甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用潤(rùn)滑油的應(yīng)用研究

姚文釗 李廣濤 王志文 王斌文

1 西安石油大佳潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司

2 平?jīng)鲋辛π履茉纯萍加邢薰?/p>

本文選取平?jīng)鲋辛π履茉醇状汲鲎廛?chē)有限責(zé)任公司的吉利牌M100甲醇汽車(chē)進(jìn)行道路行車(chē)試驗(yàn)研究，通過(guò)油品理化指標(biāo)檢測(cè)、性能評(píng)價(jià)及油品中金屬元素含量變化，考察了研制開(kāi)發(fā)的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用油在實(shí)際行駛條件下的綜合使用性能。結(jié)果表明，研制油品具有優(yōu)良的酸中和能力和堿值保持性、優(yōu)異的高溫抗氧化及抗磨損性能，可以滿(mǎn)足M100甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)大氣質(zhì)量的控制以及汽車(chē)排放提出了嚴(yán)格要求，開(kāi)發(fā)代用燃料成為時(shí)代緊迫的任務(wù)之一。針對(duì)我國(guó)富煤少油的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展煤基甲醇燃料，降低對(duì)石油的依賴(lài)，是我國(guó)車(chē)用能源多元化戰(zhàn)略的重要組成部分，有利于緩解我國(guó)目前石油緊缺現(xiàn)狀，促進(jìn)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，改善大氣、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[1]。

近年來(lái)，甲醇作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的一種代用燃料已經(jīng)得到了廣泛研究和應(yīng)用。醇類(lèi)燃料的特點(diǎn)是辛烷值高、蒸發(fā)潛熱大，因此允許發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的壓縮比下使用，其結(jié)果可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和輸出功率[2]。另一方面，醇類(lèi)燃料又因其較高的蒸發(fā)潛熱、單一的沸點(diǎn)、較低的蒸氣壓等特點(diǎn)，在較低溫度下影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能[3]。同時(shí)，甲醇在燃燒過(guò)程中容易生成甲醛、甲酸等酸性物質(zhì)，且甲醇及其燃燒產(chǎn)物很容易竄入曲軸箱中和發(fā)動(dòng)機(jī)油溶在一起；甲醇會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑從發(fā)動(dòng)機(jī)油中以油泥的形式沉淀出來(lái)；燃燒過(guò)程中生成的酸性物質(zhì)可加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，加速發(fā)動(dòng)機(jī)油的劣化，與發(fā)動(dòng)機(jī)油中的堿性物質(zhì)中和，快速地消耗發(fā)動(dòng)機(jī)油中的堿儲(chǔ)備，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)造成危害。因此，醇類(lèi)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，特別是氣缸壁、活塞環(huán)磨損以及醛類(lèi)排放、燃料進(jìn)氣系統(tǒng)沉積物控制成為人們研究的重點(diǎn)[4]。

本文選取平?jīng)鲋辛π履茉醇状汲鲎廛?chē)有限責(zé)任公司的吉利牌M100甲醇汽車(chē)進(jìn)行道路行車(chē)試驗(yàn)研究。通過(guò)道路行車(chē)對(duì)比試驗(yàn)，考察了研制開(kāi)發(fā)的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用油（以下簡(jiǎn)稱(chēng)專(zhuān)用油）的實(shí)際使用性能。行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明：該油品具有優(yōu)良的酸中和能力及堿值保持性、優(yōu)異的高溫抗氧化及抗磨損性能，可以滿(mǎn)足甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑要求。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)車(chē)輛

本次試驗(yàn)在平?jīng)鲋辛π履茉醇状汲鲎廛?chē)有限責(zé)任公司進(jìn)行，試驗(yàn)從150輛吉利牌M100甲醇汽車(chē)中選擇了5輛甲醇汽車(chē)，分別 為 甘L82361（384 862 km）、甘 L83153（270 135 km）、甘 L83177（196 647 km）、甘 L83054（276 794 km）、 甘L82464（218 069 km），車(chē) 況較好、具有代表性，實(shí)際運(yùn)行里程從200 000 km到400 000 km不等；試驗(yàn)所用甲醇汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼等部件密封良好，無(wú)滲油漏油現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣正常。試驗(yàn)車(chē)輛行駛區(qū)間為平?jīng)鍪袇^(qū)及周邊，市內(nèi)路段車(chē)多、人多，堵車(chē)現(xiàn)象較嚴(yán)重，汽車(chē)走走停停的頻率高。

主要原材料及性質(zhì)

試驗(yàn)用甲醇燃料理化性質(zhì)

試驗(yàn)用甲醇燃料理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)用潤(rùn)滑油理化性質(zhì)

鑒于平?jīng)龅貐^(qū)冬季最低溫度不超過(guò)零下20 ℃，且試驗(yàn)時(shí)間選在六七月份進(jìn)行，因此研制的專(zhuān)用油產(chǎn)品選擇10W-30黏度級(jí)別，參比油為汽車(chē)廠家推薦的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)油，油品理化指標(biāo)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)過(guò)程

首先在熱車(chē)狀態(tài)下放凈試驗(yàn)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)油，更換三濾，加入試驗(yàn)油。由于車(chē)輛油箱較小，每次加注約3.5 L機(jī)油，中途反復(fù)取油樣進(jìn)行檢測(cè)影響較大，因此本試驗(yàn)中參照GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油標(biāo)準(zhǔn)》中SL級(jí)別油品的換油要求，在車(chē)輛運(yùn)行到7 000 km左右換油，并取樣進(jìn)行檢測(cè)。主要檢測(cè)項(xiàng)目為黏度、堿值、酸值、金屬含量等。

結(jié)果與討論

閃點(diǎn)、傾點(diǎn)及水含量的檢測(cè)

閃點(diǎn)是表示石油產(chǎn)品著火危險(xiǎn)性及油品揮發(fā)性能的一項(xiàng)指標(biāo)。油品的餾分越輕，揮發(fā)性越大，閃點(diǎn)越低。在用油品閃點(diǎn)的降低表明有輕組分的燃料泄漏進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)，影響潤(rùn)滑油膜的形成。潤(rùn)滑油的凝點(diǎn)和傾點(diǎn)是表示油品低溫流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)，傾點(diǎn)高的油品不能在低溫下使用。一般潤(rùn)滑油的傾點(diǎn)應(yīng)比使用環(huán)境最低溫度低5～7 ℃。在用油品中混入水分等高凝點(diǎn)物質(zhì)時(shí)會(huì)引起傾點(diǎn)升高，混入輕組分燃料油等時(shí)傾點(diǎn)會(huì)降低。試驗(yàn)后油品閃點(diǎn)和傾點(diǎn)變化情況見(jiàn)表3，水分變化見(jiàn)圖1。

由表3可以看出，在試驗(yàn)周期內(nèi)，專(zhuān)用油和參比油的閃點(diǎn)均有不同程度的降低，傾點(diǎn)均有一定程度的升高。分析認(rèn)為試驗(yàn)車(chē)輛基本上實(shí)際運(yùn)行里程超過(guò)200 000 km，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)密封效果相應(yīng)變差，有少量甲醇燃料進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，引起閃點(diǎn)降低；同時(shí)甲醇燃燒后產(chǎn)生的水分有少量可能進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油中，導(dǎo)致傾點(diǎn)升高。尤其是從圖3可以看出，參與試驗(yàn)的5輛出租車(chē)，無(wú)論在用油還是參比油中水分均超過(guò)了GB/T 8028—2010汽油機(jī)油換油指標(biāo)中水分不超過(guò)0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的要求，更進(jìn)一步證明了在用車(chē)輛的活塞環(huán)密封效果不佳。

表1 Ml00車(chē)用甲醇燃料技術(shù)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)油主要理化性能分析數(shù)據(jù)

表3 油品閃點(diǎn)和傾點(diǎn)變化

黏度變化考察

油品運(yùn)動(dòng)黏度的變化在一定程度上可反映油品的氧化深度。黏度變化主要有以下幾個(gè)方面的原因：

圖1 油品水分變化

◇為了有效調(diào)節(jié)油品的高低溫性能，成品油配方中通常加入一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑，在摩擦副的苛刻剪切下，這些大分子物質(zhì)通常會(huì)被剪切成小分子，導(dǎo)致油品運(yùn)動(dòng)黏度逐漸下降；

◇長(zhǎng)期摩擦導(dǎo)致活塞與缸套間隙增大，致使少量燃料泄漏進(jìn)入油底殼，稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)油而造成黏度下降；

◇由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高溫以及摩擦副之間相互作用促使油品因氧化而生成油泥、膠質(zhì)等物質(zhì)，致使油品黏度再次回升，此時(shí)黏度回升代表油品氧化已在氧化和剪切的平衡中占主導(dǎo)。

因此，運(yùn)動(dòng)黏度變化率可以較為真實(shí)地反映油品在使用過(guò)程中的質(zhì)量衰變情況，可以作為衡量油品使用壽命的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。試驗(yàn)中油品黏度變化情況見(jiàn)表 4。

從表4可以看出，車(chē)輛運(yùn)行7 000 km左右，油品黏度均不同程度出現(xiàn)下降，尚未出現(xiàn)增大現(xiàn)象，且油品的黏度下降率不超過(guò)5%，說(shuō)明在用油品仍具有良好的表面成膜能力，能很好地保護(hù)摩擦表面；同時(shí)油品的氧化程度較淺，還具有一定的使用壽命，只要控制好水分含量不增加，油品還可以繼續(xù)使用。

酸值和堿值的檢測(cè)

油品中酸性物質(zhì)主要包括有機(jī)或無(wú)機(jī)酸（包括氧化變質(zhì)后生成的酸類(lèi)物質(zhì)）、酯、酚類(lèi)化合物和酸性添加劑等。對(duì)于新油，酸值表征基礎(chǔ)油的精制深度或含酸性添加劑的加入量，一般來(lái)說(shuō)基礎(chǔ)油的酸值很低；對(duì)于在用油，酸值表征油品氧化變質(zhì)的程度。甲醇燃料燃燒過(guò)程中會(huì)生成一些甲酸、甲醛和水等液態(tài)殘余物，其酸性大大強(qiáng)于汽油燃燒產(chǎn)物的酸性。這些物質(zhì)會(huì)隨燃料竄入潤(rùn)滑油中，導(dǎo)致油品堿值迅速降低，對(duì)金屬特別是鐵和銅造成腐蝕[5]。同時(shí)，還可引起并促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)和氣缸壁的腐蝕磨損。因此，需要選擇適合甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)要求的高堿值、良好堿值保持能力及酸中和能力，腐蝕抑制能力和抗磨性能的專(zhuān)用潤(rùn)滑油。車(chē)輛運(yùn)行7 000 h左右油品酸值及堿值變化分別見(jiàn)圖2、圖3。

由圖2可以看出，專(zhuān)用油和參比油在試驗(yàn)周期中酸值有不同程度增長(zhǎng)，專(zhuān)用潤(rùn)滑油的酸值最大值及增加值僅為1.3 mgKOH/g和0.406 mgKOH/g，而參比油為1.724 mgKOH/g和 0.924 mgKOH/g，均未超過(guò)汽油機(jī)油換油指標(biāo)所規(guī)定的潤(rùn)滑油酸值最大增長(zhǎng)不大于2.0 mgKOH/g的要求，說(shuō)明兩種油品具有較好的酸中和能力，專(zhuān)用油表現(xiàn)更為突出，抗氧化性能優(yōu)于參比油。

由圖3可以看出，參比油堿值變化值明顯大于專(zhuān)用油產(chǎn)品，表明其相應(yīng)的堿值消耗較快，堿值保持性較差；專(zhuān)用潤(rùn)滑油具有較高的堿值和堿值保持性。

油品抗磨損性能分析

潤(rùn)滑油在行車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中的抗磨損性主要體現(xiàn)在各金屬元素含量的增長(zhǎng)上，油品中鐵、鋁、銅、鉛、鉻等金屬元素來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損。正常情況下，隨著行駛里程數(shù)的增加，機(jī)油中的金屬含量會(huì)平穩(wěn)增加。當(dāng)金屬含量突然增大時(shí)，可能是發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部件發(fā)生了異常磨損。車(chē)輛（甘A83153，甘A83054）運(yùn)行約7 000 h，專(zhuān)用油和參比油中元素含量（鐵、鋁、銅、鉛）的變化見(jiàn)圖4。

表4 油品黏度變化

圖2 油品酸值變化

由圖4可以看出，專(zhuān)用油與參比油相比，油液中鐵、鋁含量基本相當(dāng)，而銅、鉛等含量均較低，尤其是銅含量明顯低于參比油，表明專(zhuān)用油具有更好的抗磨損性能，尤其是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸瓦等含銅部位具有更好的保護(hù)作用。

圖3 油品堿值變化

圖4 在用油品元素含量變化

結(jié)論

行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用潤(rùn)滑油產(chǎn)品能有效中和甲醇燃料燃燒產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物，具有優(yōu)良的酸中和能力及堿值保持性；具有優(yōu)異的抗氧化性能，黏度變化小，使用壽命長(zhǎng)；元素含量檢測(cè)結(jié)果表明產(chǎn)品具有較好的抗摩擦磨損性能，能最大限度地減少摩擦和磨損，提高機(jī)械性能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。