LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油的應用研究

石順友，杜志偉，王雪梅，林國就，王俊

(1.中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011；2.廣州市第三公共汽車公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著汽車環保法規的日益苛刻，燃氣發動機以其良好的清潔燃燒特性、經濟性和安全性在出租車、城市公交等行業得到了越來越廣泛的應用，截至2018年1月，我國天然氣汽車保有量已達608萬輛，加氣站8400座，均位居世界第一位[1]。燃氣發動機大多數是在原有汽/柴油發動機基礎上進行的技術改進，但由于燃料的不同造成發動機點火方式以及燃燒狀態的不同，對潤滑的要求也不相同，需要專用燃氣發動機油。燃氣發動機通常高負載連續運行，要求燃氣發動機油具有很好的潤滑性和可靠性，特別是電噴、缸內直噴等先進技術在燃氣發動機上的廣泛采用，對機油性能提出了更高的要求。同時，國內大中城市公交車輛超載嚴重、路況復雜、開開停停的惡劣工況使發動機油更易受到污染、老化變質，導致發動機油換油周期縮短。目前重負荷燃氣發動機油的換油周期僅為1萬～1.5萬公里，因此，城市公交公司等客戶對燃氣發動機油都提出了長換油周期的需求。

為滿足客戶對燃氣發動機油長換油周期的實際用油需求，針對燃氣發動機的工況特點，采用高黏度指數加氫基礎油和優質多功能復合添加劑，研制生產LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油，并在某城市公交公司具有典型工況特點的重負荷燃氣公交車上進行應用研究，對產品性能進行行車試驗驗證。

1 燃氣發動機潤滑油

燃氣發動機在結構、工況和燃料特性與汽、柴油發動機相比存在顯著差異，普通發動機油無法滿足它的潤滑需求，燃氣發動機需要配套使用具有更高品質的專用燃氣發動機油。

1.1 燃氣發動機對潤滑的影響

與汽油機和柴油機相比，燃氣發動機具有燃燒室溫度高、尾氣氮氧化物含量高和難潤滑，即“兩高一難”的顯著特點[2]：

(1)燃燒室溫度高。天然氣主要成分是CH4，相比于汽油、柴油，熱值高，且燃氣發動機的燃燒接近于理論值，燃燒更充分；燃氣以氣態形式進入氣缸，沒有像汽、柴油燃料在氣缸內有氣化吸熱的過程，其次，天然氣發動機通常為平級燃燒，不同于稀薄燃燒有較多的空氣可以稀釋及冷卻，結果使燃氣發動機的燃燒室溫度比傳統內燃機的更高，其尾氣溫度比柴油發動機高165～235 ℃左右。高溫下，會使普通機油過快氧化變質，造成潤滑失效和部件早期磨損。

(2)尾氣氮氧化物含量高。雖然CNG、LNG為清潔燃料，但在燃燒室的高溫環境下，氮氣和氧氣反應會生成更多的氮氧化合物，導致廢氣中氮氧化物含量升高，引發機油氧化、硝化，造成機油黏度快速增加、油泥和沉積物增加，致使機油潤滑性能下降，導致發動機磨損加劇。

(3)難潤滑。高溫不利于潤滑油膜的形成。此外，由于汽/柴油是以小液滴的形態噴入汽缸，對閥門、閥座等部件可以起到潤滑、冷卻的作用，而燃氣發動機燃料CNG/LNG等以氣體的形態進入氣缸，使得發動機閥座及部件等部件干澀無潤滑，易造成上述部件的磨損。

基于以上原因，燃氣發動機不可使用普通的汽、柴油機油潤滑，而應使用燃氣發動機專用的潤滑油，以保證燃氣發動機的正常工作，延長發動機的使用壽命。

1.2 燃氣發動機的潤滑需求

如1.1所述，燃氣發動機固有的特性對燃氣發動機油提出了不同于汽、柴油機油的性能要求。除了要求燃氣發動機油要具備良好的潤滑、清凈分散、防腐防銹和抗磨損性能以對燃氣發動機提供全面的潤滑保護等基本要求外，燃氣發動機油還要具有如下兩大特性：

(1)優異的抗氧化、抗硝化性能：由于天然氣發動機具有更高的燃燒室溫度，高溫下，要求燃氣發動機油需具備比普通機油更高的抗氧化能力，防止機油因高溫導致的氧化變質和黏度增長。同時，高溫下，使得燃氣發動機燃燒產物中的氮氧化合物含量大大增加，更易導致機油硝化，機油硝化會導致與機油氧化相似的結果，即油泥及沉積物增加，積炭生成，機油濾清器阻塞，換油期縮短，嚴重的可能導致活塞環及氣缸套磨損加劇。因此要求燃氣發動機油需具備更好的抗氧化、抗硝化能力，確保對發動機的有效保護。

(2)適宜的灰分含量：不同于汽、柴油等液態燃料以液態形式進入氣缸，以及其在燃燒過程中的少量不完全燃燒產物都對閥門和閥座提供非常重要的潤滑作用，天然氣以氣態進入燃燒室，燃燒充分，只能依靠燃燒后產生的少量灰分來潤滑閥門和閥座，太低的灰分無法起到有效的潤滑作用，而太高的灰分又容易造成閥門堵塞等引起故障，因此，適宜的灰分含量是燃氣發動機油最重要的性能要求。

在進、排氣門上逐漸積累的機油灰分燃燒后形成的一層有效的藍灰色沉積物保護層(如圖1)，可以起到減少氣門與氣門座之間磨損的重要作用[2]。燃氣發動機正常工作過程中，進、排氣門上沉積物的積累需要一定時間，積累速度與機油中的灰分含量等有關，且是一個動態平衡的過程，即在舊沉積物不斷損失的同時新的沉積物不斷補充。

圖1 藍灰色沉積物保護層

如果氣門上沉積物太多(如圖2)，則將導致氣門上沉積物局部剝落形成高溫氣體竄氣通道，出現氣門熔損(如圖3)現象[3]。另外，過多的沉積物也將導致提前點火，活塞沉積物增加而導致活塞磨損(如圖4)和缸套擦傷(如圖5)等問題[4]，最終導致發動機壽命縮短。如果氣門上沉積物太少，將造成氣門縮入(如圖6)，而導致氣閥的后退位移(即閥門嵌入，如圖7)[3]和氣閥的磨損。

圖2 閥門沉積物

圖3 氣門熔損

圖4 活塞磨損

圖5 缸套擦傷

圖6 閥門縮入

圖7 閥門嵌入

可見，灰分是燃氣發動機油的關鍵指標，選擇適宜灰分的機油對潤滑和保護燃氣發動機進、排氣門機構非常重要。由圖8的試驗結果可以進一步證明燃氣發動機油灰分的重要性。

圖8 不同灰分機油的對比試驗

該試驗在瓦克夏(Waukesha)7092GSI燃氣發動機上進行，Waukesha推薦該發動機使用0.35%灰分的機油，試驗前5000 h使用的是無灰型燃氣發動機油，氣門嵌入率超過0.075 mm/1000 h，遠高于Waukesha規定的指標限值(0.051 mm/1000 h)，然后將機油換為0.45%灰分的燃氣發動機油，氣門嵌入率下降到小于0.015 mm/1000 h[4]。

鑒于燃氣發動機油灰分的重要性，燃氣發動機OEM對油品的灰分進行了嚴格限定，如表1。

表1 部分OEM對油品灰分的要求

表1(續)

通常行業里根據油品硫酸鹽灰分含量將燃氣發動機油簡單分為無灰型、低灰型、中灰型和高灰型4類，以滿足不同燃氣發動機的潤滑需求，如表2。作為灰分主要來源的抗磨劑、清凈劑中含有有機堿金屬鹽類，這些鹽類都帶有強堿性，使燃氣發動機油具有一定的堿值，因此燃氣發動機灰分含量的大小也從側面反映了其堿值的大小。

表2 燃氣發動機油按灰分含量分類

無灰型燃氣發動機油主要用于以低硫天然氣為燃料的二沖程燃氣發動機，因二沖程發動機通常沒有進氣門和排氣門，而機油中的灰分可能會導致其排氣口的堵塞；低灰型燃氣發動機油多數應用于四沖程燃氣發動機，在實際選用過程中還要考慮設備的使用環境和工況條件；中灰型燃氣發動機油一般應用于雙燃料發動機，通常長壽命燃氣發動機油也屬于中灰型產品；高灰型燃氣發動機油建議應用于以高硫天然氣或沼氣為燃料的燃氣發動機。因沼氣中除主要成分CH4外，還有大量的CO2，CO2與水反應會生成具有腐蝕性的碳酸；同時沼氣中含鹵素碳氫化合物，燃燒后形成具有極強腐蝕性的鹵素酸。因此，與天然氣相比沼氣更具腐蝕性，要求油品有更高的堿值，以中和沼氣燃燒過程產生的酸性物質。

1.3 燃氣發動機油標準

燃氣發動機的特殊性導致長期以來都沒有統一的燃氣發動機油標準，也沒有統一的油品臺架試驗評定方法。各燃氣發動機制造商主要根據各自燃氣發動機的工況特點，通過具體的試驗測試來制定各自的OEM標準。通常OEM對燃氣發動機油的要求也比較簡單，只對油品的SAE黏度等級、硫酸鹽灰分、鋅和磷含量、堿值等主要理化指標進行規定，如Caterpillar、Renault RGD、Volvo CNG、Mercedes Benz Sheet 226.9、MAN M-3271-1、Detroit Diesel 93K216和Cummins CES 20074等。在上述眾多OEM規格中，Cummins CES 20074規格是最具代表性的車用天然氣發動機油OEM規范，其指標最全，要求也最苛刻，因此，獲得康明斯氣體發動機油的認證，通常是燃氣發動機油技術水平的體現[5-6]。

Cummins CES 20074規格適用于車輛及B&C系列的固定式燃氣發動機，該規格要求油品通過康明斯C8.3G發動機臺架試驗和實際行車試驗，規定油品的灰分為0.4%～0.6%，此外，因考慮到氣體的腐蝕性，還要求測試新油的酸值和腐蝕試驗，其具體性能指標如表3。部分燃氣發動機OEM對油品的臺架試驗和行車試驗要求如表4，可以看出，大部分燃氣發動機OEM都要求油品必須通過行車試驗的性能驗證。

表3 康明斯CNG壓縮天然氣發動機油規格

表3(續)

表4 部分OEM對油品的性能要求

除了OEM規范之外，各大潤滑油公司也結合OEM的要求制定自己的燃氣發動機油標準，如中國石化潤滑油有限公司制定的CNG/LNG燃氣發動機油標準Q/SH 303 0077-2014和CNG/LNG長壽命燃氣發動機油標準Q/SH 303 0618-2013，其中Q/SH 303 0618-2013除了對油品的各項性能指標進行了具體規定外，還規定了CNG/LNG長壽命燃氣發動機油行車試驗的總體操作規范和要求。

2 長壽命燃氣發動機油的應用研究

2.1 試驗目的

如1.3所述，燃氣發動機油沒有統一的標準，各主要發動機OEM根據自身的發動機特點制定燃氣發動機油OEM標準，且大部分OEM都要求對燃氣發動機油的性能進行行車試驗驗證。為驗證研制生產的LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油是否滿足城市重負荷燃氣公交車長換油周期的潤滑要求，我們與公交公司合作開展行車試驗。行車試驗按照Q/SH 303 0618-2013標準中的規范要求進行，選擇具有代表性工況特點的重負荷燃氣公交車，在嚴重超載、開開停停的惡劣工況下，對油品的綜合性能進行實際行車試驗驗證。

2.2 試驗條件

試驗車輛為具有典型工況特點的3臺裝配玉柴YC6G260N-50大馬力燃氣發動機的公交車，車號分別為粵AN6396、粵AP1853和粵AP1872，發動機技術參數如表5，LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油的典型數據如表6，行車試驗里程要求在3萬公里以上。

表5 發動機技術參數

表5(續)

2.3 試驗過程及評價內容

2.3.1 試驗過程

為了保證試驗結果的準確性，以防止不同油品之間混用帶來的不良影響，試驗開始之前，在熱態下將3臺試驗車輛里的舊機油全部排空，加注LNG長壽命重負荷燃氣發動機油試驗油至油標尺3/4液面與高液面之間(如圖9)進行清洗2次，每次怠速運轉清洗15 min，然后放盡清洗油并更換機油濾清器、空氣濾清器，最后加注試驗機油到油標尺3/4液面處開始行車試驗。

當行車試驗進行到采樣里程時，按照Q/SH 303 0618-2013標準中的規范要求進行采樣分析和補加新油。

圖9 油標尺示意

2.3.2 油品分析檢測

在行車試驗過程中，分別對每臺試驗公交車輛的在用機油進行分階段采樣分析，并對油品進行性能指標的檢測。油品性能檢測項目包括常規理化指標、紅外光譜和金屬元素含量三個方面，其中，常規理化指標主要包括油品的100 ℃運動黏度、堿值、酸值、水分及戊烷不溶物；紅外指標分析包括氧化值、硝化值；金屬含量分析包括磨損金屬元素Fe、Cu、Al和Cr等以及污染元素Si的分析。

3 結果與分析

3.1 100 ℃運動黏度變化情況

黏度是燃氣發動機油最基本的性能指標，合適的黏度是保證燃氣發動機獲得良好潤滑的關鍵。黏度過高，機油在發動機內部的運動阻力變大，流動性差，在冷啟動時難以及時達到各摩擦副表面，甚至冷啟動失效，造成拉缸和燒瓦等事故；黏度太小，機油在發動機各摩擦副表面難以形成有效油膜，導致磨損急劇增加，同時還造成油壓偏低而供油不良和密封變差等。發動機工作過程中，機油黏度的變化受多種因素的影響。如機油中的輕組分被蒸發、機油高度氧化、油泥生成以及不溶物的增加等都會導致黏度上升；多級機油中黏度指數改進劑受機械或熱的剪切使分子斷裂成小分子，增黏作用下降，使機油黏度降低。因此，燃氣發動機油黏度的變化應控制在一定范圍內，一般為新油的±20%，若超出此范圍就應更換新油，以免發生發動機故障。試驗機油100 ℃運動黏度的變化趨勢如圖10。

圖10 100℃運動黏度變化趨勢

從圖10可以看出，行車試驗過程中，試驗機油的100 ℃運動黏度在前期出現了緩慢下降而后又逐漸上升的趨勢。其主要是因為剛加注的新機油受發動機摩擦副的高速剪切作用，使機油中的黏度指數改進劑由大分子被剪切成小分子，致使機油黏度下降。隨著行車試驗里程的增加，在苛刻的發動機工況條件下，機油會發生氧化并生成大分子膠質和沉積物，導致機油黏度上升。在整個行車試驗過程中，機油的黏度變化幅度較小，還處在原來的SAE黏度等級范圍之內，沒有出現明顯的下降或上升現象，說明試驗機油具有優異的剪切安定性、高溫氧化安定性和黏度保持能力，沒有出現過度氧化而造成的機油黏度劇增現象。

3.2 堿值變化情況

氧化變質是導致發動機潤滑失效最重要的原因之一，燃氣發動機燃燒室溫度較高，更容易導致機油氧化變質。燃氣發動機油在使用過程中會因機油氧化產生一些有機酸性物質，這些酸性物質會導致發動機金屬部件的酸性腐蝕和磨損，縮短發動機的使用壽命。為中和機油氧化生成的有機酸性物質以及燃料燃燒產物中的無機酸性物質，機油必須具備一定的堿值。發動機油堿值可間接表示其所含清凈分散劑的多少，同時也反映了機油抑制氧化和中和酸性物質能力的強弱。在機油的使用過程中，堿性添加劑會被不斷的消耗，機油的堿值會逐漸下降，當堿值下降到一定程度時，機油就會失去中和酸性物質的能力，導致發動機可能會產生酸性腐蝕和磨損，一般要求在用油機油的堿值不低于新油的50%。試驗機油堿值的變化趨勢如圖11。

圖11 堿值變化趨勢

從圖11可以看出，行車試驗過程中，試驗機油的堿值呈現逐漸下降的趨勢，其主要原因是中和機油因高溫氧化而產生酸性物質，使得油品的堿值逐漸下降，但其下降值未超出新油堿值的50%，說明在行車試驗結束時，試驗機油仍然具有一定的堿值以中和酸性物質，同時也說明試驗機油具有良好的堿值保持能力。

3.3 酸值變化情況

在用燃氣發動機油的酸值變化情況是反映其抗氧化、抗硝化能力的主要指標，同時也反映了基礎油的氧化衰變情況、相關功能添加劑的消耗情況以及機油的老化程度。其主要來源于如下3個方面：①高溫下的降解氧化生產的有機酸；②氧化硝化反應生成的酸性物質；③燃料燃燒生成的酸性物質。一般發動機油會添加性能良好的抗氧劑來延緩機油的氧化速度，同時，堿性添加劑會中和酸性物質，減輕發動機的酸性腐蝕磨損。在燃氣發動機油使用過程中，如果酸值增加過快過大，說明產生了較多的氧化物、硝化物等酸性物質，會加快堿性添加劑的消耗，也會進一步促進機油的氧化變質與老化，影響機油的潤滑性和發動機的正常運行，因此，要監測在用機油的酸值。當在用機油的酸值增加值超過2.5 mgKOH/g時，就要進行換油處理，避免酸值過大而引起發動機故障。試驗機油酸值的變化趨勢如圖12。

圖12 酸值變化趨勢

從圖12可以看出，行車試驗過程中，試驗機油因高溫下的氧化硝化作用產生了一定的酸性物質，致使機油的酸值呈現逐漸增大的趨勢。但在行車試驗結束時，酸值增加值沒有超過2.5 mgKOH/g，處于合理范圍內，同時也說明試驗機油具有良好的抗氧化、抗硝化能力和高溫熱穩定性。

3.4 正戊烷不溶物變化情況

正戊烷不溶物是反映機油容納污染物能力的一個指標，在用機油正戊烷不溶物主要來源于機油氧化及添加劑分解產物、發動機磨損的金屬磨粒、外來的污染物如粉塵等。當在用機油的正戊烷不溶物含量達到一定值后，會導致機油黏度增大、流動性變差。此外，機油中正戊烷不溶物的聚集成團會堵塞機油過濾網和油道，造成發動機供油不暢而發生機械故障。試驗機油正戊烷不溶物含量的變化趨勢如圖13。

圖13 正戊烷不溶物變化趨勢

從圖13可以看出，隨著試驗里程的增加，試驗機油中的戊烷不溶物含量呈現逐步增大的變化趨勢，但一直處在非常小的范圍內，試驗機油表現出優異的高溫清凈分散性和抗氧化性能。

3.5 水分含量變化情況

在用機油中的水分與發動機技術條件、車輛工況和車輛使用環境的濕度有較大關系，其來源主要是發動機冷卻系統泄露、密封墊滲漏、車輛的頻繁啟動或緊急停車造成潤滑油系統發生冷凝、曲軸箱或潤滑油箱通風不足以及雨水侵入廢氣系統等。當油品中水分較少時，由于發動機工作溫度較高，因此極少量的水有可能被蒸發，對發動機危害不大；但隨著機油中水分的增加，機油中水分會破壞油膜形成及其強度，并導致添加劑因水解而失效。另外，較大的水分含量會引起機油乳化變質，導致油泥增多，機油潤滑性能下降，加劇發動機銹蝕和磨損。試驗機油水分的變化趨勢如圖 14。

圖 14 水分含量變化情況

從圖 14可以看出，在整個行車試驗過程中，試驗機油中的水分含量最大為0.03%，處于痕跡水平，說明試驗機油沒有受到水分的乳化污染，機油在發動機各摩擦副之間形成的有效油膜強度，可以為發動機提供有效的潤滑保護。

3.6 氧化值及硝化值變化情況

在用發動機油的氧化值、硝化值可以反映出試驗油品被氧化、被硝化及受污染的程度。發動機在運轉過程中，燃燒廢氣中的HC、CO、NOx等物質，在一定條件下可反應生成氧化物、硝化物等酸性物質，這些物質的存在可導致發動機零部件腐蝕、磨損等現象，故而對油品的使用造成不良影響，而發動機油中的添加劑可以減緩或終止這類反應，抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質的生成，因此，利用紅外光譜監測油品氧化值、硝化值的變化情況，可以反映油品的氧化衰變狀況，間接掌握油品中添加劑的消耗情況。目前我國還沒有關于利用紅外光譜法監控在用機油的氧化值、硝化值的極限規定，一般結合其他理化指標的變化情況來綜合判斷油品的性能狀態。試驗機油氧化值和硝化值的變化趨勢如圖15、圖16。

圖15 氧化值變化趨勢

圖16 硝化值變化趨勢

從圖15、圖16可以看出，隨著試驗里程的逐步增加，試驗機油在行車試驗過程中不斷被氧化、被硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈現逐漸增加的變化趨勢。行車試驗結束時，試驗機油的氧化值、硝化值一直處于較低水平，且其他理化指標正常，說明LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油具有優異的抗氧化和抗硝化性能。

3.7 抗磨性能

車輛在運營過程中，發動機各零部件都存在一定的磨損，機油中的煙炱含量、酸性物質以及機油的氧化變質也會加快發動機各零部件的磨損。對發動機的磨損而言，其主要磨損件為缸套、曲軸、活塞和活塞環等。在用機油中的鐵元素能夠直接反映發動機的磨損情況，是汽缸套、凸輪/推桿、軸銷、活塞環和齒輪的典型磨損元素；銅元素是軸承以及潤滑油冷卻器和潤滑油管道內腐蝕產物的典型磨損元素，也是各種安裝材料的成分；鋁元素是發動機活塞、滑動軸承等的典型磨損元素；鉻元素是活塞環、閥桿、凸輪/推桿，以及其他發動機合金部件的典型磨損元素。通過檢測分析機油中Fe、Cu、Al、Cr等磨損金屬元素含量，可用于評價油品的抗磨性能，并掌握發動機的磨損情況。試驗機油中Fe、Cu、Al、Cr磨損金屬元素含量的變化趨勢如圖17～圖20。

圖17 鐵含量變化趨勢

圖18 銅含量變化趨勢

圖19 鋁含量變化趨勢

圖20 鉻含量變化趨勢

從圖17～圖20可以看出，隨著試驗里程的增加，試驗機油中的鐵、銅、鋁、鉻等金屬元素含量呈現逐漸增大的變化趨勢。但在整個行車試驗過程中，試驗機油中的鐵、銅、鋁和鉻元素的含量均處于較低水平，且呈規律性增加并穩定在換油技術指標的范圍內，屬于正常的磨損。較低的磨損元素含量也說明試驗機油良好的抗磨性能和潤滑性能，能夠在發動機各摩擦副之間形成強度很高的極壓膜，對發動機形成有效的保護，延長發動機的使用壽命。

3.8 污染元素硅

在用機油中的硅元素來源主要是吸入空氣中的塵沙，即使含量不大也會引起磨粒磨損。在用油中硅元素含量與車輛的行駛環境以及空氣濾清器的工作狀態有較大關系，當車輛行駛于塵土飛揚的惡劣環境中或空氣濾清器工作不正常時，都會造成油中硅含量的大量增加，引起發動機零部件的磨料磨損。一般當機油中的硅含量達到30 mg/g時，就建議更換機油和空氣濾清器。試驗機油中硅元素含量的變化趨勢如圖21。

圖21 硅含量變化趨勢

從圖21可以看出，試驗機油中出現了少量的污染元素硅，這可能與車輛的空氣濾清器或行駛的環境較為惡劣有關，但在整個行車試驗過程中，試驗機油中污染元素硅含量沒有超過10 mg/g，處于較低水平，說明在行車試驗過程中車況較好，空氣濾清器工作正常。

4 結論與建議

(1)燃氣發動機有其獨特的工況特點，普通機油無法滿足其潤滑要求，應使用燃氣發動機專用油，且適宜的灰分含量至關重要。

(2)研制生產的LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油，在整個產品性能驗證試驗過程中，試驗車輛均運行平穩，油壓穩定，表現出了優異的綜合產品性能，完全滿足重負荷燃氣發動機長換油周期的潤滑需求。

(3)根據行車試驗對產品性能的驗證情況，LNG長壽命重負荷燃氣發動機專用油在城市道路工況下的推薦換油周期為37000～40000 km。