生物基燃油碳烟摩擦学特性及摩擦诱导其结构转变机制研究

摘要

生物质快速热裂解燃油因其低硫、燃烧无污染和可再生等特点，有望成为化石燃料的替代品之一。微乳化法所制备的生物质燃油业已证明可直接替代柴油应用于柴油机，且国内外学者的广泛研究主要集中在柴油机燃烧生物质燃油后的尾气排放方面。对于生物质燃油燃烧所产生的碳烟微粒形貌、结构、组分及其摩擦学特性方面的研究较少。燃油组分是决定碳烟形貌、结构和组分的关键因素之一，碳烟微粒的物理化学特性决定其摩擦学行为，而碳烟微粒的摩擦学行为又与发动机摩擦部件的使用寿命紧密相关。因此，本文首先对生物质燃油碳烟微粒形貌、结构和组分及其摩擦学特性方面进行了深入探讨，其次对摩擦诱导碳烟微粒结构变化做了初步的研究。为生物质燃油在内燃机上合理利用打下一定的基础，为解决发动机碳烟诱导磨损提供最基础的数据。
　　本文首先采用自制碳烟捕集器收集了常温常压下燃烧生物质燃油(5w％乳化生物质油)所产生的碳烟颗粒物(BS)。采用一系列的现代分析手段对生物质燃油碳烟颗粒形貌、结构和组分进行了详细分析，并与发动机碳烟模拟物碳黑进行了对比。结果发现，生物质燃油碳烟微粒平均直径约为30～50 nm，碳黑微粒平均直径约为30～40 nm;生物质碳烟团聚微粒尺寸约为25μm，碳黑微粒团聚尺寸约为10μm。拉曼光谱表明生物质燃油碳烟中碳的石墨化程度(IG/ID1=0.4273)稍高于碳黑颗粒(IG/ID1=0.3545)。生物质燃油碳烟组分和碳黑几乎接近，只是含有少量的H，N和O元素;生物质燃油碳烟微粒表面含有-C-OH和C三C等活性官能团;生物质燃油碳烟微粒表面含有较多的酸碱位点，其原因归于生物裂解燃油的复杂组分。
　　利用四球摩擦磨损试验机探究了生物质燃油碳烟（1、3和5wt％BS）对液体石蜡(LP)和全配方油(CD SAE15W-40)润滑油润滑特性的影响，同时，载荷(196、296和396 N)和速度(1000、1200、1450和1600rpm)的影响也进行了考察。结果表明:生物质燃油碳烟会提升润滑油的油膜强度，添加5wt％的碳烟于液体石蜡油时，其PB值提升了约38.6％;对于CD SAE15W-40，当添加5wt％碳烟，其PB值提升了约29.5％。其主要原因归于碳烟的加入使得润滑油粘度增加，致使油膜厚度增加。生物质燃油碳烟会降低发动机润滑油的抗磨性能，然而减摩性能有所提高。抗磨性降低归于碳烟颗粒吸附润滑油分子或添加剂分子，团聚成大颗粒，在摩擦过程中刮擦摩擦副。此外，当团聚微粒尺寸大于润滑油油膜厚度时，阻碍润滑油进入润滑界面，导致贫油摩擦的发生。减摩效果的原因归于碳烟颗粒分散均匀或颗粒尺寸小于润滑油最小油膜厚度时，碳烟颗粒在摩擦副表面起到“滚轴作用”，且部分碳烟微粒参与边界润滑膜的形成。
　　载荷和速度对含碳烟的液体石蜡和全配方油(CD SAE15W-40)润滑特性有着不同程度的影响。同水平碳烟含量的润滑油，速度固定，平均磨斑直径随载荷的增加而增加;载荷固定，平均磨斑直径随转速的增加而增加。而对于摩擦系数来说，同水平含量的润滑油，平均摩擦系数却均呈现无规律的变化。高载荷和高转速条件下，碳烟污染的润滑油容易出现烧蚀现象。
　　利用四球摩擦磨损试验机初步探究了润滑油功能添加剂聚异丁烯基丁二酰亚胺(T154A),二烷基二硫代磷酸锌(T203，ZDDP)及固体氟化物(TiF3)对BS污染的液体石蜡润滑特性的影响。结果发现，分散剂T154A对含3wt％ BS的液体石蜡油抗磨减摩特性的影响主要归于分散剂对碳烟微粒的分散作用。T154A对含碳烟的液体石蜡油抗磨性影响较小，而减摩性起到很好的效果。碳烟微粒会吸附T203分子发生团聚，低含量T203会和碳烟共同参与边界润滑膜形成;高含量T203时，碳烟微粒团聚颗粒尺寸也会加剧，导致局部磨损加剧。TiF3催化剂材料有增强生物质燃油碳烟污染液体石蜡油膜强度的功效。当3wt％BS污染液体石蜡时，PB值变化最大，由原来560N增加到820N，增幅为46.4％。5wt％BS污染液体石蜡时，TiF3增强油膜强度的功效反而降低。且TiF3对BS污染的全配方油PB值的变化影响较小。TiF3会增强碳烟污染液体石蜡和全配方油抗磨减摩特性，其抗磨减摩机制归于钛，碳，氟元素参与边界润滑膜的形成。
　　最后，利用端面摩擦试验机探究了摩擦力诱导碳烟微粒的结构变化，其中主要考察了载荷(1000、1500和2000N)和速度(196、296和396 rpm)以及催化剂(TiF3和FeF3)对碳烟微粒结构转变的影响。结果表明:TiF3和FeF3均具有增强3wt％生物质碳烟污染润滑油抗磨减摩功效。且载荷过高时，其功效降低。该结果与四球机摩擦实验相一致。摩擦诱导碳烟微粒在摩擦副表面发生结构变化，且低载荷和低速度对其结构变化影响较小，反之，影响较大。碳烟微粒结构的变化主要表现为:无定型碳含量降低（R3降低）;表面有序化石墨烯含量明显增多(ID2/IG'增加);表面石墨烯缺陷位点明显增多(ID1/IG'增加)。摩擦诱导碳烟微粒摩擦副表面结构转变机制归于碳烟微粒外层结构容易在摩擦下发生剥离，参与润滑膜形成。此外，摩擦热诱导碳烟微粒组分Csp3和Csp2之间相互转化。TiF3和FeF3对摩擦副表面碳烟微粒结构变化起到不同程度的影响。拉曼光谱石墨微晶尺寸分布表明:TiF3和FeF3在一定条件下会催化碳烟微粒石墨化。摩擦热和碳烟微粒初始结构是决定摩擦诱导碳烟结构转变的关键因素。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 发动机碳烟的定义

1．2．1 发动机碳烟的形成

1．2．2 发动机碳烟危害

1．3 发动机碳烟摩擦学研究现状

1．3．1 碳烟摩擦学行为研究

1．3．2 碳烟磨擦磨损机制

1．4 发动机碳烟磨损的抑制

1．5 本文研究内容

第二章 生物基燃油碳烟制备及其理化性能表征

2．1 引言

2．2 生物基燃油制备

2．2．1 生物质裂解原油制各

2．2．2 精制生物质燃油

2．2．3 乳化生物质油制备

2．3 乳化燃油碳烟制备及其理化性能表征

2．3．1 实验材料与仪器

2．3．2 分析方法

2．4 结果与讨论

2．4．1 形貌分析

2．4．2 结构分析

2．4．3 组分分析

2．4．4 生物质燃油碳烟形成机理

2．5 本章小结

第三章 生物基燃油碳烟对发动机润滑油摩擦学特性的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与设备

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 极压值

3．3．2 抗磨性

3．3．3 减摩性

3．3．4 载荷和速度的影响

3．3．5 磨损表面形貌与元素分析

3．3．6 碳烟摩擦磨损机制

3．4 本章小结

第四章 润滑油功能添加剂对含生物质燃油碳烟润滑油润滑特性的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料与器材

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 T154A对含碳烟液体石蜡润滑特性的影响

4．3．2 T203对含碳烟液体石蜡润滑特性的影响

4．3．3 TiF3对含碳烟润滑油润滑特性的影响

4．4 本章小结

第五章 摩擦诱导生物质燃油碳烟结构变化及其机制研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料与仪器

5．2．2 分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 抗磨减摩性

5．3．2 磨痕形貌分析

5．3．3 碳烟结构转变

5．4 碳烟微粒结构转变机制

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 创新点

6．2 全文总结

6．3 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及发明专利