一種燃氣發動機專用油的開發與應用研究

趙艷麗+等

摘要：文章闡述了一種燃氣發動機專用油在某公司道路和運輸車輛上的應用研究，通過對在用油的分析監測表明：燃氣發動機專用油具有優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氣發動機的用油要求。并考察了不同運輸條件下對油品性能的影響。根據實驗數據結果初步確定了該油品在道路和公交車輛上的換油周期，為不同類型運輸車輛上的燃氣發動機合理用油提供技術支撐。

[HT5”H]關鍵詞：燃氣發動機專用油；公交車輛；道路運輸；換油周期

[HT5”H]中圖分類號：TE62632文獻標識碼：

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、能源危機的出現和環保法規的日益嚴格，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]，加之政府強大的補貼政策，促使以氣體為燃料的發動機車輛越來越多地出現在公交、道路運輸系統中。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、更便于遠程運輸的優勢，最為廣泛被使用。

本文針對燃氣發動機及LNG燃料的特點，專門研制了一種適用于燃氣發動機上使用的燃氣發動機專用油，并在某公司搭載WP7NG270E0燃氣發動機的公交和道路運輸車輛上分別進行了應用研究，對在用油進行跟蹤、監測，分析數據表明：燃氣發動機專用油具有優異的黏度保持性能、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實驗部分

11實驗目的

目前世界上還沒有燃氣發動機油的統一標準和臺架試驗評定方法[2]，各主要發動機生產商（OE）根據其自身發動機特點和實際使用工況對燃氣發動機油的要求也不盡相同。因此，對于燃氣發動機油來講，通過實際行車試驗更能全面、準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。

本實驗選取了運輸路線相同的2輛公交車和2輛道路運輸車開展試驗。公交線路選擇在真實的城市路況，車輛經常處于開開停停狀態，發動機處于怠速、低速、重負荷等苛刻工況下。道路車輛選擇高速、超載的線路，發動機經常處于運轉時間長、溫度高、重負荷的工況。

12樣品研制過程[STBZ][WT5BZ]

[HTK]121燃氣發動機的工作特點及對潤滑油性能要求

天然氣發動機的工作特點，可歸納總結為：“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C—H鍵組成，C—H鍵的比熱高于傳統液體燃料（汽油、柴油）C—C鍵，同時，天然氣進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動機高165～235 ℃左右[3]。在這樣的高溫作用下，油品的氧化加速。因此，要求發動機油有更好的高溫抗氧化性，以防止因發動機高溫造成的機油氧化變質及黏度增長。（2）燃燒室氮氧化物含量高：雖然LNG、CNG為清潔環保燃料，但燃燒室高溫會導致氮氧化物含量的升高，引發機油硝化變質，產生油泥，導致發動機的磨損，縮短機油使用壽命。因此，要求發動機油有更好的抗硝化能力。（3）難潤滑：傳統液體燃料是以小液滴的形態噴入汽缸，可潤滑、冷卻發動機進、排氣閥和閥座；但天然氣（LNG、CNG）是成氣態進入汽缸，氣體無潤滑作用，易造成上述部件的磨損。因此，要求發動機油對進、排氣系統有足夠的保護，而機油中合適的硫酸鹽灰分恰好能起到保護功能。發動機燃燒室溫度高、天然氣燃料無潤滑作用不僅會使得氣門和閥座摩擦副的磨損嚴重，也會使得天然氣汽車的發動機配氣機構，特別是凸輪-挺桿摩擦副處于邊界潤滑狀態而出現磨損問題。因此，要求發動機油需要更好的抗磨損性能硫酸鹽灰分是燃氣發動機油的關鍵指標， 傳統燃料（汽油、柴油）中有重組分，其燃燒后會產生煙炱，煙炱積累在排氣門上，可以起到減少氣閥與閥座的磨損，對發動機的排氣門起到良好的潤滑保護作用。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作用。這層沉積物呈藍灰色，積累起來需要一定的時間，積累的速度與機油灰分高低、油耗、氣門與氣門座之間的角度等有關。發動機在正常運行中，氣門上沉積物積累過程是一個動態平衡，即在沉積物不斷損失的同時，新的沉積物不斷地補充[5]。

如果機油灰分過低，形成的沉積物過少，對閥門的潤滑保護不夠，則易導致閥門磨損和閥門嵌入；如果機油灰分過高，氣閥上沉積物過多，易導致氣閥上沉積物局部剝落形成高溫氣體竄氣通道，出現閥門熔損，另外沉積物的積累也會導致活塞與缸套磨損、火花塞堵塞等問題。機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系，硫酸鹽灰分高，則易形成沉積物，反之，亦然。

[HTK]122燃氣發動機專用油配方考察

為滿足國內大多數地區發動機使用環境要求，專用油黏度等級定為15W-0。

基礎油的選擇：由于燃氣發動機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類基礎油作為調合組分。

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，數據見表1。為了滿足燃氣發動機油不同溫度下的使用要求及低溫啟動性能，在油品中加入了一定量的黏度指數改進劑和降凝劑，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較好，能滿足使用要求試驗車輛裝配發動機為WP7NG270E0，車輛編號分別為道路車輛-1、道路車輛-2、公交車輛-1和公交車輛-試驗車輛設計行駛里程為30000 km，試驗周期為8～10月，即環境溫度為20～3 ℃，實驗地點為廣東省。試驗車輛情況見表。

1取樣、機油更換和補加

在熱機狀態下，將發動機中舊油放出，注入CNG/LNG燃氣發動機專用油試驗油，加至油尺上限；車輛原地啟動15 min，進行清洗工作，清洗完畢后，停止運行，將試驗油全部放出。然后更換新的機油濾清器、空氣濾清器和燃油濾清器，重新加注試驗油至油尺上限，發動機運轉10 min后所取的油樣為0 km樣品。

試驗車行駛到采樣時間點時，在熱車狀態下，維持油溫在60 ℃左右，采250 mL油樣，作為最終的試驗油樣。并在樣瓶上貼好標簽，注明車號、取樣日期、行駛里程、取樣人。

在試驗過程中，司機定期觀察機油液面，如果機油液面高度低于 低液面（下限），補加適量新油，使機油液面上升至1/液面處，并做好試驗期補加機油的記錄，但取樣前200 km內不得補加新機油。

15試驗及監測內容

在試驗周期內，分別對試驗車輛的在用油進行分階段取樣，并對油品進行分析檢測，檢測項目包括常規理化指標、紅外光譜和磨損金屬元素三個方面，其中常規理化指標主要包括油品的100 ℃運動黏度、酸值及正戊烷不溶物；紅外指標分析包括氧化值、硝化值；磨損金屬分析，包括Fe、Cu、l、Cr、Pb等金屬元素分析。

2結果與討論

21100 ℃運動黏度

油品的運動黏度的變化趨勢是反映油品實際使用效能的重要指標之一。油品在實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，這主要是因為剛使用的新油由于受發動機摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指數改進劑由大分子剪切成小分子，致使油品的黏度明顯下降，其后，隨著發動機油使用小時數的不斷增加，油品本身發生氧化并生成大分子膠質，再加上磨損金屬和燃燒積炭的作用，使油品黏度緩慢回升，當油品黏度升高到一定程度時，將導致潤滑不良現象發生，發動機產生事故的可能性增大[6]。100 ℃運動黏度變化趨勢見圖1。

由圖1可以看出，燃氣發動機專用油在整個試驗過程中，100 ℃運動黏度主要呈現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，發動機長期處于高溫高負荷的條件，所以油品黏度下降較快，但維持在正常變化范圍之內。說明油品具有優異的剪切安定性和黏度保持性。道路車輛在行駛20000 km之后，油品黏度呈現緩慢上升趨勢并逐漸趨于平穩，公交車輛在15000 km之后同樣出現此變化趨勢，說明油品沒有出現過度氧化而造成的油品黏度劇增現象，該油品可為道路和公交車輛提供良好的潤滑保護。

22酸值

油品的酸值變化源于油品在使用中高溫氧化產生的中間產物及燃燒產生的部分酸性物質，這些物質的存在表現為油品酸值增大。油品的總酸值變化預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的增加，使油品的酸值逐漸增大，這不僅會造成機械腐蝕，同時還會促進柴油機油的變質，生成油泥，增加機械磨損。酸值增加值的變化趨勢見圖2。

由圖2可以看出，在試驗過程中因油品氧化而產生酸性物質，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，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，道路車輛行駛到20000 km時，酸值變化區域平穩，到試驗結束時，油品的酸值增值均未超過2 mgKOH/g，符合發動機油在使用過程中酸值增大的變化規律。

23堿值

油品堿值來源于油品中的堿性添加劑，其變化預示了油品的添加劑儲備能力，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出的酸性物質，從而使堿性物質損耗，致使油品的堿值下降。堿值的變化趨勢見圖3。

由圖3可見，實驗過程中油品的堿值呈現緩慢下降趨勢，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境，形成的酸性物質較多，所以消耗了較多的堿值用于中和酸性物質。20000 km 之后油品堿值變化趨于平穩。

2正戊烷不溶物

正戊烷不溶物通常包含油品氧化產物、添加劑降解產物、發動機磨損金屬、積炭及灰塵等不溶于有機溶劑的雜質的綜合，其數值大小可間接反映油品氧化變質、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，燃氣發動機專用油的正戊烷不溶物含量在整個行車試驗過程中呈現逐步增大的變化趨勢，但始終處于非常小的范圍內，未超過01%，油品表現出優異的抗氧化性能。

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動機溫度會高于普通汽、柴油發動機，因此，對其發動機油提出了更苛刻的抗氧化和抗硝化要求。在此次試驗過程中對油品的氧化值和硝化值進行了檢測，具體結果見圖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。試驗結束時，油品的氧化值和硝化值仍然處于較低水平，說明試驗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動機各主要摩擦副在運行過程中的磨損情況，行車試驗后，油品的元素含量變化見圖7～圖11。

可見，試驗油品中的磨損金屬元素含量呈現緩慢上升趨勢，數值較小，說明油品具有很好的抗磨損性能。

3結論

（1）整個行車試驗過程中，車輛運行平穩，車輛行駛狀況正常。燃氣發動機專用油表現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異，可滿足公交車輛和道路車輛的使用要求。

（2）通過實驗數據可知，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，可適當延長換油周期至30000 km。

參考文獻：

[1]趙正華，湯仲平，金鵬 國內固定式燃氣發動機油發展現狀及其性能特點[J]潤滑油，20126（6）：12-13

[2] 趙正華，劉志勇，張勤 一種長換油期重負荷燃氣發動機油的應用研究[J]潤滑油，2029（2）：6-9

[3]余柏強天然氣發動機對潤滑油的要求[J]汽車工藝與材料，2006（9）：7-9

[]朱和菊固定式天然氣發動機的特點及潤滑要求[J]石油商技，2012（5），22-23

[5] 姚文釗低硫酸鹽灰分、低磷和低硫發動機油添加劑發展現狀及趨勢[J]潤滑油，2009，2（1）：8-53

[6] [JP3]徐金龍，趙波CF- 15W-0柴油機油在HC132UPSS型柴油機上的考核性研究[J]潤滑油，2009，2（2）：2-26

[7] 佘海波雙燃料發動機油的開發與應用[J]潤滑油，20128（）：10-17