甲醇發動機專用潤滑油的應用研究

姚文釗 李廣濤 王志文 王斌文

1 西安石油大佳潤實業有限公司

2 平涼中力新能源科技有限公司

本文選取平涼中力新能源甲醇出租車有限責任公司的吉利牌M100甲醇汽車進行道路行車試驗研究，通過油品理化指標檢測、性能評價及油品中金屬元素含量變化，考察了研制開發的甲醇發動機專用油在實際行駛條件下的綜合使用性能。結果表明，研制油品具有優良的酸中和能力和堿值保持性、優異的高溫抗氧化及抗磨損性能，可以滿足M100甲醇燃料發動機的使用要求。

隨著人們節能和環保意識的增強，對大氣質量的控制以及汽車排放提出了嚴格要求，開發代用燃料成為時代緊迫的任務之一。針對我國富煤少油的能源結構特點，發展煤基甲醇燃料，降低對石油的依賴，是我國車用能源多元化戰略的重要組成部分，有利于緩解我國目前石油緊缺現狀，促進我國汽車工業穩步發展，改善大氣、實現節能減排，保證國民經濟的持續發展[1]。

近年來，甲醇作為汽車發動機的一種代用燃料已經得到了廣泛研究和應用。醇類燃料的特點是辛烷值高、蒸發潛熱大，因此允許發動機在較高的壓縮比下使用，其結果可以改善發動機的熱效率和輸出功率[2]。另一方面，醇類燃料又因其較高的蒸發潛熱、單一的沸點、較低的蒸氣壓等特點，在較低溫度下影響發動機的動力性能[3]。同時，甲醇在燃燒過程中容易生成甲醛、甲酸等酸性物質，且甲醇及其燃燒產物很容易竄入曲軸箱中和發動機油溶在一起；甲醇會導致發動機油中的黏度指數改進劑從發動機油中以油泥的形式沉淀出來；燃燒過程中生成的酸性物質可加劇發動機的磨損，加速發動機油的劣化，與發動機油中的堿性物質中和，快速地消耗發動機油中的堿儲備，對發動機潤滑系統造成危害。因此，醇類燃料發動機的磨損，特別是氣缸壁、活塞環磨損以及醛類排放、燃料進氣系統沉積物控制成為人們研究的重點[4]。

本文選取平涼中力新能源甲醇出租車有限責任公司的吉利牌M100甲醇汽車進行道路行車試驗研究。通過道路行車對比試驗，考察了研制開發的甲醇發動機專用油（以下簡稱專用油）的實際使用性能。行車試驗結果表明：該油品具有優良的酸中和能力及堿值保持性、優異的高溫抗氧化及抗磨損性能，可以滿足甲醇發動機的潤滑要求。

試驗部分

試驗車輛

本次試驗在平涼中力新能源甲醇出租車有限責任公司進行，試驗從150輛吉利牌M100甲醇汽車中選擇了5輛甲醇汽車，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 況較好、具有代表性，實際運行里程從200 000 km到400 000 km不等；試驗所用甲醇汽車發動機油底殼等部件密封良好，無滲油漏油現象，發動機竄氣正常。試驗車輛行駛區間為平涼市區及周邊，市內路段車多、人多，堵車現象較嚴重，汽車走走停停的頻率高。

主要原材料及性質

試驗用甲醇燃料理化性質

試驗用甲醇燃料理化性質見表1。

試驗用潤滑油理化性質

鑒于平涼地區冬季最低溫度不超過零下20 ℃，且試驗時間選在六七月份進行，因此研制的專用油產品選擇10W-30黏度級別，參比油為汽車廠家推薦的甲醇發動機油，油品理化指標見表2。

試驗過程

首先在熱車狀態下放凈試驗車輛發動機油，更換三濾，加入試驗油。由于車輛油箱較小，每次加注約3.5 L機油，中途反復取油樣進行檢測影響較大，因此本試驗中參照GB/T 8028—2010《汽油機油換油標準》中SL級別油品的換油要求，在車輛運行到7 000 km左右換油，并取樣進行檢測。主要檢測項目為黏度、堿值、酸值、金屬含量等。

結果與討論

閃點、傾點及水含量的檢測

閃點是表示石油產品著火危險性及油品揮發性能的一項指標。油品的餾分越輕，揮發性越大，閃點越低。在用油品閃點的降低表明有輕組分的燃料泄漏進入潤滑油系統，影響潤滑油膜的形成。潤滑油的凝點和傾點是表示油品低溫流動性的一個重要指標，傾點高的油品不能在低溫下使用。一般潤滑油的傾點應比使用環境最低溫度低5～7 ℃。在用油品中混入水分等高凝點物質時會引起傾點升高，混入輕組分燃料油等時傾點會降低。試驗后油品閃點和傾點變化情況見表3，水分變化見圖1。

由表3可以看出，在試驗周期內，專用油和參比油的閃點均有不同程度的降低，傾點均有一定程度的升高。分析認為試驗車輛基本上實際運行里程超過200 000 km，發動機活塞環密封效果相應變差，有少量甲醇燃料進入曲軸箱內，引起閃點降低；同時甲醇燃燒后產生的水分有少量可能進入到曲軸箱內潤滑油中，導致傾點升高。尤其是從圖3可以看出，參與試驗的5輛出租車，無論在用油還是參比油中水分均超過了GB/T 8028—2010汽油機油換油指標中水分不超過0.2%（質量分數）的要求，更進一步證明了在用車輛的活塞環密封效果不佳。

表1 Ml00車用甲醇燃料技術指標

表2 試驗油主要理化性能分析數據

表3 油品閃點和傾點變化

黏度變化考察

油品運動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方面的原因：

圖1 油品水分變化

◇為了有效調節油品的高低溫性能，成品油配方中通常加入一定量的黏度指數改進劑和降凝劑，在摩擦副的苛刻剪切下，這些大分子物質通常會被剪切成小分子，導致油品運動黏度逐漸下降；

◇長期摩擦導致活塞與缸套間隙增大，致使少量燃料泄漏進入油底殼，稀釋發動機油而造成黏度下降；

◇由于發動機內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、膠質等物質，致使油品黏度再次回升，此時黏度回升代表油品氧化已在氧化和剪切的平衡中占主導。

因此，運動黏度變化率可以較為真實地反映油品在使用過程中的質量衰變情況，可以作為衡量油品使用壽命的一個重要指標參數。試驗中油品黏度變化情況見表 4。

從表4可以看出，車輛運行7 000 km左右，油品黏度均不同程度出現下降，尚未出現增大現象，且油品的黏度下降率不超過5%，說明在用油品仍具有良好的表面成膜能力，能很好地保護摩擦表面；同時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，油品還可以繼續使用。

酸值和堿值的檢測

油品中酸性物質主要包括有機或無機酸（包括氧化變質后生成的酸類物質）、酯、酚類化合物和酸性添加劑等。對于新油，酸值表征基礎油的精制深度或含酸性添加劑的加入量，一般來說基礎油的酸值很低；對于在用油，酸值表征油品氧化變質的程度。甲醇燃料燃燒過程中會生成一些甲酸、甲醛和水等液態殘余物，其酸性大大強于汽油燃燒產物的酸性。這些物質會隨燃料竄入潤滑油中，導致油品堿值迅速降低，對金屬特別是鐵和銅造成腐蝕[5]。同時，還可引起并促進發動機活塞環和氣缸壁的腐蝕磨損。因此，需要選擇適合甲醇發動機要求的高堿值、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用潤滑油。車輛運行7 000 h左右油品酸值及堿值變化分別見圖2、圖3。

由圖2可以看出，專用油和參比油在試驗周期中酸值有不同程度增長，專用潤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，均未超過汽油機油換油指標所規定的潤滑油酸值最大增長不大于2.0 mgKOH/g的要求，說明兩種油品具有較好的酸中和能力，專用油表現更為突出，抗氧化性能優于參比油。

由圖3可以看出，參比油堿值變化值明顯大于專用油產品，表明其相應的堿值消耗較快，堿值保持性較差；專用潤滑油具有較高的堿值和堿值保持性。

油品抗磨損性能分析

潤滑油在行車試驗過程中的抗磨損性主要體現在各金屬元素含量的增長上，油品中鐵、鋁、銅、鉛、鉻等金屬元素來源于發動機部件的磨損。正常情況下，隨著行駛里程數的增加，機油中的金屬含量會平穩增加。當金屬含量突然增大時，可能是發動機的某些部件發生了異常磨損。車輛（甘A83153，甘A83054）運行約7 000 h，專用油和參比油中元素含量（鐵、鋁、銅、鉛）的變化見圖4。

表4 油品黏度變化

圖2 油品酸值變化

由圖4可以看出，專用油與參比油相比，油液中鐵、鋁含量基本相當，而銅、鉛等含量均較低，尤其是銅含量明顯低于參比油，表明專用油具有更好的抗磨損性能，尤其是對發動機曲軸軸瓦等含銅部位具有更好的保護作用。

圖3 油品堿值變化

圖4 在用油品元素含量變化

結論

行車試驗結果表明，研制的甲醇發動機專用潤滑油產品能有效中和甲醇燃料燃燒產生的酸性產物，具有優良的酸中和能力及堿值保持性；具有優異的抗氧化性能，黏度變化小，使用壽命長；元素含量檢測結果表明產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，提高機械性能，延長設備使用壽命。