发动机不同喷油时刻下烟炱对磨损的影响

杨国峰 ，张恩兴，银增辉，湛日景，郝 婧，林 赫

(1. 上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240；2. 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108；3. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

日趋严格的排放法规使得发动机技术需持续更新来满足最新的排放要求．废气再循环、延迟喷射等多项技术的使用导致了烟炱含量增加[1]．烟炱通常含有碳和少量的氧、氢、氮、硫和微量金属元素，通过透射电子显微镜(TEM)观察到的初生颗粒尺寸及团聚体尺寸分别为20～80 nm 和100～300 nm[2]．烟炱的聚集对发动机润滑油的使用寿命和抗磨、减摩性能均产生不利影响，严重情况会导致发动机润滑油滤芯堵塞、缸套-活塞环等摩擦副产生异常磨损[3-6]．

Green 等[7]、Uy 等[8]对烟炱的化学性能和结构特征进行研究，结果表明：烟炱颗粒的极性和硬度对发动机磨损有显著影响．Nagai 等[9]对烟炱含量和油膜进行研究，发现改进油品配方能够有效降低发动机磨损．Fujita 等[10]研究了烟炱颗粒对油膜的影响，发现烟炱颗粒会减少摩擦副表面油膜厚度，且对摩擦影响较大．George 等[11]研究了烟炱颗粒对磨损的影响，并比较了氧化铝和烟炱的磨痕差异．

目前，关于碳黑或排气管排放的碳烟对发动机润滑油影响的研究较多，对上述烟炱模拟物的磨损机理已有一定的研究基础，但发动机润滑油中所含的烟炱与排气管排放的碳烟或工业碳黑在结构和组成上有一定的区别[12]．碳黑或尾气碳烟对发动机润滑油中烟炱污染的模拟程度有限．

基于已有碳黑或烟炱对磨损影响的相关研究，笔者对发动机不同喷油时刻下润滑油中的烟炱进行分离提取，研究烟炱性质对磨损性能的影响，分析影响磨损的因素，明确烟炱颗粒特性、颗粒物尺寸及烟炱含氧量等对磨损的影响，以期揭示烟炱特性与磨损之间的内在关联性．

1 试验装置与方法

1.1 烟炱的制备和收集

采用高压直喷、排量为12.5 L 的国产某型国V发动机进行试验，测试了不同喷油时刻对烟炱性质的影响．发动机润滑油理化性能和主要技术参数分别见表1 和表2，主要测试设备见表3，发动机台架及主要测试设备示意见图1．

图1 发动机台架及主要测试设备示意Fig.1 Schematic of engine bench and main test equipment

表1 发动机润滑油理化性能Tab.1 Physical and chemical properties of engine oils

表2 发动机主要技术参数Tab.2 Engine specifications

表3 主要测试设备Tab.3 Main test equipments

图2 为发动机外特性初始烟度．由于发动机原机排放中烟度较低，不足以产生较多的颗粒物，因而需对发动机喷油正时进行调整，进而增大发动机润滑油中烟炱的生成速率．在发动机运行过程中，测量了外特性运行下的烟度，得出标定转速为1 900 r/min 时的烟度最高(0.027 m-1)，笔者选定转速为1 900 r/min时的喷油正时进行调整．

图2 发动机外特性初始烟度Fig.2 Initial smoke of engine external characteristics

图3为不同喷油时刻下不透光烟度对比．随着发动机喷油正时从-7°、-1°、+1°和+3°CA ATDC(“-”为上止点前，“+”为上止点后)逐渐推迟到+5°CA ATDC，原始排放中的不透光烟度从0.027 m-1增大至0.100 m-1．这是由于随着喷油正时的推迟，发动机缸内油、气混合程度降低，后燃部分增多，使燃油燃烧不充分而产生的原始碳烟增多．

图3 不同喷油时刻下不透光烟度对比Fig.3 Comparison of opaque smoke at different injection times

发动机润滑油中烟炱增长率为0.003%/h，喷油时刻延长至-1°、1°、3°和5°CA ATDC 时烟炱增长率分别为0.03、0.043、0.11 及0.14%/h，相对初始时刻分别增长10.0、14.3、36.7 和46.7 倍．4 种延迟喷油策略均能从数量级上实现烟炱含量的快速增长．

图4 为不同喷油时刻下烟炱增长率和涡后排气温度．随着发动机喷油正时的不断后移，燃油后燃部分增多，后燃的燃料导致各缸排气温度和涡后排气温度均有较大程度地增加．尤其是在＋5°CA 和＋3°CA 时，涡轮增压器后排气温度接近640 ℃，各缸排气温度均超过700 ℃，使进/排气门和增压器等零件长时间处于高温状态下，极易损坏，发动机无法实现100 h 的长期运行．

图4 不同喷油时刻下烟炱增长率和涡后排气温度Fig.4 Soot growth rate and temperature after vortex at different injection times

为保证试验运行的稳定性，喷油策略的选择上要平衡烟炱增长率和排气温度，试验选取-1°CA ATDC和1°CA ATDC 两种喷油策略作为研究工况．在两种工况下，发动机运行100 h，并间隔5 h 进行发动机润滑油样品取样．

100 h 试验期间的烟炱含量增长率均呈线性增加，其中喷油时刻为1°CA ATDC 下增长率明显高于喷油时刻为-1°CA ATDC 下的增长率，如图5 所示．

100 h 试验结束后，分别从柴油发动机润滑油底壳收集两种含烟炱的发动机润滑油，通过稀释离心法得到标记为-1°CA ATDC 和1°CA ATDC 的不含可溶性有机组分(SOF)的纯烟炱颗粒[13-14]．对含烟炱的发动机润滑油通过稀释离心法提取烟炱，按稀释、离心、提纯、提取、风干和研磨等步骤进行，可以最大程度地获得纯烟炱颗粒，且对烟炱性质的影响较小[15]，提取的烟炱用于性能分析和磨损试验．

1.2 烟炱特性分析设备

笔者对发动机润滑油的烟炱含量、四球试验的磨斑直径、磨损钢球的微观形貌、烟炱颗粒结构、石墨化程度、官能团及元素含量进行了测量和表征．主要测试设备见表3．

利用加速电压为200 kV、像点分辨率为0.19 nm的透射电子显微镜(JEM-2100F)对烟炱颗粒的形貌和纳米结构进行了表征，得到了两种放大后的图像．用放大倍率为20 000 的图像研究基本烟炱颗粒的形貌和直径，用放大倍率为400 000 的图像研究基本烟炱颗粒的纳米结构，包括微晶长度．采用光谱分辨率为5 cm-1、光谱范围为3 500 ～400 cm-1的显微拉曼光谱仪(LabRam HR evolution)，在激光发射波长为532 nm、激光功率控制为5～6 mW 且光斑直径为1.2µm 下研究了烟炱的石墨化程度．将烟炱颗粒与浓度为0.5%的溴化钾(KBr)细粉混合后压片用于制备红外光谱测定的烟炱样品．采用采集光谱范围为 4 000 ～400 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，在光谱分辨率为4 cm-1、孔径为6 mm 下扫描120 次，对烟炱表面官能团的种类和含量进行分析．利用X 射线光电子能谱技术(XPS)研究烟炱颗粒的表面元素组成和含氧官能团．试验过程中，全谱扫描能量范围为0～1 200 eV，扫描步长为1 eV，穿透能量为80 eV．采用OMNIC 软件包(Thermo Nicolet)对烟炱颗粒进行基线校正和平滑后的吸收光谱分析．每个烟炱样品采集3 组拉曼、FTIR 和XPS 光谱，并对处理结果取平均值，以减小误差．

1.3 摩擦试验及磨损形貌观察设备

采用四球摩擦试验机(Ms-10A)对油样的抗磨损性能进行测试．每个试验油样在转速为1 200 r/min、负载为40 kg 下运行60 min．试验温度设为100 ℃，以模拟发动机正常工作时的油温．试验所用钢球符合GB/T 308.1—2013《滚动轴承 球 第1 部分：钢球》要求，钢球直径为 12.7 mm，硬度(HRC)为(63±2)．每次试验结束后，以3 个下钢球的磨痕直径(WSD)作为试验结果．采用JSM-6490LV 钨丝扫描电子显微电镜(SEM)，设扫描电镜的放大系数为500、加速电压为30 kV 且点分辨率为3 nm，观察钢球磨损区形貌．

2 结果与讨论

2.1 不同喷油时刻对发动机摩擦学特性的影响

对喷油时刻为-1°CA ATDC 和1°CA ATDC 时所得的油样进行四球摩擦磨损试验，并对试验后的钢球磨损表面进行SEM 表征分析[16]．

图6 为不同喷油时刻下油样磨斑直径对比．新发动机润滑油样品及两种喷油时刻下含烟炱发动机润滑油样品在四球摩擦磨损试验仪运行后，磨斑直径随运行时长的增加呈上升-平缓-上升的趋势．前20 h两种工况由于烟炱含量较低，在磨斑直径上没有明显区分；20～100 h 过程中，低烟炱含量(喷油时刻为-1°CA ATDC)喷油发动机润滑油样品产生的磨斑直径略大于高烟炱含量(喷油时刻为1°CA ATDC)喷油发动机润滑油样品．

图6 不同喷油时刻下油样磨斑直径对比Fig.6 Comparison of wear spot diameters of oil samples at different injection times

图7 分别示出喷油时刻为 1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、运行不同时间的小钢球磨损区域形貌．可以发现，两种磨损区域面积都随运行时长的增大而增大．新油样时只存在少量塑性变形(1.28%)，运行至20 h 时主要磨损形式为磨粒磨损，发动机润滑油膜完整，并未出现点蚀(黄色)，喷油时刻为1°CA ATDC 和-1°CA ATDC 时塑性变形区域(红色)分别为4.13%、3.47%；运行至100 h 时，润滑油油膜出现缺失并出现点蚀，喷油时刻为1°CA ATDC 和-1°CA ATDC 时点蚀磨损分别为1.78%、2.03%，塑性变形区域均为9.33%．

图7 不同喷油时刻油样的磨损钢球形貌分析Fig.7 Analysis of worn steel ball morphology of oil samples at different injection times

喷油时刻为1°CA ATDC、运行100 h 阶段相比-1°CA ATDC 生成了较多的烟炱，但是发动机润滑油样品的磨斑直径略小于喷油时刻为-1°CA ATDC．对运行20 h 和100 h 的四球试验磨损钢球进行SEM 表征分析时，二者塑性变形面积接近，点蚀磨损面积在喷油时刻为-1°CA ATDC 时略大．可知，不同喷油时刻燃烧形成的烟炱颗粒特性对发动机磨损有重要影响，但烟炱含量并不是影响发动机磨损的唯一因素．

2.2 不同喷油时刻对烟炱颗粒物理特性的影响

图8 示出喷油时刻为1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、运行20 h 和100 h 时的烟炱颗粒物典型形貌．可知，基本碳粒子均呈堆积状态，且整体堆叠程度随运行时长增大而更加明显，团聚态颗粒团簇大小和基本碳粒子数目也都明显增大；但在相同运行时长下，喷油时刻为-1°CA ATDC 时产生烟炱颗粒的团聚体明显更大，更容易破坏润滑油膜形成干摩擦．

图8 不同喷油时刻微粒典型形貌Fig.8 Typical morphology of particles at different injection times

图9 示出喷油时刻为1°CA ATDC 和-1°CA ATDC、运行时间为20 h 和100 h 条件下的烟炱颗粒物典型结构．微观结构中，不同喷油时刻的油样中基本碳粒子纳观结构呈现单核的结构，粒径随运行时长增加而不断减小．相对比，喷油时刻为-1°CA ATDC下的油样中颗粒物更大，表面较为清晰，微晶弯曲度更低．不同颗粒之间团聚更易形成较大的烟炱颗粒团聚体[17]．

图9 不同喷油时刻微粒典型结构Fig.9 Typical structure of particles at different injection times

图10 为不同喷油时刻微晶长度对比．随着运行时长增加，喷油时刻为-1°CA ATDC 和1°CA ATDC下发动机润滑油中烟炱各特性参数变化规律一致，发动机润滑油中烟炱含量不断上升，且喷油时刻为-1°CA ATDC 的微晶长度更大一些．

图11为不同喷油时刻的基本碳颗粒平均粒径对比．在相同运行时长下，喷油时刻为-1°CA ATDC 的油样中烟炱含量更少，烟炱粒子平均粒径更大且颗粒物石墨化程度更高．在油膜厚度方向上，更大的烟炱颗粒会导致润滑油流动的阻碍能力更强，也更容易突出油膜形成干摩擦．由于喷油时刻较早，烟炱在缸内生长时间更长，导致其基本碳粒子尺寸更大，结构更加成熟有序．燃烧后形成的碳粒子通过缸套-活塞环进入发动机润滑油中形成烟炱，并对发动机产生持续磨损[18]．

图11 不同喷油时刻的基本碳颗粒平均粒径Fig.11 Average particle size of basic carbon particles at different injection times

2.3 不同喷油时刻对烟炱颗粒化学特性的影响

图12为不同喷油时刻烟炱颗粒氧质量分数对比．不同喷油时刻下烟炱颗粒氧质量分数随运行时长变化均较小，且喷油时刻为-1°CA ATDC 时氧质量分数显著高于喷油时刻为1°CA ATDC．由于发动机内多数零部件均为铁制品，摩擦润滑时润滑油膜中的高含氧颗粒会导致摩擦副点蚀电位加速移动，进而导致点蚀加剧．其更高的氧质量分数导致烟炱颗粒反应活性更高，磨损表面点蚀出现更多．

图12 不同喷油时刻烟炱颗粒氧质量分数对比Fig.12 Comparison of soot particle oxygen mass fraction at different injection times

图13 为不同喷油时刻下的烟炱颗粒杂化比sp3/sp2．sp3/sp2随时间增大而逐渐降低，且在喷油时刻为-1°CA ATDC 时显著低于喷油时刻为1°CA ATDC．生成的烟炱杂化比sp3/sp2更低，有序度更高，其石墨化程度较高；而氧质量分数更高，其反应活性更高，在磨损表面的点蚀面积也会越大[19]．

图13 不同喷油时刻烟炱颗粒杂化比sp3/sp2Fig.13 Soot particles sp3/sp2 at different injection timies

图14 为不同喷油时刻FTIR 原始光谱对比．结果表明，在喷油时刻为-1°CA ATDC 和1°CA ATDC时油样之间差异明显，但相同喷油时刻、不同运行时间下油样数值差异性较小．

图14 不同喷油时刻FTIR原始光谱Fig.14 FTIR original spectrogram at different injection times

图15为不同工况下油样中烟炱表面CO 和CH官能团含量．随着运行时长增加，不同喷油时刻油样烟炱表面各官能团含量均在小范围内波动．在相同运行时间下，喷油时刻为-1°CA ATDC 下烟炱表面氧含量更高，其表面含氧官能团含量更高，同时脂肪族CH 官能团含量也相对较高，但由于喷油时刻为-1°CA ATDC 下燃烧时间比喷油时刻为1°CA ATDC时更长，烟炱更加成熟，其芳香族CH 官能团含量明显更低．CH 官能团通过影响烟炱颗粒氧化活性，进而对润滑分散性产生影响[20]．整体来看，喷油时刻为-1°CA ATDC 时烟炱颗粒在发动机润滑油中的分散性较差．

图15 不同工况下油样中烟炱表面CO和CH官能团含量Fig.15 Content of CO and CH functional groups on the surface of soot in oil samples under different operating conditions

图16 为不同元素在润滑油烟炱颗粒中原始能谱变化．以喷油时刻为1°CA ATDC、运行时间为100 h油样的变化过程为例，表明烟炱颗粒中有Ca、Zn、S和P 元素等．

图16 XPS原始能谱图Fig.16 XPS raw energy spectrum

图17 为不同工况下油样中烟炱元素含量．对比不同喷油时刻油样中烟炱表面添加剂元素含量发现，随运行时长增加，喷油时刻为1°CA ATDC 时发动机润滑油中烟炱表面各元素含量变化较小，喷油时刻为-1°CA ATDC 时烟炱Zn 元素和S 元素含量略有波动，Ca 元素和P 元素有上升趋势．

图17 不同工况下油样中烟炱元素含量Fig.17 Element content of soot in oil samples under different operating conditions

在相同运行时长下，喷油时刻为-1°CA ATDC 的油样中烟炱表面各添加剂元素含量均更高，其对发动机润滑油添加剂的消耗更大，对Zn 元素和Ca 元素吸附能力更强，需要更多的分散剂才能保证其分散性．P 元素更高，说明润滑油中的烟炱对摩擦化学膜的破坏作用更大，而喷油时刻为-1°CA ATDC 时对烟炱表面S 元素含量的影响没有P 元素高，说明其团聚体还没有对更贴近摩擦表面的含S 元素摩擦膜造成大量破坏，因而也没有出现油膜缺失．

3 结 论

(1) 随发动机运行时长的变化，润滑油烟炱含量不断上升，喷油时刻为-1°CA ATDC 时烟炱生成速率比喷油时刻为1°CA ATDC 慢，但相同运行时间下，喷油时刻为-1°CA ATDC 时的磨斑直径大于喷油时刻为1°CA ATDC，说明烟炱含量不是影响磨损的唯一因素，烟炱颗粒特性对磨损也有重要影响．

(2) 相同运行时间下，喷油时刻为-1°CA ATDC相较喷油时刻为1°CA ATDC 时产生的烟炱在缸内生长时间更长，烟炱的团聚体、平均粒径和微晶尺寸明显更大，而层间距和微晶曲率更小，且烟炱颗粒物石墨化程度更高；部分颗粒物尺寸超出其油膜厚度是产生直接磨损的主要原因．

(3) 相同运行时间下，喷油时刻为-1°CA ATDC时产生的烟炱含氧量比1°CA ATDC 时更高，导致烟炱颗粒反应活性更高，磨损表面点蚀出现更多；烟炱表面各添加剂元素含量均更高，对发动机润滑油添加剂的消耗更大，对Zn 和Ca 元素吸附能力更强，需更多的分散剂才能保证其分散性；烟炱表面P 元素更高则其对摩擦化学膜的破坏性更强，更易导致磨损．