发动机内流场

发动机研发中的流场微分研究视频演示的实验结果是北京欧兰科技发展有限公司代理的德国LaVision公司和奥地利AVL Tippelmann公司合作完成的(AVL Tippelmann 和 LaVision) 在一个研究型光学发动机上进行了滚流和湍流（或扭转流）现象的观测研究。透明的光学气缸安装在一个真实发动机气缸顶上。空气被抽走。测量的目标对象是气缸顶（像一个流动的盒子）安装在透明光学气缸体的顶部。其直径和发动机的缸内径相同。流动的PIV测试系统由LaVision公司提供.LaVision提供了一个附加的软件模块通过累计扭矩，刚性体的旋转等来计算滚流和湍流数.同时软件还具有生成体积流和滚流角的功能。对于滚流/湍流数计算所需要的像发动机缸径和发动机冲程等参数可以从一个遥控计算机输入，也可以手动输入。LaVision的全套系统都可以通过一个遥控计算机来完成全部的控制和分析操作。执行从启动实验记录，到速度场矢量计算直至生成滚流和湍流数。

在民用航空维修领域, 维修单位经常抱怨常规工业内窥镜检测超大推力发动机诸如GE90、GEnx-1B、RB211-TRENT700、RB211-TRENT-XWB 、PW4000等型号时，及其容易存在看不清、亮度不足、视角小的问题。如何应对难以观测的痛点？采用更多的分区，这是检测中常用的技术手段。实际操作中，局部、特殊的区域采取密集分区检测是合理、有效的，但如果整个压气机的叶片都按这种方式进行检测，检测人员容易在巨大的任务量下发生因视觉、身体疲劳等因素造成工作疏漏而影响检测质量。利用直视远焦光学适配器的大视角、远焦距、亮度高等特点。就是将检测探头深入到转子与静子叶片之间的狭窄通道内检测，也是常用的技术手段。这种操作在安全风险上妥协于检测效果，需要检测人员拥有较高的操作技能以稳定内窥镜检测设备的插入管。其中安全风险在于：操作上稍有不慎，内窥镜的插入管就会被转动中的叶片夹伤或者直接将前端的光学适配器切断在发动机内部，造成紧急状况。在技术手段较为局限、或者无法满足检测要求的情况下，可以从硬件方面考虑解决。即选用高亮度、大视野、远焦距的高清工业内窥镜。先进技术缔造优质检测方案奥林巴斯IPLEX NX系列激光3D矩阵测量工业内窥镜是一款针对大空间检测应用而研发的旗舰工业内窥镜产品。其采用新型的高强度激光二极管作为光源,可以将激光光源照射到常规工业内窥镜无法到达的远端，其特有的120°大广角的直视、侧视光学适配器，均可实现更少的分区。减少缺陷的漏检，而且可以提升了工作效率。对于超大推力航空发动机涉及燃烧室、涡轮导向叶片、涡轮叶片等常规内窥镜看不清的区域。奥林巴斯NX激光3D矩阵测量工业内窥镜可以用直视/侧视远焦适配器对此类部件进行超远距离的检测，获得高清画质。奥林巴斯NX采用激光3D矩阵扫描技术，是目前主流工业内窥镜领域中可以在日光环境下进行高精度3D测量的视频内窥镜。重要的是,使用前无需过多专业培训，拍照时也无需刻意保持静止状态，非常适合于民航维修领域广泛的检测人员使用。奥林巴斯IPLEX NX系列工业内窥镜面对超大推力航空发动机所带来的检测难题，应优先配置检测能力较好、操作便利、维护简单的工业内窥镜，才能充分发挥检测人员的技术能力。奥林巴斯IPLEX NX旗舰3D工业内窥镜以其高清晰、高亮度、大视角等优异的综合性能，可较好满足民航维修领域检测任务。

1、什么是润滑油？对于装配有内燃机的车辆、建筑机械、船舶、飞机等器械设备而言，发动机润滑油在润滑、冷却、清洁和防锈过程中起到十分重要的作用。如润滑油变质，则会导致润滑性能下降、发动机内部出现磨损，进而缩短发动机使用寿命并引发故障。 出于物理因素、高温加热、金属磨损颗粒及燃料污染物等影响，机油成分及其添加剂会分解或产生化学变化，从而导致润滑油变质。因此，建议使用不同类型的分析仪对润滑油变质实施分析，确定更换机油时机及应实施何种发动机维护工作。 图1 发动机润滑油变质常见原因 美国ASTM国际标准指定一种通过可变参数来评价润滑剂变质程度的方法。本文中，我们根据ASTM标准中所指定的分析方法，对润滑油变质、污染物、磨损和添加剂实施了分析与评估，其间使用了傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、气相色谱仪（GC）和电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）等设备。 表1 FT-IR、GC和ICP-AES的润滑油分析项目示例2、使用紧凑型FT-IR实施润滑油变质分析红外光谱法所提供的数据（光谱）可反映出物质结构。在FT-IR润滑油分析中，可采集由于磺化、硝化等组成物变化所引起的变质信息，还可以获取由于氧化引起的羰基增量信息。分析同样可提供烟炱和其他物质污染物的相关信息，并可获取由于水分污染而引发的羟基增量信息。此外，如润滑油包含抗氧化剂或抗磨组分，那么可通过特有峰值来确定是否由于润滑油变质而导致添加剂减量。 此项研究中，我们使用紧凑型、高性能FT-IR和易用液体分析单元对润滑油变质实施评价。图2 结合使用IRSpirit和Pearl液体池 2-1丨方法 结合使用IRSpirit与Pearl 0.1 mm光程液体池，对样品A和样品B的废旧机油与新机油实施分析。样品A和样品B的详细信息如下： 表2 样品详细信息 2-2丨结果图3 样品A和样品B的光谱 根据FT-IR分析结果，样品A中确认存在水污染及由于氧化和硝化而引起的变质。样品B中，抗氧化剂量减少，但并未观察到由于氧化变质引起的光谱变化。因此可假定使用抗氧化剂有效防止了机油氧化。 使用FT-IR，无需实施样品预处理即可实施润滑油分析，Pearl液体池在每次分析后，能够简单、快捷地实现池体单元清洁工作。此外，由于能够以高精度保持光程长度，因此所获数据在符合ASTM E2412要求的同时，还可以确保高可重现度。 然而，由于FT-IR方法灵敏度不高，因此很难区分低浓度污染物（如：燃料和冷却剂）。GC和ICP-AES方法适用于此类详细分析。 3、利用GC快速分析发动机润滑油中的燃油稀释率发动机润滑油中如果混入汽油或柴油等燃料油，那么会导致润滑油粘度降低、无法发挥其润滑性能。因此，燃油稀释率（含量）通常作为判断机油是否需要更换的一个关键指标。测定发动机润滑油中的燃油稀释率，一般采用配备氢火焰离子化检测器（FID）的GC法，该方法是最为准确检测方法之一。 但是，当分析高沸点化合物样品时，该方法存在的弊端是分析时间较长，分析效率低。ASTM D7593将反吹技术引入气相色谱法，可实现燃油稀释率的快速分析。该系统可应用于发动机润滑油中汽油、柴油和生物柴油分析。 在此项研究中，使用了配备反吹系统的气相色谱法和利用氮气作为载气进行分析，从而节约分析成本。图4 岛津反吹系统 3-1丨方法使用配备有反吹系统的Nexis GC-2030气相色谱仪对发动机润滑油中的燃油稀释率进行分析。根据汽油n-C12和柴油n-C20的停留时间，设置反吹起始时间。 表3 分析条件3-2丨结果图5 发动机润滑油中稀释汽油分析色谱图图6 混入柴油的基油样品的长期连续分析 表4 稀释汽油分析的重现性（％，n = 10）表5 稀释柴油的重复性（％，n = 10）使用配备反吹系统的气相色谱仪实现了测定时间小于2分钟的高效率汽油稀释率测定和小于4分钟的高效率柴油稀释率测定。仅需将样品放置于小瓶中即可进行分析，无需任何预处理操作（如：溶剂稀释）。此外，Nexis GC-2030可同时使用两套反吹系统流路让生产率提高一倍。 该系统具有良好的重现性，并在使用廉价氮气载气的同时，满足ASTM D7593中的要求。在 600次分析中，所得稀释率的重现性 ％ RSD为2.3％，每实施200次分析对耗材（如：隔垫） 进行一次维护，此处显示出其出色的长期稳定性。特别是对于质量控制部门而言，由于需要进行大量样品的常规分析，因此对于低成本、快速分析的需求十分迫切。本应用中，我们介绍了一种使用配备有反吹系统的Nexis GC-2030气相色谱仪对发动机润滑油的燃油稀释率进行经济高效、快速的分析方法。 4、使用ICP-AES分析废旧润滑油中的添加剂元素、磨损金属和污染物分析润滑油中的金属磨损可为评估润滑油变质和发动机状态提供有用信息。同时，在润滑油中添加富含各类有机金属物质的多种添加剂可增强其润滑性能。为保证润滑油质量（实现质量控制），控制添加剂浓度十分重要。根据ASTM D5185和D4951，指定使用有机溶剂稀释的ICP-AES测定废旧润滑油中所含有的添加剂元素、磨损金属和污染物。 本研究中，我们使用岛津ICPE-9820发射光谱仪，根据ASTM D5185中针对废旧润滑油样品所指定的22种元素（包括ASTM D4951中所述的9种元素）实施分析，并同样对未经使用的润滑油样品实施分析以作参考，样品均使用有机溶剂进行稀释。ICPE-9820采用垂直方向的炬管设计，可有效防止积碳，并在无需加氧的条件下，为有机溶剂样品进行稳定的分析。 4-1丨方法 使用岛津ICPE-9820进行测定。测定条件见表6。常规ICP仪器进行有机溶剂样品分析时，通常须将氧气导入等离子体中，以防炬管管口上形成碳沉积。然而，岛津ICPE-9820采用了可抑制碳沉积的炬管，几乎可完全消除由样品和有机溶剂形成的积碳。因此，即使在分析煤油、二甲苯和MIBK等品类的有机溶剂样品时，ICPE-9820依然无需导入氧气来抑制碳沉积。此外，由于岛津ICPE-9820采用真空光室，因此在分析类似硫等波长处于真空紫外区域元素时，无需使用消耗昂贵、高纯度气体的吹扫光室，可节约分析成本。 表6 分析条件废旧汽车润滑油（行驶里程约4000公里）与仅用于分析样品的新润滑油。样品预处理包括：各样品称约10 g，然后用100 mL的煤油进行稀释。使用煤油准确稀释SPEX油基21元素混合标准溶液（500μg/g）、SPEX油基单元素标准溶液（5000μg/g）与重油硫含量标准样品（重量的1.05％）制备标准溶液。 此外，用煤油稀释油基Y（钇）单元素标准溶液（5000μg/g），并作为内标元素添加至所有样品中，从而使所有样品保持固定浓度。 为了验证测定值，将上述标准溶液添加至废旧润滑油中，制备5 mg/L溶液，用作低浓度元素加标回收测试样品。此外，对于高浓度元素，使用煤油将废旧润滑油稀释50倍以制备稀释测试样品。 4-2丨结果表7给出分析结果。针对废旧润滑油，高浓度元素稀释测试和低浓度元素的加标回收测试均获得了接近100％的优异结果。此外，同样列出针对新润滑油实施分析所获的分析结果，以供参考。使用ICPE-9820，可以稳定地分析废旧润滑油中的溶解元素，而无需导入氧气。 表7 润滑油的分析结果峰值回收率（％）=（C1-C2）/B×100（C1：加标样品定量值；C2：非加标样品定量值；B：加标浓度）稀释测试（％）= I/S×100（I：稀释前样品的定量值；S：5倍稀释样品的定量值×5）检测极限：DL = 3×σBL×κ（σBL：背景强度的标准偏差；κ：浓度/强度）：小于检测极限 5、结论• 使用FT-IR、GC和ICP-AES可获得关于润滑油变质分析的有用信息。 • 紧凑型IRSpirit和Pearl可轻松获取符合ASTM E2412要求的数据。 • 使用GC-2030反吹系统可对润滑油燃料稀释品实施经济有效的分析。 • 使用ICPE-9820，无需导入氧气即可稳定分析润滑油中的溶解元素。 文章参考：ASTM E2412-10、ASTM D7593-14、ASTM D5185-18、ASTM D4951-14