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1、 汽油发动机活塞和活塞衬套的摩擦学调查 Peter M Lee iETSI, School of Mechanical Engineering, University of Leeds, Leeds. LS2 9JT摘要 汽车行业在压力下走向更高的效率，所有的政府立法和社会舆论要求从小发动机获得更多的功率和低的对环境的影响。随着换油周期的增加然而排放法规限制磨损保护的使用和添加抗氧化剂包含的元素，例如磷和硫。为了满足这些需求和挑战而增加了了解润滑剂的降解的联系，它的运输和停留时间和活塞组件摩擦学效应是必须的。 写作本文的目的就是进一步发展了解降解润滑剂对活塞组件摩擦学的作用，油环和活塞的装配环
2、境对于这一部分润滑和摩擦的保护是最有挑战的部分之一。这个是通过广泛的实验方案，利用发动机的研究，测试仪的测试和化学还有流变润滑剂样品的分析得出来的。【关键词】：发动机摩擦学，活塞总成，油样。引言 人们普遍接受常规动力汽车将主宰未来可预见的汽车市场和润滑油的替代，比如燃料的电池和氢能，将呈现一个缓慢的渗透进入这个市场【1】。即使预计原油的使用在上升，目前世界已探明的原油至少有够40年使用的储备，12年储备将保持不变到2001年，由于新油田的发现和使用的增加，提取这些储备技术的发展【2】，因此传统的油在表面上将继续主宰既是润滑油又是润滑油一段很长的时间，小的内燃机润滑的改变。然而，在地表一下多少的
3、改变。 汽车行业现在被迫走向更大的利益（资源利用率），政府立法和社会舆论要求提高发动机的功率和降低对环境的影响相结合，原始设备制造商正稳步增加换油周期要求油能承受发动机内较长时间的退化过程。 与此同时，作为润滑剂的制造商承诺降低磷含量的挑战，车身设计正在变更，以减少阻力，提高润滑油效率，这些设计的变更造成较少的空气进入发动机舱，因此进一步提高润滑油的工作温度，这反过来增加在环部的热降解率。发动机内润滑油的工作条件也成为越来越苛刻的要求在继续开发更高功率密度的发动机，这次结果在较高的温度。发动机润换系统的布置在设计人员在使用较低燃烧温度的EGR的要求将持续增加，喷射分析以获得均质燃烧，涡轮增压充
4、电，改变压缩比在现在还不发达或者说还未发现的技术。 在发动机活塞组件和衬套之间的机械损失占发动机工作状况下的40%到60%，机械损失的高低直接关系到活塞组件和衬套之间的摩擦互动，因此有必要理解减少这些损失。然而很难阐明本部分的信息，因为它是封闭的，高压的和化学腐蚀的性质。 活塞环和衬套所处的工作环境是润滑油在此地区变热退化，然后流回到油底壳和新鲜油进行混合，这已经被许多研究人员验证过了，这个是yatsutomi3首次提出的。因此在油环和在衬套地区的油底壳的油是不同的，所以这种油的样品需要在这一摩擦地区作用加以阐释。 这项研究的目的就是要看看降解石油在活塞环顶部如何影响活塞套件的摩擦性能，这是通
5、过一项新的更全面的化学，流体学和根据发动机负荷范围从发动机的环套件中提取的油的摩擦学评估。实验 为了研究油在活塞裙部（TRZ)喷射对摩擦性能的影响，这就要求从此地区提取油的样品系统是必要的，对于从活塞裙部（TRZ)像收集了油（25ml）比较大的样本在不同的负荷，延长发动机运行时间（40),然后采集样本。伴随着新鲜的和油底壳内的油受到一系列的测试包过穿Plint TE -77往复式测试仪，PCS小型牵引机（MTM)，高频往复钻机（HFFR), tribometers和测试粘度，燃料和羧基含量和电场质谱（FIMS)。单缸ricardo水冷发动机被用于此项研究，详情见附录。活塞裙部（TRZ)SAMP
6、E方法 TRZ系统采样背后的理论是，在燃烧开始时期，发动机室和大气压力之间创造在活塞环背部的气体流，并通过活塞环背部的孔返回到燃烧室，这种气体流包含润滑油混合气，这是样品瓶在活塞顶部作为一个浓缩的油样代表收集。 活塞至发动机外管由两部分组成，大端加入。上半部分是允许向内移动的不锈钢套筒，固定段盖螺栓，图1。从曲轴到发动机外的管路比较复杂，由于曲柄不断变化，以解决发动机退出点缸套的关系。佛洛特和海伍德的方法是【4】使缸套围绕单一轴向约束，有效的转变为一个螺旋弹簧。这阻止它颠簸失控，因此打破连接和夹紧点。去掉所有锋利的边缘，在该缸套开始接触和调整松紧度和管的长度，组装简单可靠，价格便宜，图2系统的
7、开发。 从我们在里兹大学和可牌大学和德蒙福特大学【5，6】的工作经验显示进行采样系统的最小截面必须在活塞，以防止堵塞缸套，出于这个原因的活塞的孔的直径尺寸小于缸套的内径。采样油集 测试选择润滑油为可牌喜力超级15W40。这是一个完全制定的第一组具有基础性能，添加剂规格较低的润滑油，因此更容易比高规格的容易退化。这项工作选三种不同的发动机参数如表1所示。6个油样类型进行采样，在表2中定义。 在每一天的开始，当发动机冷启动“第15分钟TRZ样品收集。这收集所有的运行数据为首次启动发动机时，它已在第15分钟熄灭，它运行，因此在此期间，没有负载差异。一旦第15分钟的样品已收集，曲柄块加热器打开，以帮助
8、发动机达到工作温度。在一小时启动时，发动机加热参数需要设置加热器模块关闭，TRZ标本采集运行（8小时）的其余部分，样品采集停止之前关闭以确保没有多余的燃料和燃料产物样品采集误差。化学分析 选择化学分析的范围是根据调查样本的挥发物水品的企望，显示任何改变分子量和退化的水平发生了。具体方法的选择受到整体方案合作者可牌全球解决方案，润英和纽约大学化学系的影响。场电离质谱法（FIMS) 场电离质谱法是一个非常珍贵的技术分析复杂混合物，尤其是化石燃料。汽化的油样通过一个非常强大的电场分子，并导致他们以更大的磁场强度区域，最终导致他们电离。然后可以质谱这些电离了的分子，使用传统的磁机构和四连杆机构技术。F
9、IMS提供了一个合理的精确的分子剖面，分子的剖面并不复杂的大小，形状，官能基，也不是受氢的约束。气象色谱（GC)气象分析（GC)本质上是一种分离方法依赖于样品沸点差异的组成部分，惰性气体（He or)携带样品作为溶质通过分离柱进入探测器。该探测器是一个加热元件和通过检测热气流的元素检测气体。如氦和氮具有高导热性和任何气体的溶质轻减少导电元素的升温，使电阻变化。这种电阻变化转换为绘制电压和世间的函数，即色谱图。这种方法特别适合这项工作，因为它可以进行低至ml，具有检测限低微微克或菲克的范围。一标记被添加剂的轮滑油样本，然后分析使用zebron ZB5系列。配有火焰离子化检测器（FID)的作用是用
10、来分析样品润滑油中挥发物的数量。火焰离子化检测器最常用的GC检测器，它从最低线性响应约100皮克，几乎100%的检测量。FID能响应任何带滩的分子，FID的响应是非常稳定的，从目前来讲，最不容易使样品污染。傅立叶变换红外光谱（FTIR)红外光谱用于鉴定羧基在碳氢化合物氧化【7】形成的产物，这些都被认定为确定油样氧化程度的一个良好指标，因为他们代表烃类基础油的降解水平【8-11】。因此红外光谱，酮，羧酸和醛类，因为他们是由氧气形成，并形成碳-氧双键的化学反映。对于这些双键化合物，红外光谱技术，使用的原则是每个不同的分子具有独特的检测频率，震动能量【12】。红外光谱定量达到高峰的比较面积是已知的标
11、准解决方案。流变分析使用一个Bholin CV120HR流变仪在测量在40到60的油样动态粘度，根据5年的测量记录测量板100微米的差距和40毫米的使用直径。摩擦学测试三种类型的摩擦学测试分别代表了不同的几何接触。这些测试包括使用小型的牵引机（MTM)，Plint高速短冲程的摩擦钻机（TE77）和高频率的往复Rigg(HFRR)。这些初步测试的目的在于探讨TRZ样品如何影响牵引力系数的比较使用新旧油底壳油。由于油可用少量的这些测试做了一些修改，MTM和TE77。在本节描述的摩擦学测试在100为四个小时，油样进行了测试。选择100做测试是因为在活塞裙部和衬套摩擦温度在水冷发动机1500RPM50
12、%，33%和75%负荷时是98和101。小型牵引机（MTM) 一台小型的牵引机（MTM，PCS仪器，伦敦，英国）被用来测试润滑剂样品的混合滚动/滚动接触的特征属性，图3a。这是由于机器的能力以不同的速度旋转磁盘和球。所有的摩擦测量都固定在接触压力1gpa一下，在80时进行第一次50%SRR运行，然后返回到100。所有的测试在100以下进行，连续时间段5min,10min,15min，在每个测试磁盘和球的转速使用软件调整，使其平均速度改变，从3.5m/s，以0m/s，记录32个平等的步骤和牵引力系数。这个测试是重复的，在每个油样里，有一套磁盘和球用于该油样。磁盘和球样品由AISI52100轴承钢
13、制造，拥有0.01微米Ra。硬度729739 BHN和688722BHD。球的直径为19mm（英寸），并在磁盘上的轨道半径2021mm。要调查以不同的速度润滑剂行为差异，摩擦系数和平均流速从50%SRR获得，在MTM的牵引力系数（DF/DN)是衡量速度的一个函数的意思。 为了减少对石油量的测试，为测试提供了一个马蹄形的适配器，该适配器由不锈钢铸造，使MTM的油样在适配器内，图4。这个机构减少了对油的用量，从32ml到5ml，同时允许温度计接触油样。HRFF HFRR（PCS仪器，伦敦，英国）是一个磁盘球式测试仪为摩擦学润滑油样品特征工作，简单的滑动，图3b。在这个测试中，一个直径为6mm的球放
14、在一个直径10mm的磁盘上，20HZ的磁盘（代表发动机转速1200RPM)，1mm的行程长度，一个400g负载放在球上给一个最大1Gpa的接触压力。球和磁盘是由规格为AISI 52100轴承制作的，Ra分别为0.05m和0.02m，硬度为675740BHN。测试开始时温度为40，在20的基础上提升到140，每个温度运行5min，然后停下来让油从20上升，油限制在1min才开始运行平衡。HRFF测试3ml油不到，正因为如此，没必要改变此设备，以便节省润滑油。Plint高速短行程摩擦测试仪（TE77）TE77（凤凰摩擦学有限公司，英国Newbury)是一个针板测试仪表征摩擦的润滑剂样品在纯滚动，图
15、3c。在此设置了一个平坦的直径5mm的引脚完成0.05m Ra，面对活塞环，对0.04m Ra与地面的夹角是45，以代表缸套表面的光洁度，图5。针和板样品来自Hydra引擎由14级灰铸铁铸造，硬度为230300BHN。行程为5mm，频率为25HZ（即在发动机1500RPM）和引脚测试前加载5kg，给人一种接触压力为2.6MPa区域。这种最大接触压力最大标称刚刚经历燃烧后的Hydra引擎环径最大压力发动机最大负荷的50%。TE77油槽进行了修改，以便其内部能力大大低于标准油底壳。这使得2ml润滑剂样品放置在油底壳，并在测试期间覆盖测试样品至少15ml。结果与讨论化学成绩 对于化学分析这一结果显示
16、和这一部分的讨论由于篇幅限制和全部结果的总结。FIMS图6FIMS显示样本碳原子总数相对质量，这是一个非周期性的烷烃（大小范围在ca.1440之间）在样品里，代表着基础液。烷基苯（约615ca。）是目前在TRZ样本和挥发物的代表。这些挥发物由于缸壁的燃烧过程淬火产生，代表着烟尘前产物和较大的燃料挥发物。大多数分子质量较轻的润滑油挥发物保持在气体状态当TRZ样品凝结在缸壁当抽气系统结束。烷基苯随着发动机负荷的增加而逐步增加，这种问题被认同因为考虑到随着负荷的增加润滑油的增加。第15分钟样品的挥发物和50%负荷样品的挥发物量是相似的。这些都可能造成较冷缸壁启动发动机增加润滑油，使用高电平点火。GC
17、图7给出了气相色谱发界定的六个润滑油样品挥发物含量，并现实动荡增加发动机负荷FIMS的分析，如图6观察到的内容。第15分钟采样显示最高水平利用这种挥发物分析方法，这可能是由于不同的分析技术，挥发物检测范围更广，和从冰箱去掉的样品及其环境所处条件有关。TRZ样品数量有限，意味着它是不可能重复FIMS和气相色谱法分析，进一步调查，新鲜的挥发物为0%，显然是预期效果。FTIR图4.15显示了6个油样在红外光谱测定样品中的羧基浓度。在TRZ样品中羧基浓度的增加随着发动机负荷的增加，含量显著高于油底壳的油和新鲜的油。这将是预期的，因为这些TRZ样品更进一步退化返回到油底壳导致大多数油底壳的油退化。流变结
18、果 图9显示在40和100油样的动态粘度，在一般情况下可以看出，挥发水平，图7，在TRZ样品中对润滑油的粘度有一个直接的影响，较高的挥发性较低的粘度，当把新鲜的油和油底壳的油做比较时，哪个挥发物含量最低，这点尤为重要，和TRZ样本时。33%的负荷，TRZ样品不适合这种模式，与预期的结果的50%和75%相比具有较低粘度，这有可能是动力学变化，TRZ采样系统或者高水平非周期性烷烃碳数在1526的范围的现象，FIMS予以确定。图6.。又由于TRZ样品油可用数量是不能重复的，新鲜的油和油底壳的油的重复表明，最大误差0.3%。摩擦学结果MTM图10和图11显示油样的牵引系数，滑移速度100，50%滑动率
19、，应该指出，右图10和11发动机组件的速度是很容易操作的。虽然活塞环和缸套之间接触发生的非常快，只有一瞬间，代表着整体周期一个很小的比率。结果如图10在100第一个被读的数据和在图11显示的是在100第五个被读的数据，滚动滑动接触一个小时。新鲜的油和40小时油底壳的油牵引力系数的值在减小，那些油来自第一次到第五次运行和TRZ的油聚集在第五次运行。油底壳的油牵引力系数在第一次运行明显比TRZ样品高，而在第五次运行又低。这些现象可能是由于膜表面形成的影响，表面相互作用。值得注意的是，有不同的形状曲线，TRZ曲线升降速度慢，但新鲜的油和油底壳的油牵引力系数在第一次时持续上升，这种效果不是很明显，在第
20、五次运行显示膜的进一步影响。在典型发动机转速在3m/s以上的油和差别不大的TRZ样品之间，他们基本上是相同的，被认为是重复性0.01牵引力系数。这重复性的结果被发现重复新鲜的油和油底壳的油。HFRR图12显示了在100得到的重复性摩擦值为0.01摩擦系数，重复新鲜的油和油底壳的油实验获得。在这个实验中新鲜的油和油底壳的油返回低摩擦系数比在MTM和TE77中的测试值。这些很有可能是由于测试程序和不同的接触几何结果接近0.14曾被预计发动机油。由于这个接触测试是在磁盘上的球在接触1GPa压力下滑动边际之间的联系结果的。这样的摩擦值更依赖于油粘度形成的表面薄膜。负载值在33%，50%和75%的TRZ
21、样品摩擦值遵循相同的模式，较高的摩擦值较高的负荷。这是在TE77纯滑动接触中获得的相反的结果。第一个15分钟TRZ样品在33%75%负荷之间在TE77,FIMS和流变结果，可能会在这些章节讨论同意结果。TE77图13显示了使用TE77获得摩擦系数值，在每个油的测试开始对应的挥发物含量较高的油幅度在减少，图7显示摩擦系数减少挥发物含量低于挥发物含量较高的油，这是由于在测试过程中挥发物的蒸发。挥发物含量少的样品需要较长的时间达到一个恒定的摩擦系数，各级摩擦力系数具有较高的摩擦系数较低的负荷的发动机相同的趋势。一个直径5mm的引脚在一个盘上上，在一个低于2.6Mpa压力下纯滑动接触将导致主要的弹性润
22、滑当偶尔混合润滑油，由于这个原因，摩擦系数的值将主要造成润滑剂的效果，因此，较高的粘度的样品往往具有较高的摩擦系数值。结论 一个可靠的从TRZ样品中的采样方法已经开发用于和应用于来自于活塞环顶部区域比较大数量（25ml）的油，第一时间操作。 油样的全方位化学，流变和摩擦分析。已经观察到顶环区的样品和新鲜的油和油底壳的油明显差异。顶环区油样之间的相关性，与发动机的负荷，在取样的时候也被观察到。 结果清楚的表明，在活塞环区域的润滑油和在油底壳的油不同。待添加的隐藏文字内容2承认我和感谢英国利兹大学的教授马丁和理查德Chittenden在纽约大学化学系的工作，感谢他们在这方面的讨论，以及马克思坦克化
23、学分析的帮助，我也要感谢全球壳牌润滑油解决方案，为提供资助工作。参考1. Kennedy, S. Challenges for the additives industry in the 21st Century. in Additives 2005, OptimisingAutomotive Power Trains. 2005. Dublin: RSC.2. BP, BP Statistical Review of World Energy in June 2001. 2001, Beyond Petroleum, UK.3. Yatsutomi, S., Y. Maeda, and T.
24、 Maeda, Kinetic Approach to Engine Oil: 1 - Analysis of LubricantTransport and Degradation in Engine System. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 1981. 20: p. 530.4. Frottier, V. and J.B. Heywood, Measurement of Gasoline Absorbtion into Engine Lubricating Oil. SAE961229, 1996.5. Burnett, P.J., B. Bull,
25、and R.J. Wetton, Characterisation of the Ring Pack Lubrication and itsEnvironment. I Mech E Part J: Journal of Engineering tribology, 1995. 209(2): p. 109-118.6. Saville, S.B., et al., A Study of Lubricant Condition in the Piston RIng Zone of Single-Cylinder DieselEngines Under Typical Operating Con
26、ditions. SAE 881586, 1988.7. Emanuel, N.M., E.T. Denisov, and K. Maizus Z, Liquid Phase Oxidation of Hydrocarbons. 1997, NewYork: Plenum Press.8. Coates, J.P. and L. Setti, Infrared Spectroscopy as a Tool for Monitoring Oil Degradation. ASTM, 1984.STP 916: p. 57-78.9. Coates, J.P. and L. Setti, Anal
27、ytical and Statistical Evaluation of Infrared Spectroscopy from used DieselLubricants. SAE 841373, 1984.10. Coates, J.P. and L. Setti, Condition Monitoring of Crankcase Oils Using Computer Aided InfraredSpectroscopy. SAE 831681, 1983.11. Coates, J.P. and L. Setti, Infrared Spectroscopy methods for S
28、tudy of Lubricant Oxidation Products.ASLE Trans., 1985. 29(3): p. 394-401.12. Williams, D.H. and I. Fleming, Spectroscopic Methods in Organic Chemistry, Revised. 1989, London:McGraw Hill Book Company附录所有在这个项目中所进行的实验发动机的工作已经进行了使用水润单缸汽油研究发动机（里卡多工程咨询有限公司）。这台发动机是一个1998cc的直列四缸通用发动机的四分之一在1988年引入服务和活塞（AE引用24024）和戒指（AE引用R23490）生产在这个通用引擎使用的部件。由三个环环包顶环，油刮油环和油环和活塞有一个冲程86毫米的10.5:1的压缩比和排量499.5cc孔。在此配置发动机36Nm的最大扭矩输出。该发动机是直接耦合到一个摆臂直流电测功机，无论是电机的引擎或从发动机吸收的功率发射时。
