一種燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油的開發(fā)與應(yīng)用研究

趙艷麗+等

摘要：文章闡述了一種燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油在某公司道路和運(yùn)輸車輛上的應(yīng)用研究，通過對在用油的分析監(jiān)測表明：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油具有優(yōu)異的黏度和堿值保持性、抗氧化、抗硝化以及抗腐抗磨損性，可滿足道路和公交車輛上燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的用油要求。并考察了不同運(yùn)輸條件下對油品性能的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果初步確定了該油品在道路和公交車輛上的換油周期，為不同類型運(yùn)輸車輛上的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)合理用油提供技術(shù)支撐。

[HT5”H]關(guān)鍵詞：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油；公交車輛；道路運(yùn)輸；換油周期

[HT5”H]中圖分類號(hào)：TE62632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

Development and pplication of Gas Engine Oil

ZHO Yan-li， HE Chan-hong， WNG Xue-mei， PEI Yang， LIN Xiu-zhuan， SHI Shun-you

（aoming Branch， Sinopec Lubricant Company Limited， aoming 52501 China）

bstract：In this paper， a kind of gas engine oil was used in a company road and transportation vehicles On-line used oil analysis and monitoring result showed that this oil possesses excellent viscosity， TBN retention， anti-oxidation， anti-nitration， corrosion inhibition and anti-wear performances and it can meet the requirements of the road transport vehicles and bus-gas engine The effect of different transportation situation on the property of oil was investigated Based on the experimental results， the reasonable oil drain intervals was confirmed， which provided a technical support for reasonable use of oil of different types of gas engines

Key words：gas engine oil； bus； road transport vehicles； oil drain intervals

0引言

近年來，由于石油資源的日益減少、能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，使得代用燃料的使用越來越廣泛，天然氣、石油氣等氣體燃料的廣泛使用[1]，加之政府強(qiáng)大的補(bǔ)貼政策，促使以氣體為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)車輛越來越多地出現(xiàn)在公交、道路運(yùn)輸系統(tǒng)中。在眾多的氣體燃料中，液化天然氣（LNG）以其安全性能高、體積小、純度高、組分單一、更便于遠(yuǎn)程運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，最為廣泛被使用。

本文針對燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)及LNG燃料的特點(diǎn)，專門研制了一種適用于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上使用的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油，并在某公司搭載WP7NG270E0燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的公交和道路運(yùn)輸車輛上分別進(jìn)行了應(yīng)用研究，對在用油進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測，分析數(shù)據(jù)表明：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油具有優(yōu)異的黏度保持性能、抗氧化、抗硝化及抗磨性能，可滿足以液化天然氣為燃料的公交及道路車輛的使用要求。

1實(shí)驗(yàn)部分

11實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

目前世界上還沒有燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和臺(tái)架試驗(yàn)評定方法[2]，各主要發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商（OE）根據(jù)其自身發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和實(shí)際使用工況對燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的要求也不盡相同。因此，對于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油來講，通過實(shí)際行車試驗(yàn)更能全面、準(zhǔn)確地考察油品的高溫抗氧化性能、抗磨性能及綜合使用性能。

本實(shí)驗(yàn)選取了運(yùn)輸路線相同的2輛公交車和2輛道路運(yùn)輸車開展試驗(yàn)。公交線路選擇在真實(shí)的城市路況，車輛經(jīng)常處于開開停停狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速、低速、重負(fù)荷等苛刻工況下。道路車輛選擇高速、超載的線路，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長、溫度高、重負(fù)荷的工況。

12樣品研制過程[STBZ][WT5BZ]

[HTK]121燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)及對潤滑油性能要求

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，可歸納總結(jié)為：“兩高一難”，即燃燒室高溫、燃燒室氮氧化物含量高和潤滑難。具體如下：（1）燃燒室溫度高：天然氣主要為甲烷，由個(gè)C—H鍵組成，C—H鍵的比熱高于傳統(tǒng)液體燃料（汽油、柴油）C—C鍵，同時(shí)，天然氣進(jìn)入燃燒室后不同于液體燃料有氣化吸熱過程，冷卻性能差，使燃燒室溫度升高，其尾氣溫度比普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高165～235 ℃左右[3]。在這樣的高溫作用下，油品的氧化加速。因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油有更好的高溫抗氧化性，以防止因發(fā)動(dòng)機(jī)高溫造成的機(jī)油氧化變質(zhì)及黏度增長。（2）燃燒室氮氧化物含量高：雖然LNG、CNG為清潔環(huán)保燃料，但燃燒室高溫會(huì)導(dǎo)致氮氧化物含量的升高，引發(fā)機(jī)油硝化變質(zhì)，產(chǎn)生油泥，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，縮短機(jī)油使用壽命。因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油有更好的抗硝化能力。（3）難潤滑：傳統(tǒng)液體燃料是以小液滴的形態(tài)噴入汽缸，可潤滑、冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣閥和閥座；但天然氣（LNG、CNG）是成氣態(tài)進(jìn)入汽缸，氣體無潤滑作用，易造成上述部件的磨損。因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油對進(jìn)、排氣系統(tǒng)有足夠的保護(hù)，而機(jī)油中合適的硫酸鹽灰分恰好能起到保護(hù)功能。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度高、天然氣燃料無潤滑作用不僅會(huì)使得氣門和閥座摩擦副的磨損嚴(yán)重，也會(huì)使得天然氣汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，特別是凸輪-挺桿摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)而出現(xiàn)磨損問題。因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油需要更好的抗磨損性能硫酸鹽灰分是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的關(guān)鍵指標(biāo)， 傳統(tǒng)燃料（汽油、柴油）中有重組分，其燃燒后會(huì)產(chǎn)生煙炱，煙炱積累在排氣門上，可以起到減少氣閥與閥座的磨損，對發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門起到良好的潤滑保護(hù)作用。但天然氣沒有重組分，只有通過積累在排氣門上的灰分燃燒后形成的沉積物對其起到潤滑保護(hù)作用。這層沉積物呈藍(lán)灰色，積累起來需要一定的時(shí)間，積累的速度與機(jī)油灰分高低、油耗、氣門與氣門座之間的角度等有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行中，氣門上沉積物積累過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，即在沉積物不斷損失的同時(shí)，新的沉積物不斷地補(bǔ)充[5]。

如果機(jī)油灰分過低，形成的沉積物過少，對閥門的潤滑保護(hù)不夠，則易導(dǎo)致閥門磨損和閥門嵌入；如果機(jī)油灰分過高，氣閥上沉積物過多，易導(dǎo)致氣閥上沉積物局部剝落形成高溫氣體竄氣通道，出現(xiàn)閥門熔損，另外沉積物的積累也會(huì)導(dǎo)致活塞與缸套磨損、火花塞堵塞等問題。機(jī)油中的硫酸鹽灰分與氣閥上沉積物形成的多少有密切的關(guān)系，硫酸鹽灰分高，則易形成沉積物，反之，亦然。

[HTK]122燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油配方考察

為滿足國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境要求，專用油黏度等級定為15W-0。

基礎(chǔ)油的選擇：由于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油對高溫抗氧化性能要求比較高，所以本配方中加入了一定量的抗氧化性能較好的Ⅱ、Ⅲ類基礎(chǔ)油作為調(diào)合組分。

添加劑的選擇：考察了不同清凈劑的硬度，由于鎂鹽的硬度較大，對設(shè)備的磨損較大，所以選擇了鈣鹽作為研制油品的添加劑。同時(shí)考慮到配方中添加劑中金屬元素的含量決定了油品中硫酸鹽灰分的含量，這些金屬元素一部分是清凈分散劑（Ca），另一部分是抗磨劑（Zn）。所以比較了不同類型鈣鹽添加劑中的硫酸鹽灰分、磷、硫含量，數(shù)據(jù)見表1。為了滿足燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油不同溫度下的使用要求及低溫啟動(dòng)性能，在油品中加入了一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑，聚α-烯烴降凝劑和聚甲基丙烯酸酯降凝劑對基礎(chǔ)油餾分感受性較好，用量在06%～10%，樣品即可滿足油品的低溫性能要求。乙丙共聚物（OCP）在增稠能力、剪切安定性、低溫性能及耐高溫性能等方面綜合評價(jià)較好，能滿足使用要求試驗(yàn)車輛裝配發(fā)動(dòng)機(jī)為WP7NG270E0，車輛編號(hào)分別為道路車輛-1、道路車輛-2、公交車輛-1和公交車輛-試驗(yàn)車輛設(shè)計(jì)行駛里程為30000 km，試驗(yàn)周期為8～10月，即環(huán)境溫度為20～3 ℃，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣東省。試驗(yàn)車輛情況見表。

1取樣、機(jī)油更換和補(bǔ)加

在熱機(jī)狀態(tài)下，將發(fā)動(dòng)機(jī)中舊油放出，注入CNG/LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油試驗(yàn)油，加至油尺上限；車輛原地啟動(dòng)15 min，進(jìn)行清洗工作，清洗完畢后，停止運(yùn)行，將試驗(yàn)油全部放出。然后更換新的機(jī)油濾清器、空氣濾清器和燃油濾清器，重新加注試驗(yàn)油至油尺上限，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后所取的油樣為0 km樣品。

試驗(yàn)車行駛到采樣時(shí)間點(diǎn)時(shí)，在熱車狀態(tài)下，維持油溫在60 ℃左右，采250 mL油樣，作為最終的試驗(yàn)油樣。并在樣瓶上貼好標(biāo)簽，注明車號(hào)、取樣日期、行駛里程、取樣人。

在試驗(yàn)過程中，司機(jī)定期觀察機(jī)油液面，如果機(jī)油液面高度低于 低液面（下限），補(bǔ)加適量新油，使機(jī)油液面上升至1/液面處，并做好試驗(yàn)期補(bǔ)加機(jī)油的記錄，但取樣前200 km內(nèi)不得補(bǔ)加新機(jī)油。

15試驗(yàn)及監(jiān)測內(nèi)容

在試驗(yàn)周期內(nèi)，分別對試驗(yàn)車輛的在用油進(jìn)行分階段取樣，并對油品進(jìn)行分析檢測，檢測項(xiàng)目包括常規(guī)理化指標(biāo)、紅外光譜和磨損金屬元素三個(gè)方面，其中常規(guī)理化指標(biāo)主要包括油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、酸值及正戊烷不溶物；紅外指標(biāo)分析包括氧化值、硝化值；磨損金屬分析，包括Fe、Cu、l、Cr、Pb等金屬元素分析。

2結(jié)果與討論

21100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度

油品的運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢是反映油品實(shí)際使用效能的重要指標(biāo)之一。油品在實(shí)際使用過程中的抗剪切、抗高溫氧化性能主要通過其黏度變化程度來表征，油品黏度的變化趨勢通常是先降低再升高，這主要是因?yàn)閯偸褂玫男掠陀捎谑馨l(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑由大分子剪切成小分子，致使油品的黏度明顯下降，其后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油使用小時(shí)數(shù)的不斷增加，油品本身發(fā)生氧化并生成大分子膠質(zhì)，再加上磨損金屬和燃燒積炭的作用，使油品黏度緩慢回升，當(dāng)油品黏度升高到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致潤滑不良現(xiàn)象發(fā)生，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生事故的可能性增大[6]。100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢見圖1。

由圖1可以看出，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油在整個(gè)試驗(yàn)過程中，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度主要呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢，但下降幅度較小，道路車輛由于長期高速行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于高溫高負(fù)荷的條件，所以油品黏度下降較快，但維持在正常變化范圍之內(nèi)。說明油品具有優(yōu)異的剪切安定性和黏度保持性。道路車輛在行駛20000 km之后，油品黏度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢并逐漸趨于平穩(wěn)，公交車輛在15000 km之后同樣出現(xiàn)此變化趨勢，說明油品沒有出現(xiàn)過度氧化而造成的油品黏度劇增現(xiàn)象，該油品可為道路和公交車輛提供良好的潤滑保護(hù)。

22酸值

油品的酸值變化源于油品在使用中高溫氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物及燃燒產(chǎn)生的部分酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在表現(xiàn)為油品酸值增大。油品的總酸值變化預(yù)示著其氧化衰變的程度，油品在使用過程中由于氧化物、硝化物和硫化物等酸性物質(zhì)的增加，使油品的酸值逐漸增大，這不僅會(huì)造成機(jī)械腐蝕，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)柴油機(jī)油的變質(zhì)，生成油泥，增加機(jī)械磨損。酸值增加值的變化趨勢見圖2。

由圖2可以看出，在試驗(yàn)過程中因油品氧化而產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使得油品的酸值逐步增大，公交車輛由于長期處于開開停停，怠速行駛等狀態(tài)，所以酸值增加值較大于道路車輛。從變化趨勢看，公交車輛在行駛約至15000 km時(shí)，道路車輛行駛到20000 km時(shí)，酸值變化區(qū)域平穩(wěn)，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，油品的酸值增值均未超過2 mgKOH/g，符合發(fā)動(dòng)機(jī)油在使用過程中酸值增大的變化規(guī)律。

23堿值

油品堿值來源于油品中的堿性添加劑，其變化預(yù)示了油品的添加劑儲(chǔ)備能力，表明了油品添加劑體系中某些有效組分的下降或耗盡情況，同時(shí)也反映了油品清凈分散能力的衰變程度。油品在使用過程中，由于其堿性添加劑要中和氧化受燃燒廢氣影響而產(chǎn)出的酸性物質(zhì)，從而使堿性物質(zhì)損耗，致使油品的堿值下降。堿值的變化趨勢見圖3。

由圖3可見，實(shí)驗(yàn)過程中油品的堿值呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，其中公交車輛的堿值下降幅度比道路車輛的大。原因可能是，公交車輛處于特殊的環(huán)境，形成的酸性物質(zhì)較多，所以消耗了較多的堿值用于中和酸性物質(zhì)。20000 km 之后油品堿值變化趨于平穩(wěn)。

2正戊烷不溶物

正戊烷不溶物通常包含油品氧化產(chǎn)物、添加劑降解產(chǎn)物、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損金屬、積炭及灰塵等不溶于有機(jī)溶劑的雜質(zhì)的綜合，其數(shù)值大小可間接反映油品氧化變質(zhì)、添加劑消耗及油品的受污染程度。正戊烷不溶物變化趨勢見圖。

由圖可知，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油的正戊烷不溶物含量在整個(gè)行車試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)逐步增大的變化趨勢，但始終處于非常小的范圍內(nèi)，未超過01%，油品表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能。

25氧化值和硝化值

由于天然氣的燃燒值較高，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度會(huì)高于普通汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，對其發(fā)動(dòng)機(jī)油提出了更苛刻的抗氧化和抗硝化要求。在此次試驗(yàn)過程中對油品的氧化值和硝化值進(jìn)行了檢測，具體結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5和圖6可知，隨著行駛里程的逐步延長，油品在使用過程中不斷氧化、硝化，使得油品的氧化值和硝化值呈現(xiàn)逐步增長的變化趨勢。其中公交車輛由于其特定的工況，油品衰變程度略大于道路車輛。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，油品的氧化值和硝化值仍然處于較低水平，說明試驗(yàn)油品具有很好的抗氧化和抗硝化能力。

26金屬元素

在用油中的Fe、Cu、l、Cr、Pb等金屬元素含量可直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)各主要摩擦副在運(yùn)行過程中的磨損情況，行車試驗(yàn)后，油品的元素含量變化見圖7～圖11。

可見，試驗(yàn)油品中的磨損金屬元素含量呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，數(shù)值較小，說明油品具有很好的抗磨損性能。

3結(jié)論

（1）整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，車輛運(yùn)行平穩(wěn)，車輛行駛狀況正常。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油表現(xiàn)出了很好的黏度保持性能和堿值保持性能，而且抗氧化性能及抗磨性能優(yōu)異，可滿足公交車輛和道路車輛的使用要求。

（2）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，油品在公交車上的衰變速率要快于道路車輛，建議在公交車上使用周期為20000 km；在道路車輛上使用時(shí)，可適當(dāng)延長換油周期至30000 km。

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