商用甲醇發(fā)動機潤滑油試驗特性研究

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司 浙江 杭州 311228）

引言

能源危機和排放法規(guī)的嚴(yán)苛迫使車輛動力燃料進(jìn)行轉(zhuǎn)型。當(dāng)前，從燃料的凈質(zhì)量能量密度與凈體積能量密度關(guān)系、每體積燃油產(chǎn)品的能源生產(chǎn)系統(tǒng)成本與各燃料關(guān)系來綜合看，甲醇既是高放熱量又是低成本的替代燃料，而且碳排放處于中間位置[1]。美國環(huán)保署曾指出純甲醇發(fā)動機相對于傳統(tǒng)燃料具有高熱效率和低排放特性[2-3]，這使其成為了一種向未來氫燃料的過渡燃料。

鑒于商用車的使用環(huán)境和工況，在保證動力性和可靠性前提下，純甲醇發(fā)動機的使用價值更能體現(xiàn)。但由于燃料本身特性以及燃燒后產(chǎn)物對潤滑油的影響，甲醇發(fā)動機需要專用潤滑油。本文通過采用專用甲醇發(fā)動機潤滑油在2 款燃料由CNG 改型為M100 甲醇發(fā)動機上進(jìn)行臺架試驗，通過油樣取樣分析潤滑油的理化特性、元素等研究商用車甲醇發(fā)動機潤滑油特性，獲取的檢測結(jié)果為后期M100 甲醇發(fā)動機的潤滑油更換周期的確定和潤滑油的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1 臺架試驗

1.1 甲醇發(fā)動機基本參數(shù)

試驗對象為2 款商用CNG 發(fā)動機改成的M100甲醇發(fā)動機，均為直列6 缸、四沖程、水冷、增壓中冷、電控燃油噴射、EGR 系統(tǒng)、理論空燃比燃燒控制、點燃式發(fā)動機。發(fā)動機基本參數(shù)以及試驗甲醇發(fā)動機見表1 和圖1。

表1 甲醇發(fā)動機基本參數(shù)

圖1 試驗甲醇發(fā)動機

1.2 試驗條件及內(nèi)容

M100 甲醇發(fā)動機臺架安裝后，設(shè)定一般條件的保護(hù)值，進(jìn)氣系統(tǒng)采用裝車用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)背壓采用閥門控制，配置水溫控制系統(tǒng)和油溫控制系統(tǒng)，臺架測試系統(tǒng)見圖2。試驗前進(jìn)行發(fā)動機磨合和性能測試，獲取發(fā)動機性能試驗數(shù)據(jù)，以便考核試驗前后發(fā)動機性能的變化，試驗過程按照特定的循環(huán)變工況全負(fù)荷進(jìn)行，試驗后對發(fā)動機進(jìn)行拆解分析，運動件、缸套等磨損量必須滿足設(shè)計指標(biāo)。

圖2 臺架測試系統(tǒng)

假設(shè)甲醇發(fā)動機的換油周期與燃?xì)獍l(fā)動機的相同，定時取樣并補充相應(yīng)的新潤滑油數(shù)量，對油樣進(jìn)行檢測分析其理化特性和元素含量，潤滑油指標(biāo)及試驗方法標(biāo)準(zhǔn)可參考點燃發(fā)動機潤滑要求[4-5]，如表2 所示。

表2 潤滑油測試標(biāo)準(zhǔn)

2 潤滑油試驗特性及分析

2.1 黏度分析

運動黏度是衡量油品油膜強度、流動性的重要指標(biāo)[5]，運動黏度變化率一定程度上表征了油品質(zhì)量的衰變情況。黏度增加說明氧化加劇、油泥增多，油品的流動性變差，潤滑性降低，黏度降低導(dǎo)致油膜不夠而拉缸[6]。一般來講，甲醇發(fā)動機潤滑油因為甲醇汽化潛熱大、自燃溫度高的特性，在部分負(fù)荷、低負(fù)荷時由于缸內(nèi)溫度低、霧化差、燃燒不完善，燃燒過程生成大量的水，燃燒產(chǎn)物、燃油等混入潤滑油中導(dǎo)致一定黏度的變化。下圖3 是2 款甲醇發(fā)動機所取油樣運動黏度隨試驗時間的變化曲線。

圖3 油品黏度隨試驗時間的變化

從圖3 可知，雖然2 款發(fā)動機采用同種潤滑油，但中型機和重型機運動粘度變化曲線不同，可能由于批次不同，新潤滑油的運動黏度本身存在微小差異所致，試驗后油樣的高溫黏度值均滿足指標(biāo)12.5 mm2/s～16.3 mm2/s。圖3a 中運動黏度隨著試驗時間表現(xiàn)出上下波動，主要是因為中型機的換油周期根據(jù)CNG 發(fā)動機的設(shè)定，臺架每100 h 更換1 次，取樣后試驗數(shù)據(jù)不能完整地表現(xiàn)潤滑油的運動黏度變化；圖3b 中潤滑油采樣周期短，潤滑油更換周期300 h，每次換油后的運動黏度隨著試驗時間降低，在臺架300 h 時，運動黏度值為13.41 mm2/s，處于目標(biāo)指數(shù)的底線。

2.2 酸堿值分析

油品在使用中受溫度、水分等其他因素影響，逐漸老化變質(zhì)。隨著油品老化程度增加，產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì)[5]。堿值反映了油品抑制氧化和中和酸性物質(zhì)能力的強弱，下降到一定程度，油品失去了中和能力，可能產(chǎn)生腐蝕、磨損等現(xiàn)象[6]。而甲醇發(fā)動機與傳統(tǒng)燃料發(fā)動機不同，普通潤滑油中很難解決甲醇燃料燃燒后生成物對發(fā)動機的腐蝕和磨損。由于甲醇燃燒生成的甲酸、甲醛、水等液態(tài)殘余物的酸性大大高于傳統(tǒng)燃料燃燒產(chǎn)物的酸性。這些酸性物質(zhì)會隨燃料竄入潤滑油中，導(dǎo)致油品堿值迅速降低，引起發(fā)動機活塞環(huán)和汽缸壁的腐蝕磨損，尤其對金屬銅、鐵、鋁元素造成腐蝕，因此，一方面增加潤滑油的堿度可有效地阻滯汽缸壁的磨損，另一方面潤滑油中清凈分散劑對減小汽缸的磨損也是有效的，尤其是鈣硼酸鹽清凈分散劑[7]。

堿值指標(biāo)是甲醇發(fā)動機評價潤滑油的一個重要指標(biāo)，與傳統(tǒng)燃料潤滑油相比，甲醇專用潤滑油的堿值略高，這主要是與甲醇燃料燃燒后產(chǎn)物有關(guān)。一般烴類燃料的燃燒反應(yīng)過程為[8]

燃?xì)庵械难鯕庾銐驎r有

可見，如果燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r，理論上燃料在當(dāng)量空燃比下燃燒后生成了H2O 和CO2，但實際上由于發(fā)動機的氣道、燃燒室結(jié)構(gòu)、噴霧情況、進(jìn)氣均勻性和EGR 率、運行條件等影響因素形成常規(guī)排放物之外，燃燒過程存在中間產(chǎn)物甲醛、甲酸等如式（4～5）所示，對金屬表面產(chǎn)生侵蝕。

圖4 油品總堿值隨試驗時間的變化

上圖4 是2 款甲醇發(fā)動機所取油樣總堿值隨試驗時間的變化曲線。圖4a 顯示了中型機在可靠性試驗1 000 h 過程中潤滑油的總堿值變化，呈現(xiàn)曲折下降的過程，潤滑油的初始堿值為10 左右，使用后堿值衰減最低值為4.3，衰減值超過50%，但試驗后樣機的拆解，活塞、缸套等零部件的磨損值在設(shè)計指標(biāo)之內(nèi)，滿足要求。相對于中型機，重型機的油品衰減速度快很多，圖4b 顯示了重型機在試驗過程中油品的總堿值和總酸值的變化曲線，在第一次潤滑油使用期間，隨著試驗時間的增加，總堿值降低，在150h左右，總堿值與總酸值差0.6，隨后，總酸值高出總堿值，發(fā)動機在弱酸性條件下進(jìn)行，腐蝕增加。在350h時總堿值處于一個新的高點，說明潤滑油在300h 已經(jīng)更換，第二次換油后潤滑油總堿值的變化趨勢與前一個周期一致。

從圖4 可以看出，此2 款改型的甲醇發(fā)動機，在使用同種潤滑油的前提下，中型機的工作狀態(tài)優(yōu)于重型機。這主要由于CNG 發(fā)動機改型為甲醇發(fā)動機，設(shè)計變更盡可能小，發(fā)動機在進(jìn)氣均勻性、噴油以及霧化效果方面，難于保證，尤其是重型甲醇發(fā)動機，排量大，累積產(chǎn)生的甲酸含量更高，致使?jié)櫥椭械目倝A值衰減速度快。

2.3 水分及燃油稀釋

甲醇發(fā)動機燃燒后生成的甲酸、水以及未燃燒的甲醇等混入潤滑油中，含量超過目標(biāo)要求時會導(dǎo)致其乳化并引起發(fā)動機潤滑油中抗磨劑的分解，顯著降低發(fā)動機潤滑油的抗磨效果[9]。發(fā)動機臺架試驗過程中，2 款發(fā)動機的潤滑油并未發(fā)生乳化，測量重型機中油品的燃油稀釋率和水分含量，燃油稀釋率最高值0.5%低于目標(biāo)值5.0%，水分含量最高值0.17%低于目標(biāo)值0.2%，滿足要求。

圖5 重型機中水含量和燃油稀釋率曲線

2.4 元素分析

發(fā)動機在用潤滑油不僅考慮油品的理化特性的變化，而且也要關(guān)注潤滑油中元素的含量，現(xiàn)在的測試方法可實現(xiàn)22 種元素化驗分析，從檢驗結(jié)果中可以看出發(fā)動機磨損元素、污染元素以及添加元素隨著試驗時間的變化情況。

圖6 油品元素隨試驗時間的變化

上圖6 為2 款甲醇發(fā)動機所取油樣內(nèi)主要元素隨試驗時間的變化曲線。圖5a 中Fe、Cu、Al、Pb、Sn、Cr 為主要磨損元素，F(xiàn)e 元素最高，這主要是由于缸套、活塞運動產(chǎn)生的磨損；Si 元素為污染元素，主要受工作環(huán)境影響，來源于空氣和灰塵中，當(dāng)空氣濾清器效果變差時，該元素數(shù)值含量增加。從圖6a 來看，F(xiàn)e 元素最高值為58 mg/kg 低于目標(biāo)值150 mg/kg，其次Cu 元素最高值為34 mg/kg 低于目標(biāo)值50 mg/kg，Si 硅元素最高值為16 mg/kg 低于目標(biāo)值30 mg/kg，滿足要求?？傮w來說，對于中型發(fā)動機，換油周期短，雖是甲醇發(fā)動機，甲酸產(chǎn)生速度較傳統(tǒng)燃料快，但該潤滑油仍能滿足發(fā)動機使用要求。

從圖6b 中各元素曲線來看，數(shù)據(jù)結(jié)果偏差，而且存在元素超標(biāo)的問題。其中元素Fe、Cu、Al 最高值在首次潤滑油使用期間內(nèi)均超過目標(biāo)值。在150 h 時Fe 元素、Al 元素曲線均有轉(zhuǎn)折點，該點之后元素值升高，從圖4b 知150 h 為總堿值和總堿值之差的臨界點，該點之后發(fā)動機處于偏弱酸性狀態(tài)，故此時的元素值是磨損和腐蝕綜合影響。Al 元素在200 h時為含量最高值為32 mg/kg 超出目標(biāo)值30 mg/kg，F(xiàn)e 元素也由150 h 時的97 mg/kg 升為200 h 時的137 mg/kg，在250 h 時高達(dá)143 mg/kg 處于目標(biāo)值的臨界點。Cu 元素從曲線上來看，在試驗后35 h 高達(dá)81 mg/kg 嚴(yán)重超出目標(biāo)值，可知，銅元素對酸性尤為敏感，尤其是重型醇類發(fā)動機。因此，在甲醇發(fā)動機設(shè)計初期，盡量避免潤滑零部件中含有Cu 元素，若必須采用，可改變相關(guān)零件表面處理或者優(yōu)化改進(jìn)制造工藝（如使用磷脫氧銅來代替）[10]。整個試驗過程，Si 元素滿足指標(biāo)要求。

從圖6b 中各元素含量曲線來看，300 h 更換潤滑油后，各元素數(shù)值均處于目標(biāo)值范圍內(nèi)。由此可知，首次潤滑油使用時發(fā)動機磨損偏高，更換第二次潤滑油后，磨損量屬于正常范圍，雖甲醇發(fā)動機堿值衰減快，但該甲醇潤滑油仍能滿足發(fā)動機正常工作要求。通過試驗數(shù)據(jù)可知，對于重型甲醇發(fā)動機，臺架試驗時首次潤滑油更換時間為100 h，這樣盡量降低發(fā)動機的磨損和腐蝕，以后每次換油周期可為300 h。

3 結(jié)論

同種甲醇專用潤滑油在改型的中型和重型純甲醇發(fā)動機上進(jìn)行臺架試驗，保證發(fā)動機正常進(jìn)行和磨損范圍內(nèi)，潤滑油試驗特性如下：

1）運動黏度在機油的使用周期內(nèi)隨著時間的增加，高溫黏度降低，高溫黏度系數(shù)保持在12.5 mm2/s～16.3 mm2/s 之間。

2）在當(dāng)前改型的2 款甲醇發(fā)動機中，總堿值的衰減速度中型甲醇發(fā)動機優(yōu)于重型機；中型發(fā)動機的換油周期能達(dá)到原CNG 發(fā)動機水平，在重型甲醇機上使用時，潤滑油的特性還需升級。

3）中型和重型甲醇發(fā)動機試驗過程中潤滑油均未發(fā)生乳化，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%，燃油稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在0.1%～0.2%。

4）首次潤滑油使用期間，發(fā)動機的磨損偏高。中型發(fā)動機與重型發(fā)動機相比，元素Fe、Cu、Al 磨損值低。Fe 元素磨損值最高分別為58 mg/kg，143 mg/kg；Cu 元素磨損值最高分別34 mg/kg，147 mg/kg。目前，商用甲醇發(fā)動機的潤滑油開發(fā)較少，試驗特性數(shù)據(jù)對甲醇專用潤滑油的開發(fā)和升級提供了一定的參考價值。