發(fā)動機潤滑油應(yīng)用研究

劉潛

摘要：發(fā)動機作為主流商用動力機械對其應(yīng)用的潤滑油有特定的需求，潤滑油隨著發(fā)動機產(chǎn)品的升級而不斷發(fā)展。本文介紹了潤滑油的組分，論述了在商用領(lǐng)域占主流的柴油發(fā)動機和燃氣發(fā)動機的工作特點，進而分析了上述兩類發(fā)動機對潤滑油的特殊需求。最后，結(jié)合現(xiàn)今柴油機和燃氣機的技術(shù)特點，簡析了潤滑油的選用方法。

關(guān)鍵詞：潤滑油;柴油機;燃氣機

0? 引言

潤滑油是一種廣泛應(yīng)用于機械裝置的主要起潤滑作用的流體介質(zhì)。全球范圍內(nèi)，除了傳統(tǒng)的歐美日韓潤滑油制造商外，新興發(fā)展中國家也在大力發(fā)展?jié)櫥彤a(chǎn)業(yè)。潤滑油行業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展，可供發(fā)動機用戶選用的潤滑油商品已多種多樣。

為了保障發(fā)動機持續(xù)可靠運轉(zhuǎn)，用戶需為其發(fā)動機選擇一款合適的潤滑油。通常來講，國內(nèi)發(fā)動機制造商和潤滑油供應(yīng)商合作開發(fā)后市場專用潤滑油。然而受油品出口限制等客觀條件所限，國內(nèi)發(fā)動機公司在海外的廣大用戶無法采購到專用油。海外用戶如何選用適合自身發(fā)動機的潤滑油商品，是他們面臨的現(xiàn)實問題?；诖耍疚难芯糠治隽瞬裼蜋C潤滑油及燃氣機潤滑油的應(yīng)用技術(shù)，以期為海外市場用戶提供有參考價值的潤滑油應(yīng)用信息。

1? 潤滑油的組分

市售的成品潤滑油（簡稱成品油），由基礎(chǔ)油和添加劑經(jīng)特定工藝調(diào)和而成?；A(chǔ)油約占成品油質(zhì)量的60-90%，是成品油的主要組成部分。同時，基礎(chǔ)油作為添加劑的載體是影響成品油的粘度、揮發(fā)性、及氧化安定性的主要因素。由于理化特性具有先天局限性，單獨使用基礎(chǔ)油不能滿足機械裝備的運行要求。因而，需要向基礎(chǔ)油中添加一些特殊的化學(xué)物質(zhì)（簡稱添加劑）以彌補基礎(chǔ)油的不足。添加劑主要包括分散劑、清凈劑、抗磨劑、抗氧劑、摩擦改進劑等。

1.1 基礎(chǔ)油

基于質(zhì)量品質(zhì)不同，基礎(chǔ)油通常分為I類、II類、III類、IV類及V類。I類基礎(chǔ)油的芳烴、硫、氮含量較高，氧化安定性和熱安定性差，不能滿足高質(zhì)量級別發(fā)動機油的需求。II類基礎(chǔ)油雜質(zhì)少，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性好。III類基礎(chǔ)油除具備II類基礎(chǔ)油的特點外，還具有低溫流動性好及蒸發(fā)損失小等優(yōu)點。與前三類基礎(chǔ)油相比，IV類和V類基礎(chǔ)油的制造工藝不同，它們是采用合成工藝制造而非原油蒸餾得到。

不同種類基礎(chǔ)油的對比如表1所示。

1.2 添加劑

添加劑是潤滑油中的起調(diào)節(jié)作用的部分化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱，占成品油質(zhì)量的10-40%。常見的添加劑有如下種類：

抗氧化劑：通過分解過氧化物，終止反應(yīng)鏈等延緩潤滑油的氧化老化進程。

消泡劑：通過吸附于泡沫，改變氣泡局部表面張力，使氣泡破滅進而起到快速消除油中氣泡的效果。

粘度指數(shù)改進劑：屬于大分子聚合物，隨溫度升高膨脹后提高油品粘度，隨溫度降低收縮進而降低油品粘度，上述特性擴寬了潤滑油的匹配溫度范圍[1]。

降凝劑：其極性基團吸附于基礎(chǔ)油中的蠟進而改變蠟晶體的形狀，進而弱化蠟晶體對潤滑油流動性的影響以降低油品凝點。

破乳劑：通過破壞潤滑油中的水滴外油膜，促進水滴聚集成團，加快水份蒸發(fā)。避免在油中產(chǎn)生過量油水乳化物。

減磨劑：其極性分子吸附于金屬表面形成吸附膜，從而降低摩擦系數(shù)改善運動表面潤滑狀態(tài)。

極壓抗磨劑：多為含硫、磷、氯等活性元素的有機物。高溫高壓下，活性元素被與金屬反應(yīng)生成抗壓抗剪切性強的反應(yīng)膜。在極壓狀態(tài)下，先被剝離的首先是該反應(yīng)膜，進而避免金屬直接接觸發(fā)生黏著。

防銹劑：其強極性基團吸附于金屬表面形成分子層，進而將水或空氣與金屬表面隔絕，避免金屬表面生銹。

清凈分散劑：其功能可細分為增容、分散、洗滌、中和等?！霸鋈荨笔墙柚砻婊钚詣┳饔?，將非油溶性膠質(zhì)包裹形成膠團溶于油中?！胺稚ⅰ笔乔鍍舴稚┪接跓熿频确怯腿苄怨腆w，防止其聚集增大或在金屬表面沉積?！跋礈臁笔乔鍍舴稚B透于積碳，漆膜后將其從金屬表面清洗下來，并分散到潤滑油中?！爸泻汀笔浅蕢A性的清凈分散劑可中和燃燒產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)。

2? 發(fā)動機潤滑油的性能特點

本文僅討論用于商業(yè)用途的柴油機或燃氣機，其常見應(yīng)用場景包括：牽引車、客車、發(fā)電機組、工程機械、船舶動力等。因工作原理不同，柴油機和燃氣機對潤滑油的要求亦有明顯差異。

2.1 柴油機潤滑油的性能特點

2.1.1 柴油機的發(fā)展現(xiàn)狀

具備大扭矩及優(yōu)異燃油經(jīng)濟性的柴油機，是商用領(lǐng)域主要的動力機械。隨著CO2排放法規(guī)和污染物排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機技術(shù)亦不斷革新。CO2排放法規(guī)的加嚴(yán)，要求柴油機制造商采用更高噴射壓力的燃油系統(tǒng)，更高效的增壓系統(tǒng)等先進技術(shù)手段提高燃燒效率和燃油經(jīng)濟性。污染物排放法規(guī)的升級催生了高技術(shù)含量的尾氣后處理系統(tǒng)。尾氣后處理系統(tǒng)可以有效收集柴油機尾氣中的顆粒物，并通過化學(xué)方法降低氮氧化物。作為柴油機工作介質(zhì)之一的潤滑油也隨著柴油機技術(shù)的進步而不斷優(yōu)化。

2.1.2 柴油機潤滑油的清潔分散性

柴油機工作時，受油氣混合時間所限，噴入燃燒室的柴油不能與空氣徹底地混合，使得燃燒產(chǎn)物中含有碳煙顆粒。碳煙顆粒累積在氣門、氣門座圈、活塞頭部、缸套內(nèi)壁及噴油器油嘴部位形成積碳。積碳不僅會引起相關(guān)零部件的早期磨損，同時也會形成熾熱部位導(dǎo)致早燃和工作粗暴?；谏鲜龇治?，柴油機潤滑油需具備優(yōu)異的清潔分散性能以清理積碳[2]。

2.1.3 柴油機潤滑油的堿值及其保持能力

通常來講，柴油機用戶使用的柴油質(zhì)量參差不齊。特別是在船舶行業(yè)，船用柴油硫含量偏高[3]。柴油中的硫，經(jīng)高溫氧化后生成酸性物質(zhì)。酸性物質(zhì)會引起金屬零部件的腐蝕。上述特點要求柴油機潤滑油具備一定的堿值以中和酸性物質(zhì)，并需具備一定的堿值保持能力。

2.1.4 柴油機潤滑油的抗剪切性能

柴油機的壓縮比高，燃燒過程中爆發(fā)壓力大，要求柴油機各運動副處的潤滑油油膜穩(wěn)定可靠，具備高的抗剪切能力。

2.1.5 柴油機潤滑油的抗氧化能力

重型柴油機通常高速高負荷持續(xù)運行，其使用的潤滑油工作在一個持續(xù)高溫的環(huán)境中，因此潤滑油必須具備優(yōu)良的抗氧化能力。

2.1.6 柴油機潤滑油的粘溫特性

柴油機使用范圍廣泛，熱帶寒區(qū)等不同的環(huán)境溫度要求柴油機潤滑油可在寬廣的環(huán)境溫度范圍內(nèi)均能保持合適粘度。

2.2 燃氣機潤滑油的性能特點

2.2.1 燃氣機的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著天然氣資源開采能力的不斷升級，以及天然氣儲存供應(yīng)硬件設(shè)施日趨完善，以天然氣作為燃料的燃氣機變得日益普及[4]。城市化進程的加快使得城市垃圾填埋場收集的垃圾填埋氣也越來越受到人們的重視而被加以利用。燃氣機的工作原理類似汽油發(fā)動機，采用一套獨立的燃氣引入系統(tǒng)和點火系統(tǒng)。國際上，燃氣機制造商基于市場需求開發(fā)出大量可靠耐用的燃氣機用于大型發(fā)電機組，船舶動力以及道路用車輛。

2.2.2 燃氣機潤滑油的抗硝化抗氧化能力

通常來講，燃氣機采用當(dāng)量空燃比燃燒方式，導(dǎo)致其熱負荷高。高的熱負荷要求燃氣機潤滑油具備較強的抗氧化能力。同時，由于高的燃燒溫度會導(dǎo)致大量氮氧化物生成，需燃氣機潤滑油能有效抵抗氮氧化物的硝化作用（簡稱抗硝化能力）[5]。

2.2.3 燃氣機潤滑油的硫酸鹽灰分

燃氣機和柴油機相比，一個顯著差異是燃氣機的氣門及其座圈部分缺少有效潤滑。缺少潤滑是因為天然氣流經(jīng)氣門進入燃燒室的過程中，燃氣對氣門及其座圈起不到潤滑作用，這就導(dǎo)致氣門的工作條件非常惡劣。長時間工作之后，氣門和氣門座圈之間就會產(chǎn)生過度磨損，這一現(xiàn)象稱之為氣門下沉過快。為了規(guī)避此風(fēng)險，需要保證燃氣機潤滑油中含有適當(dāng)比例的硫酸鹽灰分。潤滑油通過活塞環(huán)同缸套之間的空隙串入燃燒室后參與燃燒生成有潤滑作用的膠質(zhì)，膠質(zhì)沉積在氣門和氣門座圈表面起到潤滑作用，從而避免了氣門下沉過快。值得注意的是，灰分的含量需保持在合適的比例內(nèi)?；曳州^多會導(dǎo)致燃燒室周邊零件積碳較多?；曳诌^少又無法保證氣門及其座圈得到良好的潤滑[6]。

2.2.4 燃氣機潤滑油的堿值

天然氣或者處理后的垃圾填埋氣的硫含量較柴油低很多，所以燃氣機對潤滑油堿值的要求比柴油機低。

3? 潤滑油的粘度

3.1 潤滑油的粘度分類

當(dāng)今市場通用的潤滑油粘度標(biāo)準(zhǔn)是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）頒布的標(biāo)準(zhǔn)。

粘度參數(shù)中通常包含數(shù)字和字母W，如：“SAE10W-40”。類似，粘度級別中包含“W”的潤滑油稱為多級油。其中數(shù)字“10”代表潤滑油的低溫時的粘度，數(shù)字越小表示低溫粘度越小，低溫適應(yīng)性越好。數(shù)字“40”代表高溫時的粘度，數(shù)字越大代表高溫時的粘度越大，高溫適應(yīng)性越好。字母“W”是英文 “winter”的首字母，表示該潤滑油適用于寒冷環(huán)境。對于粘度級別中無字母“W”的潤滑油，油品不適用于低溫環(huán)境，將該類潤滑油稱為單機油。綜上，通過不同的數(shù)字和字母組合，可以得到不同的潤滑油粘度。常見的SAE粘度和適用環(huán)境溫度的對應(yīng)關(guān)系，如表2。

3.2 潤滑油粘度的選擇

在確定采用的潤滑油粘度時，需確保其適用溫度范圍完全涵蓋當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，并留有適當(dāng)裕量。特定粘度品級適用溫度范圍的下限應(yīng)至少比當(dāng)?shù)刈畹蜏囟鹊?℃，適用溫度范圍的上限應(yīng)至少比當(dāng)?shù)刈罡邷囟雀?℃，以保證發(fā)動機的使用安全。

關(guān)于單級油和多級油的選用上，經(jīng)研究給出如下建議：對于高溫地區(qū)用戶，優(yōu)先選用單級油。非高溫地區(qū)，優(yōu)先選用多級油?；谛袠I(yè)經(jīng)驗，單級油中不含用于改善粘溫性能的粘度指數(shù)改進添加劑。粘度指數(shù)改進劑在高溫時其分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變而有劣化風(fēng)險，所以配有粘度指數(shù)改進劑的潤滑油的穩(wěn)定性不如單級油。國際知名發(fā)動機制造商 Caterpillar 的潤滑油匹配手冊中明確提到這一要求。

4? 潤滑油的品級

4.1 柴油機潤滑油的品級

4.1.1 API級別

關(guān)于潤滑油品質(zhì)分級，目前國際市場上存在幾大主流標(biāo)準(zhǔn)頒布機構(gòu)，分別是美國石油學(xué)會（API）[7]，歐洲汽車制造商協(xié)會（ACEA）標(biāo)準(zhǔn)及日本汽車協(xié)會[8]。從通用性來講，API標(biāo)準(zhǔn)使用范圍最為廣泛。中國市場上的潤滑油通用API標(biāo)準(zhǔn)。篇幅所限，本文僅限于對API標(biāo)準(zhǔn)進行論述。

從頒布目標(biāo)來講，API潤滑油品級信息如表3。

從表3可知，API頒布的潤滑油標(biāo)準(zhǔn)是隨著技術(shù)革新逐漸升級的。各級別潤滑油具備不同的理化性能。主要區(qū)別如下：活塞沉積物控制和機油耗，活塞環(huán)缸套磨損控制，煙炱分散，銹蝕，油品氧化，空氣釋放性，閥系磨損等為了評價上述各方面性能，API開發(fā)了一套客觀準(zhǔn)確的試驗評價體系，不同的性能指標(biāo)采用不同的發(fā)動機臺架試驗進行評價。如表4所示。

4.1.2 基于API品級的應(yīng)用推薦

基于多年市場配套驗證經(jīng)驗，對應(yīng)用不同技術(shù)裝置的柴油機選擇潤滑油時依照如下：

表5為道路用柴油機潤滑油品級推薦表。

表6為非道路用柴油機潤滑油品級推薦表。

4.1.3 基于柴油質(zhì)量的考慮

對于滿足歐VI排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機，柴油機通常配套顆粒捕集器（PDF），PDF的致密蜂窩狀結(jié)構(gòu)對廢氣中的微粒非常敏感。所以，為配備PDF的柴油機選擇潤滑油時需采用灰分含量極低的CK-4或CJ-4品級[9]。然而，由于潤滑油灰分含量低，相應(yīng)的堿值也低，其中和酸性物質(zhì)的能力隨之下降。如果柴油機所使用的柴油中硫含量很高，柴油燃燒生成的酸性物質(zhì)導(dǎo)致低灰分的潤滑油過早老化。基于以上分析，配置PDF的柴油機只能選擇CJ-4或CK-4品級潤滑油，且只能使用超低硫柴油作為燃料。

4.2 燃氣機潤滑油的品級

目前國際上無衡量燃氣機潤滑油質(zhì)量級別的通用標(biāo)準(zhǔn)。按照燃氣機潤滑油行業(yè)慣例，潤滑油生產(chǎn)商通常將硫酸鹽灰分含量作為油品的一個關(guān)鍵性指標(biāo)[10]。燃氣機潤滑油基于硫酸鹽灰分含量分類如表7。

表7中的無灰分燃氣機潤滑油主要是基于二沖程發(fā)動機的應(yīng)用場景[11]。二沖程發(fā)動機無進排氣門，通過掃氣口進行換氣，所以二沖程發(fā)動機不涉及氣門及氣門座圈的潤滑問題，這樣灰分含量越低積碳產(chǎn)生的越少。低灰分燃氣機油的適用面非常廣，對于使用清潔天然氣的發(fā)動機，國際發(fā)動機制造商均推薦使用低灰分潤滑油。對于使用沼氣，垃圾填埋氣的場景，由于氣源中的H2S含量高，推薦酸中和能力更強的中高灰分燃氣及潤滑油[12]。

5? 總結(jié)

發(fā)動機潤滑油由基礎(chǔ)油和添加劑構(gòu)成，具備合適配比的基礎(chǔ)油和添加劑各自發(fā)揮相應(yīng)功能。隨著燃油耗法規(guī)及廢氣污染物控制法規(guī)的不斷升級，發(fā)動機潤滑油的品質(zhì)亦不斷優(yōu)化。由于柴油機和燃氣機工作原理不同，匹配這兩種發(fā)動機的潤滑油在性能特點上有明顯差異。論述了用戶如何根據(jù)環(huán)境溫度選擇合適的潤滑油粘度。給出了基于不同柴油機技術(shù)路線的潤滑油質(zhì)量品級推薦表。最后，基于燃氣機氣源質(zhì)量，闡述了如何選用合適的燃氣機專用油。

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