滿足國Ⅵ排放的重負荷燃氣發動機油研制及應用

趙正華，馬文全,張勤，焦軍平，金鵬

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060;2.中國石油蘭州潤滑油廠，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

2018年6月，生態環境部和國家市場監督管理總局聯合發布了《重型柴油車污染物排放限值及車輛方法(中國第六階段)》[1]，該標準可適用于天然氣或液化石油氣作為燃料的點燃式發動機汽車及其發動機所排放的氣態污染物的排放限值及測量方法。要求整車進行實際道路車載法排放試驗，達到以下排放限值，具體限值見表1。

表1 整車試驗排放限值 mg/kW·h

注：*為PN限值從6b階段開始實施。

而今年7月1日期，北京地區的重型燃氣車必須滿足國Ⅵb階段要求，NOx和PM將比國Ⅴ階段降低60%以上，并增加了顆粒物粒數(PN)限值要求，該排放標準的實施將有利于提升機動車排放水平，進一步減少污染排放，促進空氣質量改善。

1 國Ⅵ重型燃氣發動機的性能特點

目前，天然氣發動機的工作方式主要有兩種，第一種是點燃式，與傳統汽油機工作方式類似，天然氣和空氣在進氣沖程行車均質混合氣，由火花塞點火引燃天然氣空氣均質混合氣；第二種工作方式為壓燃式，由于天然氣著火溫度非常高，天然氣不易被壓燃，天然氣由缸內直噴的柴油引燃。

點燃式天然氣發動機按照混合氣濃度可以分為當量燃燒和稀薄燃燒兩種方式，混合氣的形成方式通常有進氣道噴射以及缸內直噴的方式。采用當量燃燒的天然氣發動機是目前應用的主要型式，因為采用當量燃燒可以使三元催化器具備很高的轉化效率[2]，THC和NOx幾乎可以100%的轉化，同時降低THC、CO和NOx排放，達到降低排氣污染物，很容易達到國Ⅵ排放要求，而稀薄燃燒的燃氣發動機的NOx排放水平則難以達到國Ⅵ排放要求，需要增加SCR技術，造成成本大幅度提高。

根據發動機設計特點，國Ⅵ階段重負荷燃氣發動機油的主要要求如下：

(1)更高的抗氧化能力，滿足發動機高溫工況、熱負荷增大的使用要求，抑制潤滑油品在使用過程中出現過度氧化導致的酸性物質和黏度增加。

(2)更優異的高溫清凈性，有效抑制活塞環黏結、活塞沉積物、積炭的生成，保持發動機清潔；

(3)更佳的抗磨損能力，防止發動機在使用過程中閥系、缸套、活塞環等部件磨損，大大提升發動機運行可靠性；

(4)更穩定的黏度保持性，保障發動機在運轉過程中，活塞、缸套等部件間的優良潤滑，減少發動機部件磨損；

(5)適宜的硫酸鹽灰分、硫、磷含量，避免大量沉積物積累導致閥門熔損，燃燒室及活塞沉積物襯里磨損和提前點火。

2 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油的研制

根據國Ⅵ重負荷燃氣發動機油的具體要求，選擇性能優異的金屬清凈劑、無灰分散劑和抗氧劑、抗磨劑，通過添加劑復配規律研究，在性能優異的加氫基礎油中進行氧化性能、抗磨和高溫清凈性評價，具體情況見表2。

表2 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油方案考察

根據成焦板、熱管，磨斑直徑等模擬數據，綜合來看，3號方案表現出更好的抗氧化性能、高溫清凈性和抗磨損性能，因此，初步確定3號方案為10W-40 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油的定型方案，研制的10W-40 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油，其主要理化分析數據見表3。

表3 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油主要理化數據

由于國內外燃氣發動機油目前沒有統一的標準和標準發動機臺架試驗，油品公司往往與發動機廠商(OEM )合作，通過使用試驗，開發滿足特定OEM用油要求的產品，并獲得其認證[3-4]。油品研發過程中一般采用Cat.1M-PC和CRC L-38發動機試驗來評價油品的高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性，本研究對研制的油品進行了Cat.1M-PC和CRC L-38發動機臺架試驗，其結果見表4。

表4 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油發動機臺架試驗數據

表4(續)

由表3和表4可見，研制的國Ⅵ重負荷燃氣發動機油基本理化數據滿足質量指標要求，并通過了Cat.1M-PC和CRC L-38臺架試驗，表明該油品具有優異的黏度保持性、高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性。

3 國Ⅵ重負荷燃氣發動機油在重型燃氣發動機的應用

將研制的國Ⅵ重負荷燃氣發動機油應用到某重型燃氣發動機進行性能評價，并對油品的黏度、酸值、氧化值、硝化值和主要磨損金屬元素鐵含量進行了跟蹤評價，具體結果見圖1～圖4。

圖1 油品100 ℃運動黏度的變化趨勢

圖2 油品酸值的變化趨勢

圖3 油品主要磨損金屬元素Fe含量的變化趨勢

圖4 油品氧化值、硝化值的變化趨勢

由圖1～圖4可以看出，在整個試驗過程中，油品黏度變化平緩，具有優異的黏度保持性；油品的酸值變化值經過1000 h的考核，沒有出現明顯的上升，說明油品沒有出現過度氧化后酸性物質的增加；油品的氧化值和硝化值隨著試驗時間的延長，呈現了增加的趨勢，但增勢緩慢，抗氧化性能優異；主要磨損金屬元素含量處于較低范圍內，說明發動機磨損小，油品潤滑性能和抗磨損性能優良。

4 小結

(1)國Ⅵ重負荷燃氣發動機油對潤滑油在抗氧化性、高溫清凈性、抗磨損性等方面提出了更加苛刻的要求；

(2) 研制的國Ⅵ重負荷燃氣發動機油通過了Cat.1M-PC和CRC L-38臺架試驗，并經過重型燃氣發動機考核試驗表明，油品具有優異的黏度保持性、高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性。