輕組分燃料潤(rùn)滑性需求及對(duì)策研究

李進(jìn)，劉多強(qiáng)，朱志謙，李召良，張亮，王美川

(空軍油料研究所，北京 100076)

輕組分燃料潤(rùn)滑性需求及對(duì)策研究

李進(jìn)，劉多強(qiáng)，朱志謙，李召良，張亮，王美川

(空軍油料研究所，北京 100076)

由于現(xiàn)今技術(shù)工藝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材質(zhì)的潛力有限以及環(huán)保清潔燃料規(guī)格的嚴(yán)格要求，使得燃油泵的潤(rùn)滑越來(lái)越依賴燃料自身的潤(rùn)滑性能，因此為了減少燃油泵的磨損，世界各國(guó)都開(kāi)始重視研究燃料的潤(rùn)滑性能。文章介紹了汽油、柴油和噴氣燃料及單一燃料對(duì)潤(rùn)滑性能的要求及其試驗(yàn)方法，詳細(xì)概述了國(guó)內(nèi)外汽油、噴氣燃料、柴油和單一燃料等規(guī)格對(duì)潤(rùn)滑性能指標(biāo)的要求，添加抗磨劑是提高燃料潤(rùn)滑性最有效的方法，研究低酸值直鏈脂肪酸衍生物柴油抗磨劑和尋找噴氣燃料替代抗磨劑是未來(lái)發(fā)展的主要方向。

汽油；噴氣燃料；柴油；單一燃料；潤(rùn)滑改進(jìn)劑；抗磨劑

0 引言

20世紀(jì)80年代，很少出現(xiàn)燃料潤(rùn)滑性差的報(bào)道，但隨著燃料精制的加深以及節(jié)能減排的要求，出現(xiàn)了低硫燃料，燃料潤(rùn)滑性問(wèn)題就受到人們更多的關(guān)注，如美軍的戰(zhàn)場(chǎng)單一燃料在地面裝備上使用時(shí)導(dǎo)致大面積油泵失效[1-2]，瑞典、加拿大等國(guó)冬季柴油磨損嚴(yán)重[3-4]，先是泵的黏著磨損，隨后泵的性能迅速下降到無(wú)法使用的程度。近年來(lái)，為了滿足日益嚴(yán)格的排放要求，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，電控高壓共軌、EGR(廢氣再循環(huán))等技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)氣缸內(nèi)噴射柴油霧化、燃燒狀況得到改善的同時(shí)，燃油噴射系統(tǒng)工作壓力也不斷提高，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)只能依靠燃油自身來(lái)潤(rùn)滑，這就對(duì)燃料的潤(rùn)滑性提出了更高的要求。

1 燃料潤(rùn)滑性需求

1.1 汽油

90年代初期，汽油潤(rùn)滑性還處于研究的空白，與其他燃料相比，汽油餾分最輕、黏度小，也是潤(rùn)滑性最差的液體燃料。汽油組分含天然抗磨物質(zhì)極低，基本上只能靠本體組分對(duì)燃料供油系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑，而且新配方汽油中更含有一定量的親水性含氧添加劑。1995年，Wei和Spikes對(duì)高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了測(cè)定汽油磨損的試驗(yàn)方法，較系統(tǒng)地考察了歐洲當(dāng)時(shí)市售汽油的潤(rùn)滑水平，較全面地研究了在彈流和邊界潤(rùn)滑條件下汽油的潤(rùn)滑性能。韋淡平[5-6]采用HFRR試驗(yàn)機(jī)研究了汽油的磨損機(jī)理，提出了汽油磨損公式從理論上計(jì)算出汽油的磨損情況，黏著磨損和金屬轉(zhuǎn)移仍是汽油磨損的主要形式。

近年來(lái)，汽油從無(wú)鉛化到清潔化的歷程見(jiàn)證了世界對(duì)于環(huán)保的呼聲愈發(fā)強(qiáng)烈，各國(guó)紛紛制定了越來(lái)越苛刻的汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尾氣排放要達(dá)標(biāo)，新配方汽油的組成及雜質(zhì)含量等都受到新法規(guī)的制約，芳烴和烯烴含量降低，要防止噴氣燃料和柴油的嚴(yán)重事故重演，汽油的潤(rùn)滑性研究顯得尤為緊迫。21世紀(jì)初已有使用清潔汽油磨損問(wèn)題的跡象，但大規(guī)模的汽油泵因汽油潤(rùn)滑性不夠?qū)е鹿ぷ魇形闯霈F(xiàn)。國(guó)際上歐美等國(guó)對(duì)車用汽油的潤(rùn)滑性并未明確作出規(guī)定，如美國(guó)SAE推薦車用汽油標(biāo)準(zhǔn)SAE J312-98和俄羅斯車用汽油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ΓΟСТ 2084-77對(duì)燃料潤(rùn)滑性不作要求，日本車用汽油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格JIS K 2202:2012對(duì)燃料潤(rùn)滑性無(wú)要求[7]；國(guó)內(nèi)GB 17930-2011《車用汽油》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格對(duì)于燃料潤(rùn)滑性并無(wú)界定，GB 18351-2004《車用乙醇汽油》、GB/T 22030-2008《車用乙醇汽油調(diào)合組分油》和GB/T 23799-2009《車用甲醇汽油(M85)》對(duì)潤(rùn)滑性均未作要求。

1.2 噴氣燃料

目前在世界航空領(lǐng)域，以美英和北大西洋公約組織為代表的歐美等國(guó)普遍具有不同的軍用和民用航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范，國(guó)內(nèi)外民用噴氣燃料主要采用GB 6537、DEF STAN91-91、ASTM D1655、AFQRJOS等四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。民用航空領(lǐng)域方面，國(guó)際上普遍應(yīng)用符合英國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN91-91系列和美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1655為代表的JetA-1標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)均采用ASTM D5001《球柱潤(rùn)滑性評(píng)定儀測(cè)定航空渦輪燃料潤(rùn)滑性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Ball on Cylinder Lubricity Evaluator，簡(jiǎn)稱BOCLE法)》(簡(jiǎn)稱球柱法)評(píng)定燃料的潤(rùn)滑性。該方法通過(guò)測(cè)量磨斑直徑WSD值來(lái)表示噴氣燃料的潤(rùn)滑性，英軍規(guī)定WSD小于0.85 mm，美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定WSD小于0.65 mm。事實(shí)上現(xiàn)代飛機(jī)某些燃料系統(tǒng)部件已經(jīng)按照即將使用潤(rùn)滑性較差的燃料來(lái)設(shè)計(jì)并制造，在國(guó)際航空界的參與下[8]，SAEAE-5B小組對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵的低潤(rùn)滑性容忍試驗(yàn)的方法ARP1797進(jìn)行了修訂，目前采用規(guī)定方法ASTM D5001對(duì)航空燃料基礎(chǔ)餾分進(jìn)行測(cè)量時(shí)磨痕直徑應(yīng)該在0.85～0.96 mm，為了改善燃料潤(rùn)滑性，通常煉油廠商和作戰(zhàn)裝備制造商會(huì)建議美軍在航空渦輪燃料中加入適量的腐蝕抑制/潤(rùn)滑改進(jìn)劑。

我國(guó)與之等效的方法是SH/T 0687《航空渦輪燃料潤(rùn)滑性測(cè)定法(球柱潤(rùn)滑性評(píng)定儀法)》。我國(guó)高閃點(diǎn)噴氣燃料對(duì)潤(rùn)滑性沒(méi)有提出要求。我國(guó)以往生產(chǎn)的噴氣燃料鑒于當(dāng)時(shí)評(píng)價(jià)方法欠缺也無(wú)此項(xiàng)要求。舊版3號(hào)噴氣燃料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 6537-94是參照ASTM D1665-92C制定的，新發(fā)布的3號(hào)噴氣燃料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 6537-2006)中對(duì)于燃料潤(rùn)滑性有了明確要求，軍用3號(hào)噴氣燃料磨痕直徑WSD值不大于0.65 mm，民用3號(hào)噴氣燃料WSD值不大于0.85 mm。

此外，ASTM D1655標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)合成石蠟基煤油(SPK)調(diào)合燃料的規(guī)格作出了明確規(guī)定：由費(fèi)-托(F-T)工藝合成的100%石蠟基煤油規(guī)格和包含F(xiàn)T-SPK任意調(diào)合比例(體積不超過(guò)50%)成品燃料的規(guī)格、由100%源自加氫處理的動(dòng)物脂肪植物油脂或藻類油的甘油三酯的成品HEFA-SPK和包含HEFA-SPK任意調(diào)合數(shù)量(體積不超過(guò)50%)成品調(diào)合燃料的規(guī)格均屬于強(qiáng)制性執(zhí)行規(guī)格，并且調(diào)合燃料的潤(rùn)滑性仍執(zhí)行相應(yīng)航空燃料規(guī)格，即調(diào)合燃料潤(rùn)滑性要求磨斑直徑WSD小于0.65 mm。而我國(guó)噴氣燃料調(diào)合組分還未建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)潤(rùn)滑性要求

1.3 柴油

柴油噴油泵的故障主要有磨損、被污染和噴油泵卡死，低潤(rùn)滑性的燃料可縮短噴油泵的使用壽命，但溫度驟變會(huì)導(dǎo)致噴油泵在瞬間卡死，而灰塵、塵埃等雜質(zhì)也會(huì)增加噴油泵的磨損。我軍柴油機(jī)大部分使用柱塞式噴油泵，柱塞泵內(nèi)部摩擦副如凸輪-挺柱、調(diào)速器等均采用內(nèi)燃機(jī)油潤(rùn)滑，柱塞和柱塞套是一對(duì)精密偶件，其徑向間隙為0.002～0.003 mm，一旦磨損就會(huì)導(dǎo)致燃料泄漏影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；而美軍地面裝備發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油泵半數(shù)以上采用轉(zhuǎn)子式分配噴油泵，完全采用燃料自身潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)子式分配泵在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作頻率比柱塞泵高，因而轉(zhuǎn)子式分配泵比柱塞泵更易發(fā)生磨損，對(duì)燃料的潤(rùn)滑性要求更高。

國(guó)際上廣泛采用高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)(High Frequency Reciprocating Rig，簡(jiǎn)稱HFRR法)按照ISO 12156-1：97《用高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)評(píng)定柴油的潤(rùn)滑性第一部分：試驗(yàn)方法》方法來(lái)測(cè)量柴油的潤(rùn)滑性，我國(guó)等效采用SH/T 0765-2005《柴油潤(rùn)滑性評(píng)定法(高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)法)》方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)分管柴油工作組曾建議把HFRR磨斑直徑460 μm作為柴油抗磨性把關(guān)指標(biāo)[9]，而燃料油泵系統(tǒng)制造商和燃料供應(yīng)商及添加劑供應(yīng)商所提出的指標(biāo)是400～430 μm和500 μm。美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)把BOCLE抗擦傷負(fù)荷2200 g作為把關(guān)指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商(EM)采用3300 g為臨界值，而政府管理機(jī)構(gòu)推薦指標(biāo)為二者折中值3000 g。多數(shù)專家認(rèn)為燃料的磨損負(fù)荷值(SLBOCLE)低于2000 g，可能無(wú)法保護(hù)燃油泵噴射器件的過(guò)度磨損，燃料的磨損負(fù)荷值在3100 g以上時(shí)，應(yīng)能對(duì)所有情形提供有效的潤(rùn)滑保護(hù)；此外，如果采用HFRR(60)作為燃料潤(rùn)滑性指標(biāo)，磨痕直徑達(dá)到600 μm以上時(shí)可能無(wú)法防止裝備過(guò)度磨損，磨斑直徑在450 μm以下時(shí)對(duì)所有情形都能提供有效的潤(rùn)滑抗磨[10]。俄羅斯柴油規(guī)范ГОСТ 305-82和中低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料規(guī)范ГОСТ 1667-68因硫含量相對(duì)比較寬泛而對(duì)潤(rùn)滑性指標(biāo)未作任何要求。

我國(guó)軍用柴油規(guī)范GJB 3075和普通柴油規(guī)范GB 252一直沒(méi)有潤(rùn)滑性指標(biāo)要求；參照歐盟車用柴油規(guī)范EN 590制定的我國(guó)車用柴油GB/T 19147-2013對(duì)潤(rùn)滑性指標(biāo)要求磨痕直徑不大于460 μm；國(guó)際船用餾分燃料規(guī)范為ISO 8217，我國(guó)等效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為GB/T 17411，建議潤(rùn)滑性控制指標(biāo)定為磨痕直徑不大于520 μm。國(guó)內(nèi)外柴油及餾分燃料對(duì)潤(rùn)滑性要求見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外柴油/餾分燃料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)潤(rùn)滑性要求

1.4 單一燃料

單一燃料最早是由美軍提出來(lái)的。二戰(zhàn)期間，美軍后勤補(bǔ)給中燃料補(bǔ)給占了大部分，陸軍和空軍主要使用兩種燃料，絕大多數(shù)地面部隊(duì)使用車用汽油，空軍只使用航空汽油，而這兩種燃料具有強(qiáng)揮發(fā)性，非常危險(xiǎn)。美國(guó)陸軍沃爾研究開(kāi)發(fā)工程中心把計(jì)劃和完成燃料標(biāo)準(zhǔn)化的論證研究列為重點(diǎn)項(xiàng)目[11]，將煤油型航空渦輪機(jī)燃料在飛機(jī)和所有使用柴油燃料的地面裝備中應(yīng)用，即采用“戰(zhàn)場(chǎng)單一燃料”模式對(duì)裝備進(jìn)行補(bǔ)給。越戰(zhàn)期間，美軍主要使用JP-4、2號(hào)柴油(DF-2)和車用汽油，由于燃料要求專用的儲(chǔ)存分發(fā)等設(shè)施使得后勤部隊(duì)在進(jìn)行油料保障時(shí)都遇到了困難[12]。美軍于20世紀(jì)50年代研制的JP-5和JP-4，二者均具有較高的凈熱值。JP-4是石腦油和煤油按體積1∶1混合而成，屬于寬餾分型燃料，曾經(jīng)作為美軍通用燃料的廣泛燃料，閃點(diǎn)很低揮發(fā)性很強(qiáng)，用于低溫環(huán)境場(chǎng)合；由于JP-4消耗量大且因其靜電導(dǎo)致飛機(jī)報(bào)損率較高，海軍決定用JP-5取代揮發(fā)性強(qiáng)的JP-4，JP-5是煤油中攙兌少量汽油，屬于高閃點(diǎn)煤油型燃料，閃點(diǎn)60 ℃，阻燃性好，揮發(fā)性低，燃點(diǎn)較高，儲(chǔ)存安全，用于艦載海基飛機(jī)，但低溫性能比較差；60年代起，美國(guó)陸軍開(kāi)始了用噴氣燃料JP-5作為柴油機(jī)燃料的可行性研究，在各種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)考察[13-19]，此后在陸軍條例AR-703-1中將JP-5列為柴油機(jī)的應(yīng)急代用燃料[20]?？v觀美軍航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料從JP-4、JP-5到JP-8的研究歷程，單一燃料具備高密度、高體積熱值、高質(zhì)量熱值、高閃點(diǎn)、揮發(fā)性低、良好的儲(chǔ)存性能、優(yōu)異的高溫?zé)岚捕ㄐ院土己玫牡蜏匦阅?黏度合適冰點(diǎn)低)以及較高的十六烷值等特點(diǎn)，目前單一燃料的難題主要是潤(rùn)滑性，如何降低燃油泵的磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。美軍于1976年公布了JP-8的軍標(biāo)，認(rèn)為JP-8燃料具有合適的運(yùn)動(dòng)黏度和十六烷值等性質(zhì)，且很大一部分噴氣燃料達(dá)到了DF-A和DF-2的要求，可以作為柴油的替代品使用[21]。

美軍西南研究院報(bào)告指出，參與伊朗行動(dòng)的人員發(fā)現(xiàn)，JP-5作為單一燃料在地面柴油機(jī)裝備上使用時(shí)出現(xiàn)了柴油機(jī)轉(zhuǎn)子式分配燃油泵和噴油器磨損率猛增的問(wèn)題，20世紀(jì)90年代的“沙漠風(fēng)暴/盾牌行動(dòng)”中，美軍地面裝甲車也出現(xiàn)了大量使用JetA-1燃料后噴油泵磨損失效的情況，隨后的調(diào)查證明，泵的磨損是由于先前部件設(shè)計(jì)缺陷引起的，其他相關(guān)原因包括灰塵和水污染、彈性圈失效、維護(hù)及更換不當(dāng)?shù)龋瑤缀鯖](méi)有實(shí)例表明是由于燃料潤(rùn)滑性較差引起的；事實(shí)上在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美軍選用了與JP-8燃料作為戰(zhàn)場(chǎng)單一燃料，但裝甲發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常拋錨，基本上每運(yùn)行1600～3200 km發(fā)動(dòng)機(jī)就得修理，甚至在極端惡劣環(huán)境中，如高溫粉塵較多的沙漠，地面作戰(zhàn)裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常大修，當(dāng)時(shí)美軍將這些問(wèn)題歸因于車輛和裝備的超載，但事實(shí)上這是燃油泵在高溫條件下使用低黏度的燃料引起的[22]。然而美軍地面運(yùn)輸裝備在使用JP-8時(shí)也遇到了問(wèn)題，例如噴油泵加速磨損導(dǎo)致泵過(guò)早損壞，發(fā)動(dòng)機(jī)性能變差，發(fā)動(dòng)機(jī)停止后的再啟動(dòng)困難；美軍曾經(jīng)嘗試通過(guò)提高燃料的低溫黏度指標(biāo)、采用重負(fù)荷泵更換燃油噴射泵或添加潤(rùn)滑性物質(zhì)，但最后決定地面裝備重新使用柴油；其實(shí)黏度對(duì)燃油潤(rùn)滑性有很大影響，黏度隨著溫度升高而降低，潤(rùn)滑性變差。

此外，美軍地面裝備大多采用回轉(zhuǎn)式分配燃油噴射泵，在使用低黏度燃料時(shí)會(huì)增加泵漏油的可能性，燃燒室的供應(yīng)量將減少，還導(dǎo)致熱啟動(dòng)困難和空轉(zhuǎn)等問(wèn)題。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后期，美軍就遇到了這些問(wèn)題。通常美國(guó)GM公司發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或使用不加腐蝕抑制劑和潤(rùn)滑改進(jìn)劑的JetA-1燃料時(shí)也最易發(fā)生類似問(wèn)題。20世紀(jì)90年代美國(guó)陸軍貝爾沃爾研究開(kāi)發(fā)工程中心對(duì)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中出現(xiàn)事故的噴油泵進(jìn)行拆解并分析[2]，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致噴油泵故障的原因主要有磨損、顆粒污染和卡死，而低黏度或低潤(rùn)滑性的燃料不是引起油泵磨損失效的主要原因，燃料本身清潔度(氧化腐蝕顆粒或硬質(zhì)碎片)和環(huán)境溫度的變化都會(huì)使油泵突然卡死，此外油泵本身質(zhì)量也可能存在問(wèn)題；在使用DF-2柴油時(shí)，計(jì)量閥門各部件有磨損跡象；與DF-2柴油相比，使用低黏度的JetA-1與計(jì)量閥門的匹配性較低，極有可能會(huì)增加燃料的泄露。使用相同黏度、潤(rùn)滑性不同的燃料進(jìn)行噴油泵磨損試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同等條件下，低潤(rùn)滑性燃料可縮短噴油泵的使用壽命，但燃油溫度驟變會(huì)導(dǎo)致噴油泵在瞬間卡死，而灰塵、塵埃等雜質(zhì)也會(huì)增加噴油泵磨損。

美軍此前曾經(jīng)評(píng)估了低硫燃料對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)軍用便攜式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料注射系統(tǒng)各部件的耐久性[23]，試驗(yàn)燃料為JP-8和DF-2柴油，同時(shí)考察運(yùn)轉(zhuǎn)模擬油泵臺(tái)架試驗(yàn)200 h后低硫燃料對(duì)各部件的相對(duì)磨損情況。結(jié)果表明，低硫燃料的噴嘴開(kāi)啟壓力降低至制造商的底線，而高硫燃料噴嘴開(kāi)啟壓力略微低于廠家規(guī)格，霧化狀態(tài)均良好；加注低硫燃料的燃油泵柱塞和傳遞閥門磨損相對(duì)較為明顯。

伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中地面裝備使用JetA-1/JP-8航空燃料替代DF-2/VV-F-800柴油的研究報(bào)告[24]提及了將柴油發(fā)電機(jī)、多功能輪式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和貨運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備的旋轉(zhuǎn)注射噴油泵進(jìn)行拆解并分析，報(bào)告指出，多數(shù)噴油泵失效的原因是由于轉(zhuǎn)子和傳遞泵的距離比較近，其他原因有灰塵、燃料水污染、橡膠密封環(huán)老化失效、計(jì)量閥門和葉片開(kāi)裂等；低黏度燃料會(huì)降低在泵轉(zhuǎn)子處形成的油膜強(qiáng)度，當(dāng)然在常規(guī)條件下黏度對(duì)泵磨損影響不大，而且油泵對(duì)低黏度或低潤(rùn)滑燃料的適應(yīng)性更與溫度相關(guān)，在冷噴射泵中加入溫度較高的燃料會(huì)加速泵的失效，如在清洗發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)；此外，使用同樣運(yùn)動(dòng)黏度、不同潤(rùn)滑性的燃料進(jìn)行噴油泵磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，低潤(rùn)滑性的燃料可縮短噴油泵的使用壽命，但溫度驟變會(huì)導(dǎo)致噴油泵在瞬間卡死，而灰塵、塵埃等雜質(zhì)也會(huì)增加噴油泵的磨損，研究發(fā)現(xiàn)向燃料中添加高黏度的機(jī)油時(shí)并沒(méi)有阻止泵的失效磨損。

我國(guó)于90年代初選用了3號(hào)噴氣燃料在3臺(tái)當(dāng)時(shí)具有代表性的軍用柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)[25]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性基本穩(wěn)定、各磨損件的磨損量均在要求范圍內(nèi)，但3號(hào)噴氣燃料對(duì)柴油機(jī)的耐久適應(yīng)性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。之后，國(guó)內(nèi)于1998年成功研制的“海軍多用途燃料”在艦艇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、陸基飛機(jī)、艦載飛機(jī)及裝甲車輛上通用[26]，但在使用過(guò)程中也出現(xiàn)了地面裝備動(dòng)力不足、柱塞泵磨損和艦艇艙室氣味比較大等問(wèn)題。

2 提高燃料潤(rùn)滑性對(duì)策

現(xiàn)今發(fā)動(dòng)機(jī)工藝提高后其噴油壓力相比上世紀(jì)90年代而言，增高的幅度很大而且還有繼續(xù)增高的趨勢(shì)，噴射過(guò)程的靈活性與復(fù)雜性增加，對(duì)燃料潤(rùn)滑性的要求和依賴性增強(qiáng)。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵偶件的磨損，可嘗試通過(guò)重新調(diào)整柴油調(diào)合組分、改善燃料注射系統(tǒng)關(guān)鍵部件的金屬金相結(jié)構(gòu)和添加抗磨劑，最有效的措施還是加入具有高效抗磨效果的潤(rùn)滑劑。美軍柴油機(jī)地面裝備使用JetA-1燃料時(shí)燃油泵的磨損比較嚴(yán)重[23]，添加抗磨劑和改善燃料注射系統(tǒng)關(guān)鍵部件的金屬金相結(jié)構(gòu)有利于降低磨損，選擇性能優(yōu)異的寒冬器件能夠減少泵磨損。此外，為減少燃油噴射泵的磨損，美軍曾經(jīng)提出以下方法[27-28]：加入12～15 mg/kg由二聚酸與磷酸酯組成的腐蝕抑制劑以防止柱塞泵出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，但對(duì)地面裝備轉(zhuǎn)子分配泵的效果并不明顯；后來(lái)向燃料中攙兌少量潤(rùn)滑油以提高其抗磨性能，潤(rùn)滑效果明顯提高，但在預(yù)燃室和排氣閥部位發(fā)現(xiàn)了大量沉積物，因潤(rùn)滑油黏度大且含有添加劑，燃燒性能差，容易導(dǎo)致燃料供油系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)故障，不推薦使用；于是美軍開(kāi)始在JP-8中加入0.5%生物柴油，發(fā)現(xiàn)加氫精制的二代生物柴油能顯著降低噴油泵的磨損，此法在提高燃料潤(rùn)滑性方面具有極大的應(yīng)用潛力。國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了很多柴油抗磨劑，大多為脂肪酸的各種衍生物，如脂肪酸酯、酰胺或鹽等。酸型抗磨劑具有一定的酸性，與潤(rùn)滑油的相容性不好，會(huì)降低機(jī)油的清凈分散性能，從而導(dǎo)致了堵塞過(guò)濾網(wǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損加劇；可通過(guò)加入額外的高堿值清凈劑解決酸性添加劑的沉積問(wèn)題，但這使得成本太高。此外，脂肪酸抗磨劑的酸性能夠提高在金屬表面的吸附性但易引起金屬腐蝕，怎樣降低脂肪酸抗磨劑的酸性又使其能夠保持良好的吸附性已成為了現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)。

一些現(xiàn)代飛機(jī)的燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使它們可以使用低潤(rùn)滑性的燃料，而多數(shù)飛機(jī)燃料系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑性非常敏感。在這種情況下，需要采取一些預(yù)防措施，通常采用潤(rùn)滑添加劑的方法改善噴氣燃料的潤(rùn)滑性能。20世紀(jì)80年代我國(guó)研制了兩種抗磨劑，一種是T1602抗磨劑(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為SH/T 0766-2005)。按原有石油工業(yè)部科80012號(hào)《技術(shù)鑒定證明》要求，加入量為12～20 mg/kg時(shí)對(duì)噴氣燃料的潤(rùn)滑性有較為明顯的改善效果，該添加劑來(lái)源廣，價(jià)格便宜，與其他添加劑配伍效果較好，目前使用比較普遍[29]。另一種是T1601抗磨防銹多功能添加劑。仿制Ethyl化學(xué)公司腐蝕抑制劑Hitec 515，性能與Hitec 515相當(dāng)，添加量為5 μg/g就能有效防止金屬銹蝕，加入15 mg/kg時(shí)勝利1號(hào)噴氣燃料50 h油泵試驗(yàn)的磨損量低于大慶噴氣燃料的試驗(yàn)?zāi)p量[30]，但國(guó)外使用該劑時(shí)明確要求嚴(yán)格控制磷含量，以防止損害渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，無(wú)論是安全和成本方面都難以接受，當(dāng)時(shí)西方航空公司并不歡迎推廣該劑，后來(lái)因?yàn)榄h(huán)保問(wèn)題，西方添加劑中不容許添加含磷物質(zhì)，目前已淘汰使用。美軍戰(zhàn)場(chǎng)單一燃料JP-8規(guī)定為保證燃料的潤(rùn)滑性能，加入的腐蝕抑制/潤(rùn)滑改進(jìn)劑多以二聚酸為主，加入量一般為9～22.5 mg/L。俄羅斯研制出兩種抗磨劑ΠΜΑΜ-2和Κ型，其中由于ΠΜΑΜ-2抗磨劑效果較差已停用，目前主要使用K型[31]抗磨劑。國(guó)內(nèi)環(huán)烷酸生產(chǎn)量逐年降低，且耗能高生產(chǎn)工藝污染較重，已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)噴氣燃料抗磨劑的需求，亟需尋找替代抗磨劑。

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Study on the Request of Lubricity of Light Distillate Fuel and Its Improving Measures

LI Jin, LIU Duo-qiang, ZHU Zhi-qian, LI Zhao-liang, ZHANG Liang, WANG Mei-chuan

(Air Force POL Research Institute, Beijing 100076, China)

Due to both the limited potential of the engine structure design and its materials and the strict regulations of clean fuel, the anti-wear performance of the injection pump is deeply dependent on fuel lubricity. In order to reduce the wear failure of fuel injection pump, all countries have begun to pay attention to the lubricity of fuel. In this paper, the requirements and methods of lubricity of fuels, including gasoline, diesel, jet fuel and single fuel, are briefly introduced. The relevant specifications about lubricity of fuels are described in detail, and the most effective method to promote lubricity of fuel is the addition of anti-wear agents. The main direction of development in future is the study of low-acid straight-chain fatty acid derivatives as anti-wear additives added in diesel and the substitution of lubricity enhancer in jet fuel.

gasoline; jet fuel; diesel; single fuel; lubricity improver; anti-wear additive

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.002

1002-3119(2017)02-0004-06

TE626.2

A

2016-06-28。

李進(jìn)，博士，工程師，2016年畢業(yè)于后勤工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油及添加劑的研究，已公開(kāi)發(fā)表論文三十余篇。 E-mail:13594313586@163.com