甲醇的燃料润滑性研究 精灵论文.doc

甲醇的燃料润滑性研究汪映，何利，周龙保（西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049）摘要：甲醇的物理化学特性与传统的柴油燃料不同， 当前的燃料润滑性评定方法不是非常适用于甲醇燃料。本文采用冷态油泵试验法进行甲醇燃料润滑性的研究，结果表明冷态油泵 试验法是一种较适合甲醇燃料润滑性评定的方法。试验也同时表明甲醇燃料的润滑性较差， 加入一定量蓖麻油可改善甲醇燃料润滑性。关键词： 动力机械及工程；甲醇；润滑性；蓖麻油中图分类号：TK42Study on Methanol LubricityWANG Ying, HE Li, ZHOU Longbao(School of Energy and Power 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 fuel 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引言甲醇（methanol）作为一种清洁燃料,早在上世纪开始就引起国内外研究者的关注,开展 了相关研究并获得了一定的研究成果。甲醇可以从煤或天然气中提炼，也可以利用现有的氮 肥厂设备联产，生产成本低；其辛烷值高，抗爆震能力强；含氧高，气化潜热大，可降低 CO、NOx、HC排放1。甲醇是良好车用清洁替代燃料, 但是它在使用中存在燃料润滑方面 的问题, 需要对其进行燃料润滑性的具体评定。润滑是人们用来减少摩擦和磨损的重要手段，它是利用润滑剂在摩擦表面形成一层具有 低摩擦阻力的润滑膜层，从而减小摩擦件的摩擦和磨损。早在 20 世纪 80 年代，我国石油化 工科学研究院的韦淡平等就针对燃料润滑性问题开展了许多研究工作2-4。到目前为止，对 燃料润滑性能的测量已有了多种标准的试验方法和实验设备。目前广泛采用的试验设备有四 球机和高频往复试验机构（HFRR），但是这些方法一般用来测量常温常压下为液态的燃料 的润滑性能。甲醇的挥发性较强并且甲醇蒸气对人的呼吸道粘膜和视力有损害，甲醇的这 些特殊的性质决定了不能使用传统的试验机构来测量它们的润滑性能，而应选用其它方 法来测量。因此有必要开展甲醇燃料的润滑性研究。基金项目：教育部博士点新教师基金(20070698030);西安交通大学研究生创新基金专项资助项目.作者简介：汪映（1975-），女，副教授，主要研究方向：燃料润滑性. E-mail: wydmesina.com1试验台布置及主要仪器设备1.1油泵试验台布置本文采用喷油泵冷态磨损试验来评价甲醇燃料的润滑性能，建立了专用的供油系统磨 损试验台架，磨损试验台架示意图如图1所示。由交流电机5驱动喷油泵4工作，燃料通过滤 清器7过滤后进入喷油泵，喷油泵将燃料经高压油管12供给喷油器3，喷油器将燃料喷回燃料 罐8中，进入喷油泵的多余的燃料经回油管13返回燃料罐，从而实现试验燃料的循环利用。1 氮气瓶2 减压调节阀3 喷油器4 喷油泵5 电动机6 固定支座7 燃油滤清器8 煤基燃料9 联轴器10 压力表11 进油管12 出油管13 回油管 图1 试验台架示意图1.2 试验主要设备本试验采用的是湖北内燃机试验设备厂生产的12PSDW型油泵试验台，标定功率为10kW，转速范围为03600 r/min。该设备有变频调速和9档转速预设，转速、喷油次数和温 度均为数字显示。在冷态磨损试验中通过异步电机直接拖动喷油泵进行磨损试验，试验中采用的是无锡 威孚高科技股份有限公司生产的2322-85 左1400 型喷油泵，相当于发动机额定转速为2800r/min，表1给出了喷油泵相关的技术规格。表 1 喷油泵技术规格形式额定转速/rmin-1柱塞直径/mm柱塞表面加工方式柱塞表面光洁度柱塞材料两缸号泵14008.5配对研磨12合金钢本试验采用的由上海力博电机厂生产的Y90S-6 型三相异步电动机，其额定功率为0.75kW，标定转速为910r/min。 试验还要通过柱塞偶件在磨损前后质量的变化来分析研究燃料的润滑性能，因此，需要采用高精度的质量测量设备。本试验采用的是梅特勒-托利多 XS 分析天平，可精确测量 至 0.00001g。2试验结果和讨论2.1 冷态磨损试验结果图2给出了以纯甲醇作为燃料运行120小时前后喷油泵的供油速度特性曲线，图3为在甲 醇中加入2%的蓖麻油分别运行220小时前后喷油泵的供油速度特性曲线，图4给出了上述两 种燃料在磨损试验前后柱塞偶件的质量变化率。由图可以看出，以纯甲醇为燃料时，喷油泵供油速度曲线在磨损前后有了较为明显的变化，柱塞质量变化率也较大；在甲醇中加入一定 量的蓖麻油后，供油速度曲线变化较小，柱塞的质量变化率也较小。由此可见，在甲醇中加 入一定比例的蓖麻油后能明显改善甲醇的润滑性能。14121086试验前喷油量/ml4 试验后214121086试验前4 试验后喷油量/ml200200 400 600 800 1000 1200 1400n/r.min-1200 400 600 800 1000 1200 1400n/r.min-1图 2 使用甲醇作燃料时的油泵试验结果图 3 使用甲醇=蓖麻油作燃料时的油泵试验结果0.08柱塞质量减少百分比（%）0.060.040.020.00甲醇 甲醇+2%蓖麻油图4 甲醇及甲醇加入蓖麻油柱塞质量减少百分比2.2 纯甲醇润滑性的评价与分析柱塞偶件间的润滑属于边界润滑，在这种情况下其主要作用的是燃料在接触表面形成 的物理或化学吸附膜。吸附膜的形成与甲醇的分子极性、分子链的结构等因素有关。1）甲醇分子的极性甲醇分子结构如图5所示，由图可知，甲醇分子是甲烷的一个-H被-OH取代，其结构也 由甲烷的正四面体变为不是对称的正四面体，因而，甲醇分子具有极性，能在柱塞表面形成 稳定的吸附膜。2）甲醇的分子结构根据相关资料，甲醇的分子长度约为 0.43nm 左右,依然远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开柱塞偶件的两个滑动表面。由上面的分析可见，由于甲醇分子长度较小，甲醇分子在柱塞表面形成的吸附膜不能 有效的隔开柱塞偶件的两个滑动表面，因此以甲醇作为燃料时，柱塞偶件将有一定程度的磨 损。图 5 甲醇分子结构图图 6 蓖麻油酸碳链结构2.3 蓖麻油对甲醇润滑性影响的研究从图3可以看出以质量分数98%甲醇和2%蓖麻油混合物作为燃料运行220小时后，喷油 泵运行200个循环的喷油量减小率分别小于5.5%。从图4可以看出以该混合物为燃料运行220 小时后柱塞偶件质量减少率小于0.021%。可见，在甲醇中添加蓖麻油作为润滑添加剂确实 能够改善甲醇的润滑性能，从而减小供油系统精密偶件的磨损。蓖麻油作为润滑添加剂能显著改善甲醇的润滑性能是由其组分的分子结构决定的，理 想的润滑剂应该是含有极性分子头且长直链分子的液体。含有长链的有机酸就是很好的润滑 添加剂8182，它们的化学方程式分别是RCOOH，R=CnH2n+1表明了链的长度，COOH表 明了极性的类型。在本试验中，使用了蓖麻油作为甲醇的润滑添加剂。表2给出了蓖麻油的 一些性质。由表2可知，蓖麻油的主要组分是蓖麻油酸，其质量分数为80%92%，蓖麻油 酸的碳链结构如图6所示。表 2 蓖麻油的性质主要的长链极性分子头组成质量百分数/%分子式分子头蓖麻油酸8092C18H34O3(COOH)蓖麻油酸的分子式为C18H34O3，其分子含有碳链为C18的长直链脂肪酸，碳链中有16个C C 和一个 C = C 。根据相关资料,其分子长度不小于2.6nm，这一分子长度比甲醇分子长 度（约为0.43nm）高了一个数量级。同时蓖麻油酸的分子头是有强极性的羧基分子头，羧基 分子头容易吸附在金属表面形成边界润滑油膜5-6。以上两方面的原因使得蓖麻油酸形成的 单层油膜厚度可达3nm，而且油膜的稳定性好，从而改善了甲醇燃料的润滑性能。3结论本文获得的主要研究结果如下：1） 冷态磨损法可以进行甲醇燃料及甲醇+蓖麻油的润滑性的研究。2） 纯甲醇的燃料润滑性很差，加入蓖麻油后油泵油量变化率减小，柱塞表面磨损减小，质 量变化减小，可有效改善甲醇燃料的润滑性。参考文献 (References)1. 周龙保主编.内燃机学M.北京:机械工业出版社,2010.2. 韦淡平.燃料润滑性研究三十年J.石油学报(石油加工),2000,16(1):31-39.3. 韦淡平.燃料润滑性的研究:I.柴油组分的磨损性能J.石油学报(石油加工),1986,2(3):79-86. 4. 韦淡平.燃料润滑性的研究: 皿.柴油的磨损性能J.石油学报(石油加工),1990,6(1):15-19.5. McGuiggan PM. The boundary lubrication properties of model esters J. Tribology Letters,2001, 11(1):49-53.6.Yueping Cao, Laigui Yu, Weimin Liu. Study of the tribological behavior of sulfurized fatty acids as additives in rapeseed oil J. Wear,2000, 244:126-131.