通过实验样本与实现对比呈现由于船舶向更环保化运输引起的活塞环和气缸套的磨损加重外文翻译资料

通过实验样本与实现对比呈现由于船舶向更环保化运输引起的活塞环和气缸套的磨损加重

作者：P.奥兰德、P霍尔曼、S.雅各布森

摘要

新的和即将到来的排放法规，将推动朝着更环保的海上运输发展。改变燃料，从重质燃料油改变为天然气，是以一种很有前途的方法来实现这些法规，但当无硫气体取代富硫油时，会出现摩擦问题。本研究的目的是探讨当前硫在缸套内摩擦学系统高性能的作用。现场磨损的样品进行了检查并且没有检测到摩擦膜含硫，但晶粒细化和塑性变形在下表面被发现。为了模拟活塞环和缸套的摩擦磨损条件，采用了往复试验台。试验采用新鲜的气缸油，以及与使用过的气缸油，后者被用来模拟在气缸中的发动机的化学环境。在这次试验中形成了摩擦膜并且使用过的汽缸油形成的摩擦膜中含硫比使用新鲜汽缸油形成的摩擦膜中含硫量高。

一简介

研究人员已经对内燃机缸套和内燃机活塞环的摩擦学研究了几十年并且研究已经很成熟尤其是中速柴油机。由于低成本、高腐蚀磨损问题成为船用柴油机推进过程中的重油和高硫燃料的原因，为了降低磨损率，进行了大量的研究。此后，气缸油已开发，与中和剂加入到油中避免大部分的腐蚀磨损。

现在由于环境立法对硫的排放进行强制执行，改变燃料是一个可能的解决方案。此时的硫含量必须比轻油变重油时更低。低硫柴油和天然气完全是含硫的两个候选替代燃料。具有讽刺意味的是，摩擦学问题现在不是预期的，气缸中的硫水平很低。这种焦虑是基于提供船舶低硫油操作的经验，在船舶上这种操作带来的磨损比使用重柴油带来的磨损更频繁。也有研究表明具有较低含硫量的燃油具有较低的润滑性并且造成较大的磨损。在这样的背景下，学习摩擦系统学是了解为什么有硫存在时运行良好的关键，并且也是当硫磺不存在时，如何实现类似高性能的关键。

一般认为，硫存在特种摩擦学效应由于建立了固体润滑膜和由于促进了轻度腐蚀磨损。首先研究表明含有不同的含硫极压添加剂效果是一致的，例如，元素硫，有机二硫化物和锌二烷基（ZDTP）。研究表明，这些化合物产生化学反应并导致润滑和承载摩擦膜的形成。氧化物和硫化物之间的最佳关系的重要性是有时才凸显的。然而，硫来自燃烧室是有二氧化硫，三氧化硫和硫酸组成的。巴克利调查了二氧化硫对滑动铁表面的影响，但考虑是吸附，而不是化学反应。斯塔奈斯特等人研究了硫酸对大型船用柴油机气缸润滑的影响。然而，只考虑对润滑油的影响，不与滑动表面和润滑摩擦膜产生反应。建议：轻微的腐蚀作用是有益的，据我们所知，没有科学所证实。然而现实是如果它保持开放的石墨结构，因为一个开放的石墨结构被认为是油气藏。这也有可能是表面的小坑，腐蚀引起的，可能对油的保存是有益的。

为了研究硫的影响，磨损膜的样品以及在实验室测试样品进行了调查。研制了一种往复运动试验台，模拟了船用低速柴油机活塞环的温度和载荷，并对其温度和载荷进行了模拟计算。纳达尔和埃尔对低速柴油机气缸套进行了测试并且概述了发动机运营商报告的磨损行为的磨损机制。埃尔等后来提出了其他典型的来自机械的磨损表面的图像。令人惊讶的是，我们没有发现任何新的研究关于发动机在摩擦膜对其性能影响的气缸滑动表面的行为。

之前几次试图模拟磨损和胶合膜行为通过台架试验中已提出。蒙哥马利进行运行在铸铁样品测试。康和露德玛实验室模拟钢试样阶段的运行和分析摩擦膜的化学成分。巴伯和露德玛做测试灰铸铁为模拟在汽车发动机缸套活塞环磨损阶段的突破做出了贡献。延森等进行性了磨损测试，这个测试是在室温在贫油润滑的销在船用柴油机中心。曲等。用一个三维摩擦性映射技术并配备了一个双销设备。该测试的目的是柴油机喷油器的材料和不同的硫含量燃料润滑性能的研究。结果表明，高硫水平的燃料给更好的摩擦性阻力。虽然，这个测试是针对燃料润滑性测试而不是燃料润对滑油的影响，它应该是相关的气缸套的润滑有关。

二方法

2.1发动机的摩擦膜样品

柴油机和涡轮增压柴油机气缸中的磨损样品。气缸套样品在接近上止点区域被选出，由于此时高度磨损缸套要被更换。材料是合金珠光体基体灰铸铁和主要的硬质相（渗碳体和磷共晶）。活塞环的样品，从三个不同的活塞环，一直运行良好，因此可以被视为良好的摩擦学系统的例子。取出的活塞环样品第一和第三个涂有金属陶瓷涂层，而第二和第四没有。重点是在这里的第二个环，用珠光体灰铸铁和初生渗碳体。

2.2实验装置和样品制备

一个往复的实验室规模的试验台，用于同时测试的2种材料的组合使用。图1所示的结构示意图的固定样本的标称面积为2 10平方毫米，冲程长度为40 mm，往复运动是由电动机通过连杆驱动。样品使用氯闭环控制加热。连续测量和记录的摩擦力和负载。固定的样品从活塞环切来和移动样品从气缸套和它们是由同一材料作为现场磨损的样品。两个样品都是地面的1000张纸，以使其表面和来自发动机活塞环磨损表面类似。

图1实验装置的原理图。固定的样品（在连续接触）表示环和移动的样品（在间歇接触）代表气缸套。

2.3实验细节

为了研究硫的作用，从燃烧气体的摩擦学性能进行了一系列的实验室测试。用新鲜的气缸油和所谓的测试“刮下来”从船上使用的重质燃料油。刮下是指在气缸下部收集的使用过的汽缸油，而这种油比新鲜的汽缸油有较高的含硫量。这个想法是，使用含硫油可以是一个简单的方法来模拟运行的发动机的化学环境。这是假设额外的硫含量燃烧气体中的硫。曲等人已经使用过一个类似的方法。他们的目的是为了提高一个实验室测试通过使用石油作为一种更好的润滑剂与新油作对比。

试验用不同的油和运行参数进行了测试不同的可能的摩擦情况在接近气缸的上止点时。在实验前大约5滴白细胞介素（约0.2克）被施加到移动样品中。在整个测试，的确切数额被认为是不相关的，因为滑动接触周围的油量过多。在各种测试中使用下列参数：

负载：15–150 N，即相应的公称压力7.5 兆帕，0.75–表面。

频率：5赫兹，对应于滑动速度0 - 0.6米/秒的行程。

气缸套的样品温度：140–200 1C。

在这些条件下，边界润滑的全行程为主，从相对均匀的磨损痕迹明显。

2.4表面分析

从船用柴油机的磨损样品，以及测试台样品使用扫描电子显微镜（扫描电镜）进行检查。基础的分析用到能谱仪（EDS），截面进行了聚焦离子束（FIB）和由截面抛光机。在–电子显微和镜聚焦离子束也用于图像的横截面，从而获得引导之下，进行微观结构的观察。

三.结果与讨论

3.1船用发动机气缸套磨损的观测

磨损缸套的最明显的特征是铸铁的基体中的磨痕。这些都是由两体磨损引起的，大概是“猫粉”在燃料油，精制过程中所用的催化剂的硬残渣。黏在一些地方表面的猫粉可以被看到。这些观察结果如图2所示，当查看倾斜的样品，也很清楚，在划痕之间的脊已成为塑性变形。因此活塞环（或环）必须与脊滑动接触。然而，无硫、钙或其他任何元素将在润滑摩擦膜时可以观察到的表面采用能谱仪分析。发现氧气的量略有增加。

图2气缸套表面主要部分的典型表面形貌。大的划痕是存在于铸铁的基体中，在晶界处停止或变小到更难的初生渗碳体（在图像的上部可见）。在较低右侧的一部分，猫细颗粒被卡在表面。之间的划痕，山脊已为而变形、扁平，扫描电镜。

图3在气缸套表面上的脊滑动表面的微观结构。晶粒细化和严重的塑性变形已下降到3至4毫米以下的表面。SEM图像GE是在用聚焦离子束辐照纤维截面，使通道的对比。

气缸套的纤维截面显示大量的塑性变形和晶粒细化接近表面（图3）。没有预期的摩擦膜由铁的氧化物和硫化物可被观察。在不均匀的初生渗碳体截面，不能看到最外层的表面和材料的进一步下跌之间的不均匀性。

然而，在几个位置上的气缸套表面，较厚的薄膜已形成，如图4所示。这些电影往往形状不规则，但有平坦的部分，大概是在滑动过程中形成。它们通常表现出大量的氧气、钙、硫和碳。这些通常与摩擦元件相关，但是，这些薄膜的稀疏的外观和随机位置不能有显着的影响摩擦学性能。在这些周围区域，表面也比较粗糙。

图4在气缸套表面（扫描电镜）的散射位置处发现的较厚的薄膜之一。这些薄膜通常表现出较高的量的氧，钙，硫和碳厂周围的表面，可以看到在EDS能谱（B）获得点分析在SEM图像的交叉。

3.2船舶发动机磨损活塞环的观测

在该领域中运行良好的发动机中的的磨损活塞环是类似的但较小的划痕可以观察到，如图5所示。稍高的氧相比，具有相同的活塞环抛光表面的量，但经过能谱仪分析发现没有其他的元素将在润滑摩擦膜（图7）。这些活塞环样品的表面外观和纳达尔和艾尔做的低磨损表面类似。他们研究了低速柴油发动机气缸套样品。巴伯和露德玛也提出了和汽车引擎类似的缸套表面显微图像。

观察到的深度为4 - 6毫米的晶粒细化和塑性变形在活塞环表面的横截面，对应于气缸套样品的观测。

图5低速柴油机上运行的活塞环表面的典型外观。在石墨片层的露天矿被认为提供油停留是有益的离子。在右上角，一只猫细颗粒卡住了石墨。SEM。

3.3实验室试验

使用新鲜的使用过的汽缸油时，摩擦膜在钻机测试样品的滑动表面的主要部分被发现。这个膜表现为扫描电镜中的一种深色不规则斑点图案，如图6所示。能谱仪分析表明，磨损的摩擦膜表面比为磨损表面具有较高的氧、硫、钙（图7）。这些元素必须来自润滑油添加剂，并可能来自其他化合物在石油（在使用石油用钢和矿物油的试验运行后的情况下）。在发动机和实验室测试,其他研究人员发现类似的摩擦膜在运行。钢和矿物油的试验运行后，康和露德玛观察到了黑膜在表面上。一个成功的运行，是由于该膜的形成，其中包括软质和韧性的四氧化三铁氧化。在本文中所提出的薄膜的外观和组合物的差异可能是由于在他们的油中的添加剂的缺乏。巴伯和露德玛描述当使用使用纯矿物油和机油时，一个深褐色的表面层出现在上止点附近在磨损的汽缸套中，也出现在实验磨损表面。尼赫鲁等人发现稳定的摩擦外表包含四氧化三铁，硫化铁和磷酸铁。

图6典型的磨损表面的固定样品（表示环）在钻机测试的外观。黑暗的不规则斑点图案覆盖的滑动表面的实质部分。在博图像的下部分，研磨划痕从样品制备仍然可见。（一）SEM和EDS图（b）硫分布在同一地区。

图7固定样品外观（环）在台架试验磨损，润滑油和使用新鲜的油，和相应的能谱从不同的地区。从一场谱图磨损环进行比较。请注意，元素组成不同的表面，这些显示在这里只是说明性的例子。（一）用新鲜油的试验的磨损表面地表现出一个相对均匀的摩擦反应膜。（b）在用润滑油的试验形成的摩擦膜具有不规则的外观。（C）能从大面积的表面上的测试结果表明无线多硫所用的油，而在新鲜的油试验后，碳，氧和钙的量是更高的。在该领域戴着戒指没有硫或钙。（丁）硫含量的差异是夏娃n较大时，EDS能谱是从较小的地区收集的，通过黑暗的外观选择。这是因为大的磨损区域的样品与使用的油含有两个领域有无明显的摩擦膜。再次，没有硫或钙透露在该领域戴戒指。SEM和EDS 。

在本研究中，观察到2个重要的差异是使用用过的气缸油和新的鲜汽缸油。

用过的缸油形成的摩擦膜硫含量高（见图7）。这是不是意外，因为在这个油的硫水平较高。氧和钙量也是一样的，而碳含量通常较高的摩擦膜形成于新鲜的汽缸油。用新鲜汽缸油形成摩擦膜磨损比较均匀，而用过的汽缸油形成的摩擦膜表面有斑块（图7）。

在与剩余油量进行测试，摩擦系数通常是新鲜油的较高，开始约0.12，并达到一个稳定的值约0.11。对于用过的的油，它开始约0.11，并达到更稳定的价值约0.10。这些值是典型的边界润滑。然而，对使用过的油和高温长时间测试，在测试中摩擦系数有效的降低，经过很长的滑动距离它下降到0.6左右。在测试过程中，油变厚，可能是由于氧化。因此，不同的粘度行为油的显然影响试验，虽然他们不断在边界润滑状态。因此，这些测试不能直接使用，以确定是否较高的水平硫是有益于摩擦。理想的情况下，与未使用高硫燃料的船舶上与使用过的油进行试验的效果应当进行对比。

3.4。成果总结与讨论

实验室试验表明，在汽缸油化合物的反应与铸铁基体形成中摩擦膜包含氧、钙和或多或少的硫和碳。气缸套衬显示只有非常小的区域有这些元素，并具有不同的外观，而该领域的磨损活塞环没有任何迹象显示，在所有这些元素。值得注意的是，能谱仪分析是不是很敏感的表面。如果这些样品的摩擦膜很薄，它不应该被发现。更多的表面敏感技术如X射线发射光谱法的使用，俄歇发射光谱（AES）和透射电镜（TEM）可以检测非常薄的摩擦。这些技术将被包括在未来的工作中。然而，我不清楚的是，如果一个摩擦膜是存在磨损试样的领域，它必须比在台架试验样品薄得多。一个可能的原因可能是该化学反应只发生在高表面压力和温度下。这与极压添加剂的功能是一致的。因此，在正常的稳态磨损，表面压力和温度不够高，但基础油本身也足以创造一个良好的摩擦学系统。这意味着，这些类型的摩擦是在运行中初步形成，当表面不适形且局部表面压力和温度高时。这是符合巴伯和露德玛的研究的。它也是合理的，相同类型的摩擦膜可以形成，由于某种原因，磨损情况恶化，从一个稳态磨损到高磨损状态，由于较高的输出功率，贫油润滑或有问题的冷活塞。

如果是这样的情况下，也有一个开放的石墨结构和由于腐蚀造成的小坑是有利的，因为这些可以提供汽缸油并进行对表面提供润滑剂，燃烧气体中的极压添加剂和可能的硫酸化合物。

四结论

磨损表面的磨损的样品和船的样品已经检查，以增加关于硫在摩擦膜形成中的作用的知识。下面的结论得到了：

磨损的样品的研究没有表明摩擦膜包含

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