文摘

本文采取某种类型的大功率柴油机排气阀异常磨损现象作为一个例子,我们在排气阀表面微观形态学特征进行研究,接触表面积累产品、添加剂过渡层,和燃烧测试。这些通过柴油硫含量比较测试,柴油添加剂成分分析,high-sulfur-content和低硫柴油和柴油添加剂动作测试。目前没有权威的柴油硫含量的影响研究大功率柴油发动机阀座磨损,和柴油添加剂对阀座的保护机制还不清楚。的硫柴油,汽油中的铅,早就知道拒绝穿在大功率柴油发动机的气门座;就像汽油添加剂弥补损失的铅,柴油添加剂硫似乎弥补的损失。测试表明,形成一层均匀碳沉积在柴油燃烧后的接触表面,和碳沉积一层更加密集和接触表面均匀吸附柴油添加剂的作用下形成一层耐磨的。测试还表明,柴油中的硫没有对阀座的耐磨性的影响。

1。介绍

在船舶领域的推进力量,某种类型的大功率柴油发动机经历了自2019年以来频繁的大型排气阀异常磨损现象。严重磨损现象,只有在柴油机出厂试验(运行约35小时),出现在约2毫米排气阀座磨损。因为这种类型的柴油机没有内置硬的座位,座位上穿汽缸体穿,超过1.5毫米穿,汽缸一直无法修复巨大的损失。一开始,作者研究了结构设计,零件质量、高温硬度匹配的阀座和阀与阀座磨损,并没有发现原因。与人们的环境保护意识的提高,为了防止进一步污染海洋和大气造成的船用柴油机排放,第70届海洋环境保护委员会发行的国际海事组织(IMO)相关的修正案,指导方针和通告的国际海事协议关于油污(MAROPL) [1- - - - - -3]。显著降低硫含量的船用柴油机是必需的。中国已经采取更主动的方法对控制船舶排放的,移动的污染来源。从2019年1月1日,中国需要使用柴油车辆、农业机械、内陆和海上船只。目前,汽车柴油的硫含量仅限于不到10 ppm,分为低硫柴油。阀座磨损的频率的大功率柴油发动机在中国也开始从2019年开始,有一个明显的对应关系。

燃料将导致排气阀座的穿洞的汽缸,最初发生在无铅汽油改进车辆的引擎。从1976年到1986年,欧洲和美国的国家开始了无铅汽油,以减少运动造成的大气污染中的铅汽油。因此,发现严重的磨损会出现汽缸排气阀座孔的(4]。学者发现,铅元素用于抗爆汽油,燃烧后,会形成氧化铅,硫酸铅,排气阀的排气冲程附加汽缸座孔密封界面。这些铅氧化物和盐有较低的硬度和发挥作用的固体润滑密封界面,也避免氧化汽缸座孔接触高温气体。随着铅从汽油中删除,上面的固体润滑剂消失,和氧化产品嵌入到汽缸座孔的排气阀密封锥,大大恶化摩擦表面的粗糙度,造成汽缸座孔的研磨,然后导致异常磨损(5]。随后,学者们研究了各种元素的影响在汽油排气阀座孔valve-cylinder头的耐磨性。肯特和Finnigan6]发现磷在汽油也有一定的抑制影响排气阀座孔磨损,但抑制的程度远小于领先。Schoonveld et al。7)发现,即使是很小的含铅量可有效保护排气阀座孔valve-cylinder头,而需要更多的含铅量保持穿抑制效应在高发动机的工作条件。

的一般对策大功率柴油发动机的排气阀座磨损包括以下:(1)使用嵌入的特殊座位(排气阀座8]。(2)添加柴油抗磨添加剂(9,10]。内置硬盘阀座的解决方案避免了汽缸体的磨损,但随着操作时间的增加,硬阀座或阀仍会穿。对于添加剂的抗磨机理,派尔和Smrca11)发现,润滑油添加剂产品燃烧后的汽油发动机也有穿对排气阀座孔抑制作用,但抑制效率比汽油低得多;也就是说,有一定的时间差。然而,添加剂的抗磨机理用于大功率柴油发动机仍不清楚。

在本文中,我们研究了排气阀座表面的微形特点,积累产品接触表面的添加剂过渡层,燃烧测试。通过测试,我们已经阐明,柴油中的硫含量对阀座磨损没有影响。我们也了解到,柴油添加剂的抗磨机理上气门座主要是吸附碳沉积,使碳存款更均匀致密,形成一个抗磨防护层。

2。材料和方法

2.1。磨损机理分析

材料:汽缸磨损阀座:汽缸的主要化学成分是铁灰色。穿空气阀,排气阀的主要材料是NiCr20TiAL。方法:解剖穿阀座和阀后,穿接触表面进行微观分析观察磨损表面的状况和接触表面的化学成分。测试设备如表所示1。

2.2。硫含量比较测试

材料:某种类型的大功率柴油机,−10 #柴油含硫量高(1200 ppm含硫量),低硫0 #柴油车辆(2.5 ppm含硫量)。方法:测试1:这种类型的大功率柴油机首次使用高硫柴油运行500小时,然后替换低硫柴油运行500小时。观察阀座的磨损程度之前和之后的替代品。测试2:这两个大功率柴油发动机,−10 #柴油车辆和0 #柴油,分别用于比较测试使用相同的试验台。观察阀座的磨损。

应该注意的是,阀座和阀的使用寿命这种类型的大功率柴油发动机是12000小时。

2.3。添加剂的分析组件

材料:某种类型的抗磨添加剂。方法:添加剂是一种淡黄色透明均匀的液体样品,所以这是第一次测试和分析了红外红外光谱和紫外光谱仪、紫外光谱检测验证。

固体物质被发现使用一个红外红外光谱仪相比,红外光谱的添加剂。测试设备如表所示2。

2.4。接触表面分析

材料:4还没穿破的排气阀被选为样本进行分析。他们如下:低硫柴油(0 #),低硫柴油添加剂(0 # +),高硫柴油(−10 #),和高硫柴油添加剂(−10 # +)。方法:接触表面上的沉积物取样,进行了元素分析使用电子能量散射谱(EDS)。

为了进一步阐明抗磨机理。典型元素,比如S O、钙、和C的沉积物被x射线电子能谱学分析来确定元素的化学价态,然后确定沉积物的化学成分之间的接触表面空气阀和阀座。测试设备如表所示3。

2.5。燃烧试验

材料:低硫柴油(0 #),高硫柴油(−10 #),和柴油后增加噻吩浓度的9.5%。方法:取0.30克低硫柴油(0 #)和高硫柴油燃烧(−10 #),收集燃烧后生成的积炭,并分析的重量和元素碳沉积。

带0.30 g的柴油含硫量9.5%增加噻吩燃烧后,收集燃烧后生成的积炭,并分析的重量和元素碳沉积。测试设备如表所示4。

3所示。结果

3.1。磨损机理分析

阀座的机械磨损的基本影响因素如下(9]。(1)摩擦值μ(2)温度(3)接触压力p马克斯(4)材料的特点,例如,屈服强度Rp(T)或硬度HB (T)

3.1.1。分析微观形态学阀座的磨损表面

大功率柴油机的气缸盖材料是铁灰色。有很多,因为早期的学者内燃机气门座穿做了大量的理论研究。所以以下研究试图探索磨损机制通过阀座的穿着微形特征。

根据微观结构特征,如图1- - - - - -3tongue-shaped阀座表面,和舌头层交错,这增加了阀和阀座之间的摩擦系数。塑性夹杂物变形后发生磨损由于气门间隙的增加和提高温度。

3.1.2。微形特征对应穿阀

穿阀的显微镜图像数据4和5表明高摩擦系数导致当地材料从汽缸座(灰口铸铁)被转移到表面的阀(镍基合金)在阀瓣和阀座接触,如图6。

3.1.3。结论

从上面的微观形态学分析、研究的基础上,郭et al。12和王、刘等人。13),它可以得出摩擦系数的主要因素是开始时穿的。高摩擦系数允许阀座材料的部分转移盘导致粘性穿。高摩擦系数也增加了接触表面的温度和导致阀座磨损和变形。穿进一步发展后,在先进的磨损、变形(电阻)的铸铁中起着重要作用。

3.2。测试验证

3.2.1之上。有效的抗磨的方法

(1)硫含量比较测试。测试1:在最初的操作这种类型的大功率柴油机,−10 #柴油含硫量高(1200 ppm含硫量)是用于500小时。在此期间,气门间隙正常,没有发现阀座磨损在拆卸和检查。500小时后,低硫0 #汽车柴油(2.5 ppm含硫量)取代。阀座开始穿只有20个小时的手术后,和穿大20缸穿的(12)。测试2:这两个大功率柴油发动机,−10 #柴油车辆和0 #柴油,分别用于比较测试使用相同的试验台。使用低硫0 #柴油车辆开始磨损只有10个小时的手术后20缸穿(9)。

船舶服务的这种类型的柴油发动机,研究表明,阀座磨损的频率很低硫含量高于500 ppm时柴油很长一段时间。阀座磨损的长期柴油含硫量小于50 ppm是极其严重的,影响船舶的正常出勤。

(2)添加剂比较测试。抗磨的另一种方法是添加一个燃料抗磨添加剂比较测试耐磨的经验的基础上。在这种类型的柴油机,0 #汽车与低硫柴油燃料添加剂用于内容和1000小时(大约900小时的操作条件> 80%)没有穿在阀座上。

从上面的两个测试,可以看出,柴油与S含量高和添加剂对座位的耐磨性有明显影响,但耐磨性机理仍不清楚。

3.2.2。添加剂的分析组件

为某种类型的抗磨添加剂用于实验中,广泛应用领域的汽车引擎。为了澄清添加剂的抗磨机理在大功率柴油发动机,添加剂进行了测试和分析。

(1)加法测试。添加剂是一种淡黄色透明均匀的液体样品,所以这是第一次测试和分析了傅立叶变换红外光谱红外光谱和紫外分光计。结果如图所示7。

它可以看到从红外光谱的检测结果(图7(一)),有很强的吸收峰在1740厘米⁻¹,主要归因于酯羰基的特征吸收峰。1230厘米的特征吸收峰⁻¹和1043厘米⁻¹属于C-O-C结构。1170厘米⁻¹是由对称伸缩振动引起的S = O键。对称伸缩振动的S = O键应该是1043厘米的吸收峰⁻¹,这是与C-O-C结构的特征吸收峰一致。1376厘米⁻¹,1461厘米⁻¹,2853厘米⁻¹,2910厘米⁻¹,2955厘米⁻¹都是碳氢键的伸缩振动吸收峰的烷基结构。以上分析结果表明,该添加剂是一种烷基化合物包含特征官能团如C = O, C-O-C和S = O。

紫外光谱检测结果的分析添加剂(图7 (b))显示,有两个特征吸收峰。高吸收的特征吸收峰强度为216.35 nm属于S = O结构的宽频带低吸收强度为270.33 nm属于羰基化合物的特征带。这个结果与红外光谱检测结果是一致的,再次确认添加剂包含C = O, O S =和其他特征官能团。

添加剂包含金属钾,因此可以推断,磺酸基的添加剂是盐钾。磺酸盐,在大多数情况下,它应该在一个坚实的盐和添加剂是一种粘性液体。添加剂是溶剂和磺酸盐的混合物。

基于上述猜想,添加剂分为两种物质的提取方法。

(2)固体物质在食品添加剂检测。固体物质被发现使用一个红外红外光谱仪相比,红外光谱的添加剂。结果如图所示8。通过红外光谱数据库检索,固体docusate组盐。结合产品介绍,固体docusate钾,结构如图9。

3.2.3。溶剂添加剂的检测

红外光谱红外光谱仪用于分析溶剂样品,也是与添加剂。结果如图所示10。溶剂样品的特征吸收峰一致与添加剂在1376厘米⁻¹,1461厘米⁻¹,2853厘米⁻¹,2910厘米⁻¹,2955厘米⁻¹;即溶剂只有饱和的碳氢键的伸缩振动吸收峰,表明溶剂是一个饱和烷烃化合物。

表5显示了部分溶剂的物理和化学性质。通过分析它的粘度、倾点、和冰点数据,结合红外光谱的检测结果,众所周知,应该一种溶剂油的溶剂。比较不同溶剂油的密度。它可以知道200 #溶剂是脂肪族烃溶剂油。

3.2.4。初步分析机制的添加剂

酯组和磺酸组的存在的添加剂使其显示强极性,而极性化合物在金属表面具有较强的吸附能力。此外,更大的分子大小docusate使它形成一个强大和厚金属表面保护膜,防止金属之间的直接接触,从而达到更好的抗磨效果。同时,当双磺酸化合物作用于摩擦表面,他们与摩擦表面的摩擦,反应热量,激电子,self-catalysis,等等,形成含硫无机膜或铁₂O₃- f极压反应电影中氧化铁的存在。反应膜具有极高的承载能力。用于润滑油添加剂时,其承载力可以达到超过150公斤,所以它可以扮演antiscratch antisintering,显示良好的抗磨承载力。

3.2.5。硫的机理分析——和低硫柴油添加剂

为了分析不同含硫量柴油的影响机制和抗磨添加剂,4还没穿破的排气阀被选为样本进行分析。他们是低硫柴油(0 #)、低硫柴油添加剂(0 # +),高硫柴油(−10 #),和高硫柴油添加剂(−10 # +)。见表6获取详细信息。

我们可以看到6,碳沉积在减少发动机排气阀磨损起着关键作用。当碳积累很大,它会附着在密封表面的进气阀和排气阀形成一个保护膜,不会出现明显的磨损,但是当碳积累很小,会有很多穿由于缺乏保护膜。与此同时,添加剂对矿床的形成有很大的影响。低硫柴油燃烧后没有添加剂,接触表面形成了一层不连续的存款,存款层变得连续,均匀后加入添加剂。此外,高硫柴油的存款是长期操作和燃烧后均匀分布。

3.2.6。接触表面的沉积物取样分析

接触表面的沉积物取样,进行了元素分析使用电子能量散射谱(EDS)。结果见表7。

从上面的数据可以看出,钙、S、C、O,和其他元素存在于表面与不同的柴油燃烧后的排气阀。除了上面的元素,也有大量的钾K使用添加剂元素后的沉积物,如表所示7。

3.2.7。接触表面分析

把排气阀和分析的结构和元素接触表面上的存款。结果如下。

如表所示8在相同的阀门磨合过程,仅使用低硫柴油后,排气阀的接触表面呈现不连续黑色沉积物,松散和颗粒。低硫柴油添加添加剂时,连续皮带在同一时间提供的沉积物,沉积形态也从原来的颗粒形状均匀,致密带。阀门使用高硫柴油,表面沉积物均匀分布没有添加剂,但结构相对松散。使用添加剂时,接触表面提供了一个密集结构均匀分布。

3.2.8。XPS分析

为了进一步阐明抗磨机理。典型元素,比如S O、钙、和C的沉积物被x射线电子能谱学分析来确定元素的化学价态,然后确定沉积物的化学成分之间的接触表面空气阀和阀座。

可以得出以下结论XPS分析结果,如图11。

使用不同的柴油后,接触表面上的沉积物的主要成分是碳,和它的结合能值是284.6电动汽车,这是零价碳,无定形碳。沉积物中氧元素的结合能在接触表面531.8 eV,氧元素对应−2价。接触沉积物含有硫磺的结合能值168.2 eV,对应于硫磺酸。

没有柴油添加剂的接触表面沉积物含有钙,结合能值347.4 eV,属于+ 2价钙。结合上面的结合能硫的价值,它可以确定钙的形式存在于磺酸钙根据标准的数据手册。

增加柴油添加剂后,接触表面钾含量非常低,因为XPS分析信号太弱,加入添加剂后,只有低硫柴油,微弱信号检测。

3.2.9。燃烧试验

柴油机废气排放的有害成分,除了传统的一氧化碳(CO),氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)和柴油硫、硫氧化物(SOX)密切相关,可吸入颗粒物(PM)。柴油中的硫化合物的燃烧产生二氧化硫(₂)和三氧化硫(₃),统称为袜,有害气体的排放。同时,袜部分转化为硫酸盐,磺酸盐,和其他微粒组件14- - - - - -19]。

柴油中的硫化合物主要存在于形式的噻吩;到目前为止,学者们达成的共识。噻吩燃烧的机理仍不清楚。噻吩的早期研究燃烧主要是由实验(20.- - - - - -24),和燃烧产品检测主要是炔烃,H₂年代和CS₂。

(1)碳沉积分析。取一定量的低硫柴油(0 #)和高硫柴油燃烧(−10 #),收集燃烧后生成的积炭,并分析的重量和元素碳沉积。结果如下。

通过以上测试结果,没有区别的产品获得0 #和−10 #柴油燃烧后,所有的碳沉积(不是在EDS发现硫元素,如表所示9)。最大的区别是2产生的碳的数量,在−10 #柴油燃烧产生的二氧化碳的大约是0 #的两倍。

(2)燃烧测试的低硫柴油硫补充道。增加噻吩低硫柴油燃料含硫量的增加。结果表明,尽管柴油的硫含量达到9.5%,没有检测到表面的硫元素钢块附加与燃烧产品燃烧后在500°C,如表所示10。

4所示。测试总结

4.1。柴油中硫含量的影响

燃烧试验表明,0 #,−10 #高硫柴油燃烧后产生严重的碳存款,除了−10 #高硫柴油生成碳沉积明显多于0 #柴油。此外,硫元素没有发现在这两种方法产生的碳储量,但磺酸组件(EDS、XPS结果)也出现在接触表面。在500°C,二氧化硫在钢表面不能形成硫化物,如硫酸亚铁,比有机质磺酸盐要少得多。在此基础上,可以判断,硫元素主要来自磺酸盐添加剂或润滑剂。柴油中的硫元素是完全排放二氧化硫在燃烧。因此,含硫量柴油没有关键影响抗磨性能。这可以证明表面形态的排气阀没有高硫柴油的添加剂,含硫量高的燃料−10 #柴油,但存款层形成仍是宽松的,其主要成分是碳元素。在实际操作中,抗磨性能−10 #柴油机气门座上优于0 #柴油,这是由于高碳积累−10 #柴油燃烧时生成的。−10 #柴油直馏柴油加氢处理。它包含大量的芳烃的组件。 As the internal carbon content of aromatic compounds (1 : 1 hydrocarbon ratio) is higher than that of alkane compounds (e.g., gasoline, 1 : 2 hydrocarbon ratio), a large amount of carbon accumulation will be generated during combustion. However, 0# diesel oil is formed by cracking hydrogenation, and the content of aromatics in the components is relatively small, and the amount of carbon accumulation during combustion is also small. When −10# diesel fuel burns, a large amount of carbon deposition is distributed on the contact surface of the valve and seat. After rotating and rolling of the valve, a layer of loose carbon deposition (EDS analysis results) is formed, which plays a certain role in protecting the valve and seat.

因此,当使用的柴油添加剂时,排气阀的接触表面可以显示一个统一的和致密物沉积一层经过一短时间的操作(EDS分析结果)。它可以得出结论,减少排气阀磨损的主要因素不是柴油中的硫含量,但如何形成一个统一的存款排气阀CAS的接触表面的一些化学物质在测试(表所示11)。

附表1

4.2。添加剂的作用

添加剂含有极性化合物具有较强的吸附能力在金属表面,这使得它吸附在金属表面形成一个公司和厚的保护膜,防止金属之间的直接接触。此外,磺酸化合物很难燃烧由于磺酸的存在组织添加剂、润滑剂和仍然存在的形式磺酸。通过排气阀排出时,磺酸盐是一种高粘度物质,形成粘附表面的座位。同时,磺酸盐也坚持无定形碳,滚的旋转阀,然后形成一个统一的致密碳层的接触表面阀和阀座。

EDS和XPS的元素分析结果也可以间接证明。由于EDS的电子能量散射谱,分析表面的深度可以达到微米级,和元素与微米深度可以检测到,而XPS分析深度只有几纳米。以下元素不能被检测到。因此,上述EDS和XPS分析结果是不同的。在添加添加剂(钾docusate)之后,EDS分析表明,有大量的钾在阀座接触表面。特别是在添加additive-high-sulfur柴油,接触表面显示统一的积炭。EDS分析的钾含量达到3.14%,但XPS没有检测到。添加剂的主要原因是,吸附碳存款和表面覆盖,导致没有钾XPS的检测。可以看出,添加剂的作用表面的排气阀是极性化合物吸附在金属表面形成保护膜。在这个保护膜,磺酸盐坚持非晶碳,形成一个统一和密集的积炭层,和抗磨层的示意图如图12。这两个层的保护下的电影,它的角色antiscratch antisintering,显示良好的抗磨的承载力。

4.3。抗磨机理

基于上述分析,大功率柴油机排气阀系统的抗磨机理如下:

柴油混合酯和磺酸盐的化合物(聚酯添加剂中钾、钙石油磺酸盐中引入自然润滑剂)燃烧的燃烧室通过注入喷嘴。柴油混合物产生的二氧化碳,二氧化硫,燃烧后水,无定形碳。在柴油添加剂具有很强的极性,导致一个强大的保护膜排气阀系统的吸附在金属表面,防止金属之间的直接接触。磺酸盐,难以点燃,坚持上面的保护膜表面时通过排气阀排出。同时,磺酸盐坚持无定形碳和形式统一和密集的接触表面积炭排气阀系统旋转和压实阀门,从而保护抗磨的排气阀和发挥作用。

穿0 #柴油的主要原因没有添加剂是,一方面,柴油燃烧更充分地与积炭很少,这使得它很难在摩擦表面形成沉积。另一方面,由于缺乏胶添加剂,碳沉积在摩擦表面变得更难adsorp,尽管润滑油进入石油磺酸钙,但内容很少,所以在短期内,很难adsorp足够数量的泥沙沉积形成。这也是主要原因接触表面的不连续存款0 #柴油排气阀门。

为什么−10 #柴油时不会引起穿不添加添加剂大量燃料燃烧时产生的碳沉积。与此同时,由于跟踪磺酸钙的存在自然进入摩擦表面,磺酸盐的含量虽小,它可以吸收大量的碳沉积,从而形成沉积物,以保护从穿的机票。

5。结论

(1)排气阀的抗磨机理系统使用不同的柴油都是一样的,因为柴油形式统一的碳沉积在接触表面燃烧,从而减少磨损。(2)柴油添加剂的功能是在金属接触表面形成保护膜的排气阀系统,吸附碳,并使其均匀分布在接触表面,以防止排气阀系统磨损。(3)−10 #柴油的燃烧会产生大量的碳沉积,其抗磨性能的主要原因。(4)硫柴油不参与抗磨层的形成。

总之,本文发现,从缸柴油中的硫排放高温燃烧后气体的方式,和硫磺不是发现排气阀阀瓣和阀座。为什么柴油含硫量高的燃料,更有利于耐磨性的阀座在使用过程中,柴油含硫量高的产生更多的碳存款比柴油含硫量丢失,和抗磨防护层的阀座是正的。其碳存款。的过程中连续拍打和阀和阀座之间的摩擦,少量的碳存款会很快磨损,和阀座失去保护层。柴油添加剂的作用是使积炭更加统一和严格遵守阀座表面即使只产生少量的碳存款,并提高保护层的质量。因此,柴油中的硫内容没有任何影响阀座磨损的大功率柴油发动机。

目前,有效的阀座抗磨的方法主要是使用燃油添加剂和镶嵌硬阀席位。然而,一些柴油机不能镶嵌硬阀座由于燃烧室的结构紧凑,和气体阀非常容易穿硬阀座镶嵌后。其他柴油引擎不能使用预拌油箱,因为他们的小屋结构紧凑,所以他们不能有效地使用燃料添加剂。大多数柴油发动机的进气阀座可以用润滑油润滑,但排气阀座不能有效润滑接触表面之间的阀瓣和阀座由于排气背压。在未来,它可以认为柴油机润滑油的流动从汽缸内腔的阀座,然后流到接触表面,降低工作温度和减少阀座和阀瓣之间的摩擦。

数据可用性

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的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。