元素分析法判断是否有滑油进入发动机燃烧系统的可行性研究

施 雯，夏 林

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410000）

航空发动机的油路系统主要包含燃油系统、滑油系统和液压油系统。发动机处于正常工作时，燃油系统、润滑油系统和液压油系统是彼此隔离的，但如果各油路系统间密封器件等出现故障时，三大系统彼此的物理隔离会被打破，从而发生串油现象。其中最普遍的是燃油系统与滑油系统的互串[1-2]。当燃油串入滑油系统时，可通过发动机油箱有无异常上涨、润滑油中是否有燃油的气味等进行初步的判断，再将油液送至理化实验室使用闪点法[3]、黏度法、红外光谱分析法[4]等来判断串油的情况。当滑油串入燃油系统时，情况就要复杂得多，因为串入的滑油可能会直接进入燃烧室烧掉，目前只能通过滑油的消耗量以及发动机各部件上是否有滑油油迹来初步判断是否有滑油进入燃油系统[5]。

近日，我所某型号发动机在试车过程中发现滑油消耗量猛增，但找不到滑油泄漏的痕迹，发动机研制人员怀疑是滑油进入了燃烧室参与了燃烧，但找不到证据。理论上，可以通过检测发动机尾气杂质成分来确定是否有燃油参与燃烧。但在前期调研中发现，目前航空发动机尾气检测主要是通过检测尾气中CO 和NO等的含量来分析发动机的燃烧效率以及尾气对环境的影响[6]，尚无有效的检测发动机尾气其他杂质成分的方法。

燃油和滑油都为石油产品，最主要的元素都为C和H，其元素组成最大的区别就体现在它们分别加入的添加剂中。目前，国内外润滑油添加剂种类主要有含硫、磷和氯类的添加剂，含有有机金属盐、硼酸盐类和稀土类的添加剂等，其中最主流的为含硫、磷和氯类的添加剂。常用的含磷添加剂主要有：酸性亚磷酸二丁酯、磷酸三甲酚酯、硫代磷酸酯、磷酸酯和酸性磷酸酯胺盐，其中用得最多的是有机磷酸酯[7]。RP-3航空煤油的添加剂中含有少量的硫元素，不含磷元素[8]。添加剂中的磷元素在高温下会分解出磷的含氧酸[9]，硫元素会分解成硫的氧化物。

本文以滑油与燃油的混合油样为研究对象，用氧弹量热仪的氧弹来模拟燃烧，并对燃烧产物进行收集，再对收集液进行70余种元素的光谱分析，筛选能反映混合油样中滑油含量的特征元素，为元素分析法判断是否有滑油进入发动机燃烧系统提供可行性依据。

1 实验部分

1.1 实验原理

在RP-3航空煤油中加入不同质量的滑油，用氧弹量热仪进行燃烧，并对燃烧产生的气体用溶液进行收集，再对收集液用ICP-OES进行元素分析，最后找出元素测试强度与加入滑油质量具有线性关系的特征元素。

1.2 实验药品与仪器

氢氧化钠吸收液：5g/L；纯水吸收液。

RP-3燃油，4050滑油，555滑油，飞马Ⅱ号滑油。

IKA C6000量热仪，PE Avio 500 ICP-OES。

1.3 实验方法

1.3.1 混合油样的配置

称取一定质量的4050滑油加入一定质量的RP-3燃油中，配制6个样，如表1所示。

表1 混合油样的配置

1.3.2 吸收液的选择

因为燃油燃烧的产物主要为CO2，H2O，SO2，NO化合物等酸性气体，所以一般用水或碱溶液作为吸收液。

对6号混合油样用氧弹量热仪进行燃烧，分别用5g/L的氢氧化钠溶液和纯水溶液进行吸收，用ICPOES进行多元素测定，选择强度较高的杂质元素来对比，最后确定吸收液。

1.3.3 特征元素的选择

按表2称取一定质量的1～6号混合油样分别进行燃烧，并收集燃烧产物。将收集液定容50mL，用ICP-OES对76种元素，分别选择一条推荐谱线，进行测试。选择出元素强度与加入滑油质量具有线性关系的特征元素。

表2 混油的称取

1.3.4 特征元素谱线的选择

对特征元素的所有特征谱线进行测试，选择出线性最好，强度最高的谱线。

2 结果与讨论

2.1 吸收液的选择

通过测试，发现Si、P、S、Mo等杂质元素具有较高的强度，测试结果如表3所示。

表3 不同吸收液元素强度对照表

从表3可以看出，选择NaOH吸收液时，Si、P、S元素具有更高的强度，Mo元素差别不大，所以选择NaOH作为吸收液。

2.2 特征元素的选择

吸收液中各元素强度与加入4050滑油质量的关系图如图1所示。

图1 各元素强度与加入4050滑油质量的关系

通过图1可以看出，P、Mo、I等都具有较好的线性，其中P元素的线性相关系数最好，到达了0.999以上。故可以选择P元素作为特征元素。

2.3 特征元素谱线的选择

P元素各特征谱线强度与加入4050滑油质量的关系如图2所示。

图2 P元素各特征谱线强度与加入4050滑油质量的关系

通过图2可以看出，P元素在213.617nm谱线处强度最高，线性最好。

3 结论

采用同样的方法对常用的555滑油、飞马Ⅱ号滑油等做了同样的试验，P元素在213.617nm谱线处的强度与混合油样中滑油质量含量都有非常好的线性关系。

结果表明，可以通过发动机尾气中P元素的测试来判断是否有滑油参与燃烧以及计算出参与燃烧滑油的质量。