)法是一種較適合甲醇燃料潤(rùn)滑性評(píng)定的方法。試驗(yàn)也同時(shí)表明甲醇燃料的潤(rùn)滑性較差， 加入一定量蓖麻油可改善甲醇燃料潤(rùn)滑性。關(guān)鍵詞： 動(dòng)力機(jī)械及工程；甲醇；潤(rùn)滑性；蓖麻油中圖分類(lèi)號(hào)：tk42study on methanol lubricitywang ying, he li, zhou longbao(school of energy and p

2、ower engineering, xian jiaotong university, xian,710049) abstract: due to the different physical and chemical properties of methanol from the conventional diesel fuel, the current lubricity assessment method may be not suitable for methanol. in this paper a cold pump method is used to assess the fue

3、l lubricity. results show that it may be a good lubricity assessment method for methanol. experimental results also prove methanol have poor lubricity, while its lubricity would be better when castor oil is added into methanol.key words: power machinery engineering;methanol; lubricity; castor oil0引言

4、甲醇（methanol）作為一種清潔燃料,早在上世紀(jì)開(kāi)始就引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注,開(kāi)展 了相關(guān)研究并獲得了一定的研究成果。甲醇可以從煤或天然氣中提煉，也可以利用現(xiàn)有的氮 肥廠設(shè)備聯(lián)產(chǎn)，生產(chǎn)成本低；其辛烷值高，抗爆震能力強(qiáng)；含氧高，氣化潛熱大，可降低 co、nox、hc排放1。甲醇是良好車(chē)用清潔替代燃料, 但是它在使用中存在燃料潤(rùn)滑方面 的問(wèn)題, 需要對(duì)其進(jìn)行燃料潤(rùn)滑性的具體評(píng)定。潤(rùn)滑是人們用來(lái)減少摩擦和磨損的重要手段，它是利用潤(rùn)滑劑在摩擦表面形成一層具有 低摩擦阻力的潤(rùn)滑膜層，從而減小摩擦件的摩擦和磨損。早在 20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)石油化 工科學(xué)研究院的韋淡平等就針對(duì)燃料潤(rùn)滑性問(wèn)題開(kāi)展了

5、許多研究工作2-4。到目前為止，對(duì) 燃料潤(rùn)滑性能的測(cè)量已有了多種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前廣泛采用的試驗(yàn)設(shè)備有四 球機(jī)和高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)（hfrr），但是這些方法一般用來(lái)測(cè)量常溫常壓下為液態(tài)的燃料 的潤(rùn)滑性能。甲醇的揮發(fā)性較強(qiáng)并且甲醇蒸氣對(duì)人的呼吸道粘膜和視力有損害，甲醇的這 些特殊的性質(zhì)決定了不能使用傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)量它們的潤(rùn)滑性能，而應(yīng)選用其它方 法來(lái)測(cè)量。因此有必要開(kāi)展甲醇燃料的潤(rùn)滑性研究?；痦?xiàng)目：教育部博士點(diǎn)新教師基金(20070698030);西安交通大學(xué)研究生創(chuàng)新基金專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目.作者簡(jiǎn)介：汪映（1975-），女，副教授，主要研究方向：燃料潤(rùn)滑性. e-mail: wydm

6、1試驗(yàn)臺(tái)布置及主要儀器設(shè)備1.1油泵試驗(yàn)臺(tái)布置本文采用噴油泵冷態(tài)磨損試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)甲醇燃料的潤(rùn)滑性能，建立了專(zhuān)用的供油系統(tǒng)磨 損試驗(yàn)臺(tái)架，磨損試驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖1所示。由交流電機(jī)5驅(qū)動(dòng)噴油泵4工作，燃料通過(guò)濾 清器7過(guò)濾后進(jìn)入噴油泵，噴油泵將燃料經(jīng)高壓油管12供給噴油器3，噴油器將燃料噴回燃料 罐8中，進(jìn)入噴油泵的多余的燃料經(jīng)回油管13返回燃料罐，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)燃料的循環(huán)利用。1 氮?dú)馄? 減壓調(diào)節(jié)閥3 噴油器4 噴油泵5 電動(dòng)機(jī)6 固定支座7 燃油濾清器8 煤基燃料9 聯(lián)軸器10 壓力表11 進(jìn)油管12 出油管13 回油管 圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖1.2 試驗(yàn)主要設(shè)備本試驗(yàn)采用的是湖

7、北內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)設(shè)備廠生產(chǎn)的12psdw型油泵試驗(yàn)臺(tái)，標(biāo)定功率為10kw，轉(zhuǎn)速范圍為03600 r/min。該設(shè)備有變頻調(diào)速和9檔轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)，轉(zhuǎn)速、噴油次數(shù)和溫 度均為數(shù)字顯示。在冷態(tài)磨損試驗(yàn)中通過(guò)異步電機(jī)直接拖動(dòng)噴油泵進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用的是無(wú)錫 威孚高科技股份有限公司生產(chǎn)的2322-85 左1400 型噴油泵，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2800r/min，表1給出了噴油泵相關(guān)的技術(shù)規(guī)格。表 1 噴油泵技術(shù)規(guī)格形式額定轉(zhuǎn)速/rmin-1柱塞直徑/mm柱塞表面加工方式柱塞表面光潔度柱塞材料兩缸號(hào)泵14008.5配對(duì)研磨12合金鋼本試驗(yàn)采用的由上海力博電機(jī)廠生產(chǎn)的y90s-6 型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定

8、功率為0.75kw，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為910r/min。 試驗(yàn)還要通過(guò)柱塞偶件在磨損前后質(zhì)量的變化來(lái)分析研究燃料的潤(rùn)滑性能，因此，需要采用高精度的質(zhì)量測(cè)量設(shè)備。本試驗(yàn)采用的是梅特勒-托利多 xs 分析天平，可精確測(cè)量 至 0.00001g。2試驗(yàn)結(jié)果和討論2.1 冷態(tài)磨損試驗(yàn)結(jié)果圖2給出了以純甲醇作為燃料運(yùn)行120小時(shí)前后噴油泵的供油速度特性曲線，圖3為在甲 醇中加入2%的蓖麻油分別運(yùn)行220小時(shí)前后噴油泵的供油速度特性曲線，圖4給出了上述兩 種燃料在磨損試驗(yàn)前后柱塞偶件的質(zhì)量變化率。由圖可以看出，以純甲醇為燃料時(shí)，噴油泵供油速度曲線在磨損前后有了較為明顯的變化，柱塞質(zhì)量變化率也較大；在甲醇中加入一定

9、 量的蓖麻油后，供油速度曲線變化較小，柱塞的質(zhì)量變化率也較小。由此可見(jiàn)，在甲醇中加 入一定比例的蓖麻油后能明顯改善甲醇的潤(rùn)滑性能。14121086試驗(yàn)前噴油量/ml4 試驗(yàn)后214121086試驗(yàn)前4 試驗(yàn)后噴油量/ml200200 400 600 800 1000 1200 1400n/r.min-1200 400 600 800 1000 1200 1400n/r.min-1圖 2 使用甲醇作燃料時(shí)的油泵試驗(yàn)結(jié)果圖 3 使用甲醇=蓖麻油作燃料時(shí)的油泵試驗(yàn)結(jié)果0.08柱塞質(zhì)量減少百分比（%）0.060.040.020.00甲醇 甲醇+2%蓖麻油圖4 甲醇及甲醇加入蓖麻油柱塞質(zhì)量減少百分比2.

10、2 純甲醇潤(rùn)滑性的評(píng)價(jià)與分析柱塞偶件間的潤(rùn)滑屬于邊界潤(rùn)滑，在這種情況下其主要作用的是燃料在接觸表面形成 的物理或化學(xué)吸附膜。吸附膜的形成與甲醇的分子極性、分子鏈的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。1）甲醇分子的極性甲醇分子結(jié)構(gòu)如圖5所示，由圖可知，甲醇分子是甲烷的一個(gè)-h被-oh取代，其結(jié)構(gòu)也 由甲烷的正四面體變?yōu)椴皇菍?duì)稱的正四面體，因而，甲醇分子具有極性，能在柱塞表面形成 穩(wěn)定的吸附膜。2）甲醇的分子結(jié)構(gòu)根據(jù)相關(guān)資料，甲醇的分子長(zhǎng)度約為 0.43nm 左右,依然遠(yuǎn)低于柱塞偶件表面粗糙度的尺 寸，因此甲醇分子形成的吸附膜也不能有效的隔開(kāi)柱塞偶件的兩個(gè)滑動(dòng)表面。由上面的分析可見(jiàn)，由于甲醇分子長(zhǎng)度較小，甲醇分子在柱

11、塞表面形成的吸附膜不能 有效的隔開(kāi)柱塞偶件的兩個(gè)滑動(dòng)表面，因此以甲醇作為燃料時(shí)，柱塞偶件將有一定程度的磨 損。圖 5 甲醇分子結(jié)構(gòu)圖圖 6 蓖麻油酸碳鏈結(jié)構(gòu)2.3 蓖麻油對(duì)甲醇潤(rùn)滑性影響的研究從圖3可以看出以質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%甲醇和2%蓖麻油混合物作為燃料運(yùn)行220小時(shí)后，噴油 泵運(yùn)行200個(gè)循環(huán)的噴油量減小率分別小于5.5%。從圖4可以看出以該混合物為燃料運(yùn)行220 小時(shí)后柱塞偶件質(zhì)量減少率小于0.021%?？梢?jiàn)，在甲醇中添加蓖麻油作為潤(rùn)滑添加劑確實(shí) 能夠改善甲醇的潤(rùn)滑性能，從而減小供油系統(tǒng)精密偶件的磨損。蓖麻油作為潤(rùn)滑添加劑能顯著改善甲醇的潤(rùn)滑性能是由其組分的分子結(jié)構(gòu)決定的，理 想的潤(rùn)滑劑應(yīng)該

12、是含有極性分子頭且長(zhǎng)直鏈分子的液體。含有長(zhǎng)鏈的有機(jī)酸就是很好的潤(rùn)滑 添加劑8182，它們的化學(xué)方程式分別是rcooh，r=cnh2n+1表明了鏈的長(zhǎng)度，cooh表 明了極性的類(lèi)型。在本試驗(yàn)中，使用了蓖麻油作為甲醇的潤(rùn)滑添加劑。表2給出了蓖麻油的 一些性質(zhì)。由表2可知，蓖麻油的主要組分是蓖麻油酸，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%92%，蓖麻油 酸的碳鏈結(jié)構(gòu)如圖6所示。表 2 蓖麻油的性質(zhì)主要的長(zhǎng)鏈極性分子頭組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%分子式分子頭蓖麻油酸8092c18h34o3(cooh)蓖麻油酸的分子式為c18h34o3，其分子含有碳鏈為c18的長(zhǎng)直鏈脂肪酸，碳鏈中有16個(gè)c c 和一個(gè) c = c 。根據(jù)相關(guān)資料,

13、其分子長(zhǎng)度不小于2.6nm，這一分子長(zhǎng)度比甲醇分子長(zhǎng) 度（約為0.43nm）高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)蓖麻油酸的分子頭是有強(qiáng)極性的羧基分子頭，羧基 分子頭容易吸附在金屬表面形成邊界潤(rùn)滑油膜5-6。以上兩方面的原因使得蓖麻油酸形成的 單層油膜厚度可達(dá)3nm，而且油膜的穩(wěn)定性好，從而改善了甲醇燃料的潤(rùn)滑性能。3結(jié)論本文獲得的主要研究結(jié)果如下：1） 冷態(tài)磨損法可以進(jìn)行甲醇燃料及甲醇+蓖麻油的潤(rùn)滑性的研究。2） 純甲醇的燃料潤(rùn)滑性很差，加入蓖麻油后油泵油量變化率減小，柱塞表面磨損減小，質(zhì) 量變化減小，可有效改善甲醇燃料的潤(rùn)滑性。參考文獻(xiàn) (references)1. 周龍保主編.內(nèi)燃機(jī)學(xué)m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.2. 韋淡平.燃料潤(rùn)滑性研究三十年j.石油學(xué)報(bào)(石油加工),2000,16(1):31-39.3. 韋淡平.燃料潤(rùn)滑性的研究:i.柴油組分的磨損性能j.石油學(xué)報(bào)(石油加工),1986,2(3):79-86. 4. 韋淡平.燃料潤(rùn)滑性的研究: 皿.柴油的磨損性能j.石油學(xué)報(bào)(石油加工),1990,6(1):15-19.5. mcguiggan pm. the boundary lubrication prop