商用甲醇發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的嚴苛迫使車輛動力燃料進行轉型。當前，從燃料的凈質量能量密度與凈體積能量密度關系、每體積燃油產品的能源生產系統成本與各燃料關系來綜合看，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]。美國環保署曾指出純甲醇發動機相對于傳統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境和工況，在保證動力性和可靠性前提下，純甲醇發動機的使用價值更能體現。但由于燃料本身特性以及燃燒后產物對潤滑油的影響，甲醇發動機需要專用潤滑油。本文通過采用專用甲醇發動機潤滑油在2 款燃料由CNG 改型為M100 甲醇發動機上進行臺架試驗，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動機潤滑油特性，獲取的檢測結果為后期M100 甲醇發動機的潤滑油更換周期的確定和潤滑油的優化提供數據支持。

1 臺架試驗

1.1 甲醇發動機基本參數

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

表1 甲醇發動機基本參數

圖1 試驗甲醇發動機

1.2 試驗條件及內容

M100 甲醇發動機臺架安裝后，設定一般條件的保護值，進氣系統采用裝車用的標準進氣系統，排氣系統背壓采用閥門控制，配置水溫控制系統和油溫控制系統，臺架測試系統見圖2。試驗前進行發動機磨合和性能測試，獲取發動機性能試驗數據，以便考核試驗前后發動機性能的變化，試驗過程按照特定的循環變工況全負荷進行，試驗后對發動機進行拆解分析，運動件、缸套等磨損量必須滿足設計指標。

圖2 臺架測試系統

假設甲醇發動機的換油周期與燃氣發動機的相同，定時取樣并補充相應的新潤滑油數量，對油樣進行檢測分析其理化特性和元素含量，潤滑油指標及試驗方法標準可參考點燃發動機潤滑要求[4-5]，如表2 所示。

表2 潤滑油測試標準

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[5]，運動黏度變化率一定程度上表征了油品質量的衰變情況。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，黏度降低導致油膜不夠而拉缸[6]。一般來講，甲醇發動機潤滑油因為甲醇汽化潛熱大、自燃溫度高的特性，在部分負荷、低負荷時由于缸內溫度低、霧化差、燃燒不完善，燃燒過程生成大量的水，燃燒產物、燃油等混入潤滑油中導致一定黏度的變化。下圖3 是2 款甲醇發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12.5 mm2/s～16.3 mm2/s。圖3a 中運動黏度隨著試驗時間表現出上下波動，主要是因為中型機的換油周期根據CNG 發動機的設定，臺架每100 h 更換1 次，取樣后試驗數據不能完整地表現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，處于目標指數的底線。

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。隨著油品老化程度增加，產生較多的酸性物質[5]。堿值反映了油品抑制氧化和中和酸性物質能力的強弱，下降到一定程度，油品失去了中和能力，可能產生腐蝕、磨損等現象[6]。而甲醇發動機與傳統燃料發動機不同，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、水等液態殘余物的酸性大大高于傳統燃料燃燒產物的酸性。這些酸性物質會隨燃料竄入潤滑油中，導致油品堿值迅速降低，引起發動機活塞環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]。

堿值指標是甲醇發動機評價潤滑油的一個重要指標，與傳統燃料潤滑油相比，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物有關。一般烴類燃料的燃燒反應過程為[8]

燃氣中的氧氣足夠時有

可見，如果燃氣中的氧氣量充足時，理論上燃料在當量空燃比下燃燒后生成了H2O 和CO2，但實際上由于發動機的氣道、燃燒室結構、噴霧情況、進氣均勻性和EGR 率、運行條件等影響因素形成常規排放物之外，燃燒過程存在中間產物甲醛、甲酸等如式（4～5）所示，對金屬表面產生侵蝕。

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計指標之內，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，發動機在弱酸性條件下進行，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 款改型的甲醇發動機，在使用同種潤滑油的前提下，中型機的工作狀態優于重型機。這主要由于CNG 發動機改型為甲醇發動機，設計變更盡可能小，發動機在進氣均勻性、噴油以及霧化效果方面，難于保證，尤其是重型甲醇發動機，排量大，累積產生的甲酸含量更高，致使潤滑油中的總堿值衰減速度快。

2.3 水分及燃油稀釋

甲醇發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，含量超過目標要求時會導致其乳化并引起發動機潤滑油中抗磨劑的分解，顯著降低發動機潤滑油的抗磨效果[9]。發動機臺架試驗過程中，2 款發動機的潤滑油并未發生乳化，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%低于目標值5.0%，水分含量最高值0.17%低于目標值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，而且也要關注潤滑油中元素的含量，現在的測試方法可實現22 種元素化驗分析，從檢驗結果中可以看出發動機磨損元素、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 款甲醇發動機所取油樣內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，Fe 元素最高，這主要是由于缸套、活塞運動產生的磨損；Si 元素為污染元素，主要受工作環境影響，來源于空氣和灰塵中，當空氣濾清器效果變差時，該元素數值含量增加。從圖6a 來看，Fe 元素最高值為58 mg/kg 低于目標值150 mg/kg，其次Cu 元素最高值為34 mg/kg 低于目標值50 mg/kg，Si 硅元素最高值為16 mg/kg 低于目標值30 mg/kg，滿足要求。總體來說，對于中型發動機，換油周期短，雖是甲醇發動機，甲酸產生速度較傳統燃料快，但該潤滑油仍能滿足發動機使用要求。

從圖6b 中各元素曲線來看，數據結果偏差，而且存在元素超標的問題。其中元素Fe、Cu、Al 最高值在首次潤滑油使用期間內均超過目標值。在150 h 時Fe 元素、Al 元素曲線均有轉折點，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，該點之后發動機處于偏弱酸性狀態，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 超出目標值30 mg/kg，Fe 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143 mg/kg 處于目標值的臨界點。Cu 元素從曲線上來看，在試驗后35 h 高達81 mg/kg 嚴重超出目標值，可知，銅元素對酸性尤為敏感，尤其是重型醇類發動機。因此，在甲醇發動機設計初期，盡量避免潤滑零部件中含有Cu 元素，若必須采用，可改變相關零件表面處理或者優化改進制造工藝（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，各元素數值均處于目標值范圍內。由此可知，首次潤滑油使用時發動機磨損偏高，更換第二次潤滑油后，磨損量屬于正常范圍，雖甲醇發動機堿值衰減快，但該甲醇潤滑油仍能滿足發動機正常工作要求。通過試驗數據可知，對于重型甲醇發動機，臺架試驗時首次潤滑油更換時間為100 h，這樣盡量降低發動機的磨損和腐蝕，以后每次換油周期可為300 h。

3 結論

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

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

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

3）中型和重型甲醇發動機試驗過程中潤滑油均未發生乳化，水分質量分數低于0.2%，燃油稀釋質量分數保持在0.1%～0.2%。

4）首次潤滑油使用期間，發動機的磨損偏高。中型發動機與重型發動機相比，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，商用甲醇發動機的潤滑油開發較少，試驗特性數據對甲醇專用潤滑油的開發和升級提供了一定的參考價值。