摘 要：針對(duì)增壓柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中增壓器壓端出口處的機(jī)油結(jié)焦問(wèn)題，以規(guī)格為CD 15W-40和CI-4 15W-40的柴油機(jī)機(jī)油為研究對(duì)象，在金屬片結(jié)焦臺(tái)架上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究機(jī)油在不同溫度下的高溫結(jié)焦規(guī)律，并對(duì)結(jié)焦產(chǎn)物進(jìn)行顯微紅外光譜分析。結(jié)果表明：溫度影響機(jī)油的高溫結(jié)焦過(guò)程，機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的質(zhì)量隨溫度變化存在峰值；不同溫度下機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物組成存在差異，溫度越高，結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度越深。

關(guān)鍵詞：機(jī)油；渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；高溫；結(jié)焦

中圖分類號(hào)：TE626.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）04-0048-08

引用格式：楊聲云，肖進(jìn).基于薄膜氧化的機(jī)油結(jié)焦特性試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（4）：48-55.

YANG Shengyun，XIAO Jin.Experimental study on the coking characteristics of engine oil based on thin film oxidation［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：48-55.

0 引言

柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，活塞環(huán)與高溫氣體接觸產(chǎn)生熱膨脹，同時(shí)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也會(huì)使活塞環(huán)出現(xiàn)脹縮變形，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)在活塞環(huán)與氣缸壁間應(yīng)留有一定的余隙，防止活塞環(huán)熱膨脹影響燃燒［1］。由于活塞環(huán)與氣缸壁之間存在余隙，活塞環(huán)不能在任一時(shí)刻均緊密地貼合在氣缸壁上，造成燃燒室內(nèi)的部分高溫高壓氣體通過(guò)活塞環(huán)間隙竄入曲軸箱，這種現(xiàn)象被稱為竄氣［2］。這些高溫高壓氣體導(dǎo)致機(jī)油氧化變質(zhì)，且其中的水蒸氣與機(jī)油混合導(dǎo)致機(jī)油泡沫化［3］，影響機(jī)油的使用性能；曲軸箱內(nèi)的氣體增多、壓力增大還導(dǎo)致機(jī)油上竄等問(wèn)題。為此，許多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上都設(shè)計(jì)了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)［4-6］。

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要分為開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)2類，開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的曲軸箱竄氣經(jīng)過(guò)油氣分離器分離后直接排入大氣中，閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的竄氣經(jīng)過(guò)分離后被送入氣缸內(nèi)再次燃燒。我國(guó)開始全面實(shí)行國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)之前，大部分非道路用柴油機(jī)都使用開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)［7-9］。為了滿足更加嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，以及將開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的曲軸箱竄氣排放納入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的檢測(cè)范圍，盡管未強(qiáng)制要求企業(yè)采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，許多企業(yè)在開發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中都考慮采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。

增壓器利用燃料燃燒后排出的廢氣驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，壓縮進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣，增大空氣的壓力和密度，發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率隨之增大，有利于燃料的充分燃燒，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在排量不變的情況下輸出更大的功率［10］。由于油氣分離器的分離效率不能到達(dá)100%，小部分機(jī)油隨著被分離的氣體進(jìn)入到增壓系統(tǒng)中。因此對(duì)于采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓系統(tǒng)中的溫度較高，促使部分機(jī)油在增壓器壓氣機(jī)端的進(jìn)、出口結(jié)焦，降低增壓器與中冷器的工作效率［11-13］。許多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)選擇提高增壓比以增大發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率［14］，更高增壓比意味著更高的壓縮氣體溫度，因此機(jī)油更容易在增壓器壓端結(jié)焦。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)油在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器壓端進(jìn)出口處的結(jié)焦問(wèn)題的研究主要集中在油氣分離器與增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［15］，對(duì)機(jī)油本身性質(zhì)的研究較少；雖然關(guān)于機(jī)油的熱氧化安定性以及抗結(jié)焦能力的評(píng)估試驗(yàn)較多［16-19］，但不能滿足機(jī)油在增壓器壓端進(jìn)出口處的條件，因此需要對(duì)機(jī)油的結(jié)焦特性進(jìn)行研究。

某柴油機(jī)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高低負(fù)荷循環(huán)工作一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)增壓器壓端出口處存在明顯機(jī)油結(jié)焦，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)較復(fù)雜，所需時(shí)間較長(zhǎng)，且較難對(duì)機(jī)油的結(jié)焦進(jìn)行定量分析［20］，因此選擇模擬試驗(yàn)。此前已有研究人員設(shè)計(jì)了試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的熱氧化特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的一致性較高［21］。本研究設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)室模擬結(jié)焦臺(tái)架，研究2種機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量差異；對(duì)2種機(jī)油原始油樣進(jìn)行熱重測(cè)試和紅外光譜測(cè)試，并對(duì)不同溫度下的結(jié)焦產(chǎn)物進(jìn)行顯微紅外光譜測(cè)試，分析機(jī)油的高溫結(jié)焦特性，為減少機(jī)油在增壓器中的結(jié)焦、提高增壓柴油機(jī)的可靠性提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)選用的2種柴油機(jī)油分別是當(dāng)前試驗(yàn)中在用機(jī)油（規(guī)格為CD 15W-40，簡(jiǎn)稱為CD機(jī)油）與待測(cè)機(jī)油（規(guī)格為CI-4 15W-40，簡(jiǎn)稱為CI機(jī)油），2種機(jī)油的主要潤(rùn)滑性能參數(shù)如表1所示。由表1可知，2種機(jī)油的潤(rùn)滑特性相近，用CI機(jī)油替換掉CD機(jī)油不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)方案及裝置

由于廠家提供的機(jī)油理化性質(zhì)信息有限，僅憑借機(jī)油黏度、酸值等參數(shù)無(wú)法對(duì)機(jī)油的結(jié)焦特性進(jìn)行全面分析，因此需要測(cè)定2種機(jī)油的熱穩(wěn)定性、組成成分等理化性質(zhì)，進(jìn)行模擬結(jié)焦試驗(yàn)，對(duì)2種機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物進(jìn)行分析，試驗(yàn)方案流程圖如圖1所示。試驗(yàn)及用到的試驗(yàn)裝置包括：1）熱重測(cè)試。使用型號(hào)為TGA550熱重分析儀，氮?dú)夥諊?，升溫速率?0 ℃/min。2）紅外光譜測(cè)試。使用型號(hào)為Nicolet 6700的紅外光譜儀，采用KBr壓片法進(jìn)行壓片，波數(shù)掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為0.09 cm-1。3）顯微紅外光譜測(cè)試。使用型號(hào)為iN10 MX的顯微成像紅外光譜儀，波數(shù)掃描范圍為600～4 000 cm-1，分辨率為3 cm-1。

試驗(yàn)室模擬結(jié)焦試驗(yàn)臺(tái)架主要由加熱器、試驗(yàn)金屬片、溫度控制系統(tǒng)3部分組成，如圖2所示。加熱器最大加熱功率為2 kW；加熱器的電熱絲由鎳鉻合金材料制成，最高加熱溫度為600 ℃；爐盤選擇方形結(jié)構(gòu)，以便加熱絲中心對(duì)稱分布［22-23］。為了使金屬片在加熱過(guò)程中受熱均勻，在爐盤上方覆蓋云母板，云母板上有孔徑略大于金屬片外徑的小孔。金屬片設(shè)計(jì)為圓形淺碗結(jié)構(gòu)，上下表面拋光，材質(zhì)為18CrNi8。溫度控制系統(tǒng)由K型鎧裝熱電偶、比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）溫度控制器以及固態(tài)繼電器組成，PID溫度控制器接收熱電偶的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度自行調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器的開關(guān)，進(jìn)行溫度控制，其溫控精度在±0.3 ℃以內(nèi)；K型鎧裝熱電偶的長(zhǎng)度為200 mm，直徑為1 mm。在爐盤下方開一個(gè)小孔，將熱電偶探針置于爐盤中央、金屬片下方的位置，進(jìn)行溫度測(cè)量。由于熱電偶測(cè)量點(diǎn)位于金屬片下方，測(cè)量溫度不是機(jī)油在金屬片表面加熱過(guò)程中的實(shí)際溫度，因此應(yīng)對(duì)該溫度進(jìn)行校正，本文中加熱溫度均為已校正的加熱溫度。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.3.1 熱重測(cè)試

試驗(yàn)開始前將儀器預(yù)熱1 h以上，將試驗(yàn)油樣滴入試驗(yàn)盤內(nèi)，油樣質(zhì)量為10 mg。設(shè)定起始加熱溫度為20 ℃，樣品在20 ℃保溫5 min，開始升溫至700 ℃，升溫速率為10 ℃/min。當(dāng)溫度到達(dá)700 ℃，保溫5 min，結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中氮?dú)獾捏w積流量為50 mL/min。繪制質(zhì)量殘余率和失重速率隨溫度的變化曲線（失重曲線），根據(jù)2種機(jī)油隨溫度變化的失重曲線評(píng)價(jià)其熱穩(wěn)定性，其中：質(zhì)量殘余率為樣品在加熱過(guò)程中對(duì)應(yīng)溫度下的殘余質(zhì)量的百分比，表征樣品在升溫程序下質(zhì)量隨溫度的變化；失重速率為樣品在加熱過(guò)程中對(duì)應(yīng)溫度下的殘余質(zhì)量對(duì)溫度坐標(biāo)取一次微分的結(jié)果，表征樣品在升溫程序下質(zhì)量變化速率隨溫度的變化。

1.3.2 紅外光譜測(cè)試與顯微紅外光譜測(cè)試

按照文獻(xiàn)［24］進(jìn)行，試驗(yàn)根據(jù)紅外光譜圖上吸收峰形狀、位置的變化分析樣品的組成成分及其變化。

1.3.3 模擬結(jié)焦試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前將金屬片在正庚烷中浸泡24 h［25］，消除雜質(zhì)對(duì)于機(jī)油結(jié)焦的干擾。浸泡完成后，將金屬片從正庚烷中取出并烘干，測(cè)量金屬片質(zhì)量。用容量為1 mL的注射器將質(zhì)量為50 mg的機(jī)油沿金屬片四周滴加至金屬片上，在不同溫度下進(jìn)行金屬片高溫氧化結(jié)焦試驗(yàn)，加熱溫度參考MAN公司提供的發(fā)動(dòng)機(jī)說(shuō)明書［26］，由于增壓器出口氣體溫度約為240 ℃，因此設(shè)定加熱溫度為200～300 ℃，每個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度間隔20 ℃。其他研究人員在潤(rùn)滑油的模擬結(jié)焦試驗(yàn)中設(shè)定的加熱時(shí)長(zhǎng)通常不超過(guò)4 h［17，21］，為了充分觀察機(jī)油的結(jié)焦情況，本試驗(yàn)加熱時(shí)間為8 h。根據(jù)其他研究人員的模擬氧化試驗(yàn)，機(jī)油高溫氧化反應(yīng)后生成的不溶于正庚烷的物質(zhì)可視為結(jié)焦產(chǎn)物［27-28］。將機(jī)油加熱8 h后產(chǎn)生沉積物的金屬片置于正庚烷中浸泡24 h，烘干測(cè)量其質(zhì)量，根據(jù)2種機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的質(zhì)量變化評(píng)價(jià)其結(jié)焦特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱重測(cè)試

考慮到熱重分析儀天平的靈敏性，本次試驗(yàn)定義機(jī)油質(zhì)量變化1%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為機(jī)油失重起始溫度，機(jī)油最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度為最大失重速率溫度。2種機(jī)油的熱重測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3a）可知：CD機(jī)油的起始失重溫度為215.63 ℃， CI機(jī)油的起始失重溫度為201.11 ℃，兩者相差10 ℃以上，說(shuō)明CD機(jī)油的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于CI機(jī)油。由圖3b）可知：CD機(jī)油的最大失重速率溫度為361.90 ℃， CI機(jī)油的最大失重速率溫度為323.31 ℃，2種機(jī)油的最大失重速率溫度相差超過(guò)30 ℃。熱重測(cè)試結(jié)果表明CD機(jī)油含有較多的高沸點(diǎn)組分。

2.2 機(jī)油的紅外光譜測(cè)試

2種機(jī)油的紅外光譜圖如圖4所示。由圖4可知： 2種機(jī)油在波數(shù)為2 852、2 921 cm-1處都有非常強(qiáng)的吸收峰，這說(shuō)明油樣中存在著較多的—CH3與—CH2；波數(shù)為1 460 cm-1處的吸收峰由—CH2的剪式彎曲振動(dòng)所致，波數(shù)為1377 cm-1處的吸收峰由—CH（CH3）2的彎曲振動(dòng)所致；波數(shù)為721 cm-1處的吸收峰為—（CH2）n—的振動(dòng)所致，這表明原始油樣中有相連的含4個(gè)以上碳原子的—CH2—長(zhǎng)鏈；這5處吸收峰的面積要明顯大于其他吸收峰，這些官能團(tuán)的振動(dòng)明顯強(qiáng)于其他官能團(tuán)，2種油樣主要由含這些官能團(tuán)的組分構(gòu)成。同時(shí)，2種油樣在主要官能團(tuán)的吸收峰上幾乎沒(méi)有差別，2種機(jī)油的基礎(chǔ)油成分類似，均為長(zhǎng)鏈烷烴。根據(jù)熱重測(cè)試結(jié)果，CD機(jī)油中的烷烴沸點(diǎn)更高，相對(duì)分子質(zhì)量更大，碳鏈更長(zhǎng)。

將圖4的結(jié)果與趙暢暢等［29］、Gan等［30］研究的機(jī)油紅外光譜對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2種機(jī)油的紅外光譜圖與酯類潤(rùn)滑油的紅外光譜圖存在明顯差異，2種機(jī)油在波數(shù)為1 700 cm-1附近均不存在C=O的振動(dòng)峰，這說(shuō)明其基礎(chǔ)油中不含羰基，2種機(jī)油的基礎(chǔ)油并非Ⅴ類基礎(chǔ)油。機(jī)油的氧化反應(yīng)生成酸、醛、酮和內(nèi)酯類等氧化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物的一大共同特點(diǎn)是含羰基官能團(tuán)，利用紅外光譜可以監(jiān)測(cè)到不同氧化產(chǎn)物的吸收峰面積，并據(jù)此判斷產(chǎn)物的氧化深度，可以根據(jù)這一特性利用C=O吸收峰峰面積來(lái)分析機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的氧化情況。

由2種機(jī)油的紅外光譜結(jié)果可知，兩者添加劑對(duì)應(yīng)的特征吸收峰也存在差異。將圖4中差異較大的部分紅外光譜圖放大，如圖5所示。

2.3 機(jī)油的沉積質(zhì)量與結(jié)焦質(zhì)量

將不同溫度下加熱的金屬片在正庚烷內(nèi)浸泡24 h后烘干，浸泡前金屬片上機(jī)油殘余質(zhì)量為沉積質(zhì)量，浸泡后金屬片上機(jī)油殘余質(zhì)量為結(jié)焦質(zhì)量，機(jī)油沉積質(zhì)量與結(jié)焦質(zhì)量隨溫度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：1）CD機(jī)油在加熱溫度高于240 ℃時(shí)的沉積物均不溶于正庚烷，經(jīng)正庚烷浸泡24 h后沒(méi)有質(zhì)量損失，可以認(rèn)為CD機(jī)油在加熱溫度高于240 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物均為結(jié)焦物；加熱溫度為 200 ℃時(shí)的沉積物中大部分溶于正庚烷，僅小部分不溶的結(jié)焦產(chǎn)物；加熱溫度為220 ℃時(shí)的沉積物中也有小部分溶于正庚烷。2）CI機(jī)油的沉積產(chǎn)物變化趨勢(shì)與CD機(jī)油類似，也經(jīng)歷了從加熱溫度為200 ℃的沉積產(chǎn)物中含有部分正庚烷可溶物，到加熱溫度為220 ℃沉積產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿慕Y(jié)焦產(chǎn)物。根據(jù)極性相似相溶原理，當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，機(jī)油的沉積物中不僅含有極性較高的高分子氧化物，還有部分沸點(diǎn)較高但是反應(yīng)活性較低的組分，這些組分能夠溶于正庚烷；當(dāng)溫度升高，不溶于正庚烷的組分越來(lái)越少，沉積產(chǎn)物中結(jié)焦產(chǎn)物越來(lái)越多，直到全部結(jié)焦。但是機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量隨溫度變化存在最大值，并不會(huì)隨溫度的增大一直增大，定義最大結(jié)焦生成量對(duì)應(yīng)的溫度為最大結(jié)焦溫度，2種機(jī)油的最大結(jié)焦溫度約為220 ℃。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：機(jī)油在氧化結(jié)焦過(guò)程中其組分蒸發(fā)以及發(fā)生氧化分解反應(yīng)、聚合反應(yīng)［31］，結(jié)焦主要由氧化分解與聚合反應(yīng)生成的高極性氧化產(chǎn)物組成。對(duì)于沉積產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，溫度升高增大氧化反應(yīng)速率，生成更多的結(jié)焦，但同時(shí)也增大了蒸發(fā)損失。根據(jù)熱重測(cè)試的結(jié)果可知，隨著溫度升高，機(jī)油的失重速率越來(lái)越大，因此沉積質(zhì)量逐漸減小，直到等于結(jié)焦質(zhì)量。對(duì)于結(jié)焦產(chǎn)物，結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度隨溫度升高逐漸加深，一方面組分間進(jìn)一步聚合生成高分子的多環(huán)芳烴和水分子，水分子在高溫下蒸發(fā)；另一方面部分小分子的醛、酸和酯等氧化產(chǎn)物隨溫度升高逐漸蒸發(fā)，這兩方面都會(huì)造成結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量損失。但當(dāng)溫度較低時(shí)，溫度升高損失的結(jié)焦質(zhì)量低于溫度升高增加的結(jié)焦質(zhì)量，結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量隨溫度的升高而增大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，質(zhì)量損失逐漸占據(jù)主導(dǎo)，結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量開始隨著溫度的升高而減小。在多種因素作用下，溫度升高使得結(jié)焦產(chǎn)物的質(zhì)量先增大后減小。為了減少機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)焦量，應(yīng)盡量避免在最大結(jié)焦溫度附近工況運(yùn)行。

CI機(jī)油的結(jié)焦量小于CD機(jī)油，這與CD機(jī)油中較多的高沸點(diǎn)組分有關(guān)。2種機(jī)油在高溫加熱時(shí)，都存在組分的蒸發(fā)與氧化，CD機(jī)油中較多的高沸點(diǎn)組分意味著在加熱過(guò)程中CD機(jī)油通過(guò)蒸發(fā)損失的組分更少，而保留下來(lái)未被蒸發(fā)掉的組分參與到氧化反應(yīng)中生成結(jié)焦產(chǎn)物，導(dǎo)致CD機(jī)油結(jié)焦質(zhì)量更大。

2.4 結(jié)焦產(chǎn)物顯微紅外光譜分析

為了驗(yàn)證溫度對(duì)結(jié)焦產(chǎn)物的影響，對(duì)各溫度下的結(jié)焦產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析。由于機(jī)油在金屬片上的結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量均為mg級(jí)，難以從金屬片上分離，因此對(duì)2種機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物進(jìn)行顯微紅外光譜分析，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：1）2種機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物在波數(shù)2 900 cm-1附近的—CH3吸收峰，波數(shù)2 800 cm-1附近的—CH2吸收峰，波數(shù)1 700 cm-1附近的C=O吸收峰面積存在明顯變化； CD機(jī)油在溫度為200 ℃時(shí)的結(jié)焦產(chǎn)物仍保留著明顯的—CH3吸收峰與—CH2吸收峰，其面積與C=O吸收峰相當(dāng)，說(shuō)明此時(shí)結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度相對(duì)較低，仍有大量的甲基、亞甲基未被氧化脫氫；當(dāng)溫度升高，C=O吸收峰的面積開始增大，—CH3吸收峰與—CH2吸收峰的面積逐漸減小直至消失。2）加熱溫度為300 ℃時(shí)，C=O吸收峰相較于280 ℃有所減小，這是因?yàn)?00 ℃時(shí)金屬片上的結(jié)焦產(chǎn)物質(zhì)量過(guò)低，導(dǎo)致C=O吸收峰面積有所減小。3）CD機(jī)油在加熱溫度為240 ℃時(shí)的C=O吸收峰面積小于220 ℃，CI機(jī)油在加熱溫度為220 ℃的C=O吸收峰面積小于200 ℃，可能是因?yàn)樵摐囟认碌臋C(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物對(duì)紅外光的吸收率較高。由于結(jié)焦產(chǎn)物的質(zhì)量、吸光度等因素都影響顯微紅外光譜結(jié)果，因此，定量分析結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度，不能僅憑借單個(gè)峰的面積。

本次試驗(yàn)選擇分別計(jì)算波數(shù)為2 900 cm-1附近的—CH3吸收峰面積S2900與1 700 cm-1附近的C=O吸收峰面積S1700表征結(jié)焦產(chǎn)物的變化，根據(jù)兩者之比定量分析2種機(jī)油在不同溫度下結(jié)焦產(chǎn)物的氧化深度［32］

CSI=S1700/S2900。（1）

2種機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的紅外光譜吸收峰面積計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知：隨著加熱溫度的不斷升高，2種機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物的氧化深度CSI不斷增大，表明隨著溫度升高，機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度不斷加深；2）CI機(jī)油的結(jié)焦產(chǎn)物氧化程度在200～220 ℃時(shí)低于CD機(jī)油，240 ℃后逐漸增大并超過(guò)CD機(jī)油，2種機(jī)油同一溫度下加熱的結(jié)焦產(chǎn)物氧化程度差異可能與2種機(jī)油的組成成分有關(guān)。機(jī)油的結(jié)焦過(guò)程涉及反應(yīng)較多，CD機(jī)油與CI機(jī)油的組成成分存在差異，氧化結(jié)焦過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)也不盡相同，最終導(dǎo)致了兩者結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度存在差異。

3 結(jié)論

建立了機(jī)油的試驗(yàn)室模擬結(jié)焦試驗(yàn)，對(duì)CD、CI 2種機(jī)油的高溫結(jié)焦特性進(jìn)行了研究。

1）熱重測(cè)試與紅外光譜測(cè)試結(jié)果表明，CI機(jī)油中含有更多的低沸點(diǎn)組分、更多的抗磨劑與清凈分散劑，但是其抗氧化劑含量低于CD機(jī)油。

2）抗結(jié)焦性能與抗氧化性能之間沒(méi)有必然的關(guān)系，CI機(jī)油的抗結(jié)焦性能要優(yōu)于CD機(jī)油，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)CI機(jī)油的結(jié)焦量均低于CD機(jī)油，將CD機(jī)油更換為CI機(jī)油可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)處的結(jié)焦量。

3）溫度對(duì)機(jī)油的結(jié)焦過(guò)程有重要影響，隨著溫度升高，結(jié)焦產(chǎn)物的氧化程度不斷加深，機(jī)油結(jié)焦產(chǎn)物的質(zhì)量隨溫度的變化存在最大值，因此，為了減少結(jié)焦質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)盡量避免在該最大結(jié)焦溫度對(duì)應(yīng)工況運(yùn)行。

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Experimental study on the coking characteristics of engine oil

based on thin film oxidation

YANG Shengyun， XIAO Jin*

Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education，

Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China

Abstract：Focusing on the issue of oil coking at the outlet of the compressor during the operation of a turborcharged diesel engine， a simulation test is conducted on a metal sheet coking bench using diesel engine oils of specifications CD 15W-40 and CI-4 15W-40 as the research objects. The high-temperature coking law of engine oil at different temperatures is studied，and the coking products are analyzed by microscopic infrared spectroscopy.The results indicate that temperature affects the high-temperature coking process of the oils， and there is a peak in the mass of coking products when the temperature changes. Moreover， the composition of the oil coking products differs at different temperatures， with a higher temperature leading to a greater degree of oxidation in the coking products.

Keywords：engine oil; turbocharged engine; high temperature; coke

（責(zé)任編輯：劉麗君）

收稿日期：2024-03-30

基金項(xiàng)目：上海市科委高新技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目（19511108500）

第一作者簡(jiǎn)介：楊聲云（1998—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油結(jié)焦，E-mail：shengyun_yang@sjtu.edu.cn。

*通信作者簡(jiǎn)介：肖進(jìn)（1973—），男，湖南安化人，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制、自由活塞式內(nèi)燃機(jī)直線發(fā)電混合動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，E-mail：xiaojin@sjtu.edu.cn。