(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 山東濟(jì)南 250100)

近年來(lái)，酸雨、霧霾和光化學(xué)煙霧等大氣污染問(wèn)題在我國(guó)一些地區(qū)時(shí)常發(fā)生，這與汽車(chē)尾氣排放緊密相關(guān)。在同等功率下，車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的碳?xì)浠衔锖虲O比同樣性能的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低95%，所排放的CO2也要比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)少25%，而且使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可比用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)約30%(體積分?jǐn)?shù))的燃料，因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具備清潔、耐用、效率高、修理費(fèi)用低等特點(diǎn)[1]。無(wú)論從環(huán)保還是節(jié)能來(lái)看，柴油的使用量將會(huì)增大。隨著環(huán)保要求的日漸嚴(yán)格，硫含量的降低導(dǎo)致柴油潤(rùn)滑性的問(wèn)題日益突出，因此，需要有高效的柴油潤(rùn)滑性評(píng)定方法。

為了評(píng)定柴油的潤(rùn)滑性，預(yù)測(cè)柴油在燃油高壓泵中對(duì)泵的磨損情況，各國(guó)學(xué)者研發(fā)了許多試驗(yàn)方法，主要是模擬評(píng)價(jià)方法和油泵臺(tái)架試驗(yàn)[2]。此外，還有四球機(jī)模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法，用來(lái)評(píng)價(jià)液壓油的潤(rùn)滑性能和油品承載能力，用于輕質(zhì)燃料油的測(cè)試條件比較苛刻[3]；全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)油泵模擬試驗(yàn)依據(jù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)后噴油的質(zhì)量以及各零部件的磨損狀況來(lái)判定燃料油的潤(rùn)滑性是否符合發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的潤(rùn)滑要求[4]。這些方法一般需要的試驗(yàn)儀器比較笨重、昂貴，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程也比較繁瑣。韋淡平[5]的研究表明，柴油的氮含量和終餾點(diǎn)與其潤(rùn)滑性能的相關(guān)性較好。吳江[6]研究發(fā)現(xiàn)，酸度、黏度以及多環(huán)芳烴含量等指標(biāo)與軍用柴油的潤(rùn)滑性能具有良好的相關(guān)性。管亮等人[7]依據(jù)油品組分的特性研發(fā)了介電譜儀，專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)定油品的介電譜數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)建模的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后利用HFRR所測(cè)得的結(jié)果，討論了介電譜數(shù)據(jù)與潤(rùn)滑性之間的關(guān)聯(lián)性，建立了數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)判斷和測(cè)定柴油的潤(rùn)滑性。

本文作者利用檢測(cè)介電特性的方法提取柴油中少量對(duì)柴油潤(rùn)滑性能有較大貢獻(xiàn)的極性雜環(huán)化合物組分，建立介電特性快速預(yù)測(cè)柴油潤(rùn)滑性能的模型，對(duì)保證柴油潤(rùn)滑性能具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用抗磨劑為由C6～C22脂肪酸與多元醇組成的脂肪酸酯型柴油抗磨劑，柴油為煉油廠生產(chǎn)的未加入抗磨劑的加氫精制柴油，主要性質(zhì)如表1所示?？梢?jiàn)，加氫精制柴油的組成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要為鏈烷烴和環(huán)烷烴，硫含量和酸度非常低，校正磨斑直徑較大。

表1 加氫精制柴油的主要性質(zhì)Table 1 The main properties of hydrofining diesel oil

1.2 儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 2 Experimental equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將柴油抗磨劑按比例加入柴油中，分別配制抗磨劑質(zhì)量比為0、50、100、150、200、250、300、350、400、450 mg/kg的10個(gè)柴油樣品，然后在60 ℃下測(cè)量其介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值和電阻率。每個(gè)樣品檢測(cè)3次，取3次的平均值作為最終結(jié)果。測(cè)定潤(rùn)滑性實(shí)驗(yàn)前將10個(gè)柴油樣品分別搖勻，然后按照SH/T 0765-2005[8]測(cè)定各柴油樣品的校正磨斑直徑。

2 結(jié)果與討論

在60 ℃下，測(cè)定了10個(gè)不同抗磨劑質(zhì)量比的樣品的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值、電阻率以及校正磨斑直徑，所測(cè)結(jié)果如表3所示。將所測(cè)得的校正磨斑直徑分別繪制成隨介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、電容值和電阻率的變化圖，如圖1—4所示。

從圖1可以看出：伴隨介質(zhì)損耗的增加，校正磨斑直徑呈減小趨勢(shì)且隨介質(zhì)損耗的變化波動(dòng)較大。介質(zhì)損耗是電介質(zhì)在交變電場(chǎng)影響下?lián)p失的能量，也就是轉(zhuǎn)化成熱能的那一部分能量，油相中電介質(zhì)極性分子轉(zhuǎn)向和位移極化需要一定的時(shí)間，且容易受極小量的可電離溶解雜質(zhì)或膠體微粒的影響，在極性較大的液體中有較高的溶解和電離能力，這就導(dǎo)致了在校正磨斑直徑較小也就是極性分子較多的情況下測(cè)得的介質(zhì)損耗波動(dòng)比較大。

表3 不同抗磨劑含量柴油的介電特性及校正磨斑直徑Table 3 Dielectric properties of diesel oil with different antiwear agent concentration and corrected grinding spot diameter

圖1 介質(zhì)損耗與校正磨斑直徑的關(guān)系 Fig 1 The relationship between the dielectric loss and the corrected grinding spot diameter 圖2 介電常數(shù)與校正磨斑直徑的關(guān)系Fig 2 The relationship between the dielectric constant and the corrected grinding spot diameter

圖3 電容值與校正磨斑直徑的關(guān)系Fig 3 The relationship between capacitance value and corrected grinding spot diameter 圖4 電阻率與校正磨斑直徑的關(guān)系 Fig 4 The relationship between resistivity and corrected grinding spot diameter

從圖2可以看出：當(dāng)校正磨斑直徑減小時(shí)，介電常數(shù)不斷增大。由于電介質(zhì)一般具有固定的介電常數(shù)，表示該物質(zhì)儲(chǔ)存電場(chǎng)能的能力，外界變化對(duì)其干擾較小，圖中介電常數(shù)與校正磨斑直徑的曲線(xiàn)也證實(shí)兩者之間的相關(guān)性很好。

從圖3能夠看出：伴隨電容值的增加，校正磨斑直徑呈減小趨勢(shì)，且隨電容值的變化波動(dòng)較大。這是由于電容值易受空間雜散的電磁干擾，尤其是用于輸出數(shù)據(jù)的信號(hào)電纜，屏蔽不好會(huì)引起檢測(cè)精度誤差。

從圖4可以看出：伴隨電阻率的增加，校正磨斑直徑不斷增大，且隨電阻率的變化波動(dòng)較大。這是由于測(cè)定電阻率時(shí)，線(xiàn)路中絕緣電阻較低的連線(xiàn)，時(shí)常會(huì)與被測(cè)試樣品電阻并聯(lián)，而且由于高壓線(xiàn)發(fā)生表面電離，有一部分會(huì)泄漏到地面，電化時(shí)間的差異也會(huì)引起電阻率測(cè)量結(jié)果的誤差。

從圖1—4可以看出：校正磨斑直徑隨介質(zhì)損耗、電容值、電阻率的變化規(guī)律不如隨介電常數(shù)變化的有規(guī)律，可認(rèn)為介電常數(shù)與校正磨斑直徑有較好的相關(guān)性。為了探究校正磨斑直徑與介電常數(shù)是否存在一定的關(guān)系，使用1stOpt軟件對(duì)介電常數(shù)與校正磨斑直徑進(jìn)行了擬合，如圖5所示。

圖5 介電常數(shù)與校正磨斑直徑擬合曲線(xiàn)Fig 5 Fitting curve of dielectric constant and corrected grinding spot diameter

擬合方程選用：

(1)

式中：a、b、c為擬合系數(shù);x為介電常數(shù);y為校正磨斑直徑。

擬合結(jié)果：a=317.36，b=0.01，c=-2.18，R2=0.979 3

決定系數(shù)R2非常接近于1，結(jié)合圖2可以得知介電常數(shù)與校正磨斑直徑有著必然的聯(lián)系。因此，在已知介電常數(shù)的情況下，可計(jì)算出柴油的校正磨斑直徑，從而為測(cè)定潤(rùn)滑性提供參考。

3 驗(yàn)證分析

以加氫柴油B為對(duì)象，分別加入不同量的脂肪酸酯型抗磨劑B，測(cè)定其介電常數(shù)，并計(jì)算校正磨斑直徑，同時(shí)運(yùn)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法直接測(cè)定的校正磨斑直徑數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 樣品的介電常數(shù)和校正磨斑直徑Table 4 The dielectric constant of the sample and the corrected spot diameter

對(duì)計(jì)算出的校正磨斑直徑和運(yùn)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法直接測(cè)定的值進(jìn)行比較，如圖6所示?？梢钥闯觯簺Q定系數(shù)R2=0.985 5非常接近于1，兩者線(xiàn)性擬合非常好，預(yù)測(cè)結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的要求，說(shuō)明不同抗磨劑對(duì)不同柴油的潤(rùn)滑性及介電常數(shù)的影響效果同樣適用于此模型。因此可以認(rèn)為通過(guò)對(duì)柴油介電常數(shù)的測(cè)定，可以直接確定柴油潤(rùn)滑性能。

圖6 校正磨斑直徑計(jì)算值和測(cè)定值比較Fig 6 Fitting the calculated value and measured value of the wear spot diameter

4 結(jié)論

(1)以未加抗磨劑的加氫精制柴油為基礎(chǔ)，通過(guò)添加不同量的抗磨劑來(lái)研究介電特性與校正磨斑直徑的相關(guān)性，研究表明，介電常數(shù)與校正磨斑直徑的相關(guān)性最好。

(2)建立介電常數(shù)與校正磨斑直徑的公式模型，通過(guò)不同抗磨劑對(duì)使用公式模型直接計(jì)算值與測(cè)定值比較，線(xiàn)性擬合很好。因此，可以通過(guò)對(duì)柴油介電常數(shù)的測(cè)定，來(lái)預(yù)測(cè)柴油的校正磨斑直徑。

(3)對(duì)于加有對(duì)柴油潤(rùn)滑性貢獻(xiàn)效果不同的添加劑的部分柴油樣品(像許多腐蝕抑制劑抗磨劑和抗磨劑的極性較大并且有減少磨損的效果，而有些添加劑如硝基烷烴和氰類(lèi)的極性也很大，卻增加柴油的磨損)，需預(yù)先將它們分類(lèi)處理，并采用各自適合的特征進(jìn)行建模，來(lái)適應(yīng)對(duì)不同樣品的評(píng)定，而分類(lèi)方法需要進(jìn)一步的探索研究。