舷外機油的發展近況和趨勢

李凱,郭瓊心,張杰,王曉揚,陳立功

(瑞豐新材料股份有限公司,河南 新鄉 453700)

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展,近些年來我國舷外機的需求量越來越大。舷外機除用于水上運動外,還可用于沿海運輸業和娛樂業,品牌以Mercury、Honda、Yamaha、Suzuki、Kawasaki為主。

舷外機分為二沖程和四沖程,其中二沖程舷外機燃料和機油需要以20∶1～150∶1的體積比混合后使用,二沖程舷外機的曲軸每旋轉一周對外做一次功,而四沖程舷外機曲軸旋轉兩周才對外做一次功,因此理論上其功率是四沖程舷外機的兩倍,具有重量輕、功率大、結構簡單等一系列優點[1]。與此同時,二沖程舷外機由于其獨特的做功方式不可避免的使得其具有燃料經濟性差、廢氣排放量大的缺點,隨著環保法規日益嚴格,二沖程舷外機的應用在某些地區受到了一定程度的限制。相對而言,四沖程舷外機廢氣排放量小,克服了二沖程舷外機的缺點,特別是近些年來不斷完善的發動機制造技術,使得四沖程舷外機的故障率和生產成本都大幅度下降,因此四沖程舷外機有逐步取代二沖程舷外機的趨勢。

目前舷外機油普遍采用美國船舶制造商協會(National Marine Manufacturers Association,NMMA)的規格分類標準,該組織于1979年成立,其前身為船舶工業協會(Boating Industry Association,BIA),北美船用發動機和配件制造商為其主要成員。據不完全統計,NMMA成員生產了北美70%以上的舷外機油產品,因此在業內極具權威性,其宗旨是加強和發展游艇業,保護成員和客戶的利益。

1 二沖程舷外機油

1.1 規格發展現狀

早在1962年,BIA就制定了適用于二沖程舷外機的水冷二沖程汽油機油TC-W(Two-Stroke Cycle Water-Cooled)規格,其相當于日本汽車標準組織JASO制定的FD規格,但隨著二沖程舷外機的不斷發展,原有規格的舷外機油已不能滿足發動機的工況要求,于是NMMA于1988年提出了TC-W2規格[2-3],該規格進一步完善了臺架測試和發動機測試,比較接近當時二沖程舷外機的實際工況,因此該規格沿用了幾年。

20世紀90年代后,二沖程舷外機步入了高速發展期,各種新機型如雨后春筍般層出不窮,發動機結構的改進、燃料經濟性的提高導致二沖程舷外機呈現出功率大型化的發展趨勢,這使得原有TC-W2規格的舷外機油經常出現黏環、啟動功率不足等故障。于是NMMA于1992年公布了TC-W3規格[3],該規格除了進一步完善原有TC-W2規格要求的臺架測試外,還補充了一系列發動機測試,這對舷外機油的各項性能都提出了更高的要求,此后二沖程舷外機的生產制造技術取得重大突破,因此該規格沿用至今。不同規格二沖程舷外機油技術指標和性能要求如表1～3所示。

表1 不同規格二沖程舷外機油性能要求

表2 TC-W2規格要求[4]

表2(續)

表3 TC-W3規格要求[5～11]

從表1～3可以看到,TC-W3規格無論在臺架測試還是在發動機測試上都要比TC-W2規格更為嚴格,具體如下。

(1)臺架測試方面,TC-W3與TC-W2最主要的區別在于前者新增了舷外機油互溶性能評定測試,此外還對TC-W2原有的4個臺架測試進行了補充,如TC-W3混溶和低溫流動性能評定測試中新增了參比油和測試溫度。

(2)發動機測試方面,TC-W3與TC-W2最主要的區別在于前者新增了兩個舷外機油清凈性能評定測試,新增測試與原有TC-W2清凈性能評定測試程序類似,區別主要在于使用了Howell RSF環黏結燃料,這使得TC-W3發動機測試更為嚴格。此外,TC-W3還對TC-W2原有的3個臺架測試進行了補充,如潤滑性能評定測試中用高性能參比油NMMA XPA-3259代替低性能參比油NMMA 93738,早燃傾向評定測試中運行時間由原來的50 h延長至100 h,所有發動機測試均使用最新的二沖程舷外機等。

1.2 組成和性能要求

二沖程舷外機的特點在于運行過程中機油和燃料以一定比例混合后進入曲軸箱、氣缸和潤滑部件并燃燒,因此進氣、排氣過程幾乎同時進行,利用新氣掃除廢氣,導致潤滑系統和燃料系統無法分開,這種獨特的潤滑方式要求二沖程舷外機油具有以下特性。

(1)良好的混溶性能和低溫流動性能。由于二沖程舷外機油和燃料需要以一定比例混合后燃燒使用,因此需要機油與燃料有良好的混溶性能,這樣才能保證發動機運行過程中均勻潤滑和燃燒。此外,二沖程舷外機油箱經常暴露在外界環境中,這就要求機油具有良好的低溫流動性能。

(2)良好的防銹性能。工作在水面的二沖程舷外機經常暴露在高濕度含鹽環境中,特殊的工作環境導致發動機內部容易生銹,因此機油必須具有良好的防銹性能。

(3)無灰分。灰分易造成火花塞污染,導致早燃和沉積物的產生,這有悖于TC-W3規格要求的早燃傾向和清凈性能測試,因此NMMA規定二沖程舷外機油不能含有任何可能產生灰分的物質,如傳統的金屬清凈劑和ZDDP等。

(4)良好的潤滑性能和抗磨性能。二沖程舷外機油使用過程中由于燃料的稀釋作用導致油膜強度降低,因此要求機油具有良好的潤滑性能和抗磨性能,并能夠在高溫部件表面形成油膜,減少活塞環和氣缸磨損,防止活塞燒結,有效潤滑軸承。

(5)良好的清凈性能和排煙性能。二沖程舷外機功率大、負荷和工作溫度高,因此要求機油具有良好的清凈性能,這有利于抑制沉積物的產生,提高抗黏環性能。此外,考慮到環保因素,機油應盡可能充分燃燒以提高排煙性能,否則未完全燃燒的機油通過排氣孔時易結焦產生沉積物,造成排氣系統堵塞,進而影響清凈性能。

由于二沖程舷外機油屬于一次性潤滑,發動機內停留時間較短,因此對其抗氧化性能、抗剪切性能、抗泡沫性能等要求不高。基于此,二沖程舷外機油的組成如下。

(1)基礎油。目前二沖程舷外機油一般以中性油作為基礎油。在基礎油的選擇上,低黏度基礎油混溶性能好,燃燒充分,但潤滑性能不足;而高黏度基礎油潤滑性能好,但燃燒不充分,燃燒產物可能會在活塞頂部、活塞環和活塞內腔形成漆膜和積炭,影響發動機的清凈性能,因此經常選擇兩者組合來達到性能上的平衡。此外,加氫基礎油的低溫流動性能好于溶劑精制基礎油,而且芳烴含量少,燃燒充分,有利于保持發動機清潔[12]。

(2)聚異丁烯。近些年來,隨著環保法規日益嚴格,二沖程舷外機的尾氣排放成為一個不容忽視的問題。為了減少排放, 一方面可以提高燃油混合體積比,但過度提高該指標會導致機油潤滑性能下降;另一方面可以用聚異丁烯代替部分光亮油,光亮油的加入有利于提高活塞的抗燒結性能,但不利于發動機的清凈性能和排煙性能,而聚異丁烯進入燃燒室后迅速分解成自由基,在自由基的作用下進一步生成異丁烯并與燃料一起燃燒,抑制排氣口沉積物的產生,從而改善機油的清凈性能和排煙性能[13]。此外,聚異丁烯具有一定黏性,進入火花塞環孔后在急加速時不易迅速排出,從而減少急加速時出現的濃煙。聚異丁烯的加入量和分子量越大,排煙濃度越低,但過多的加入量和分子量過大會降低機油的低溫流動性能,因此需要在聚異丁烯的加入量和分子量之間尋求平衡。一般二沖程舷外機油聚異丁烯和光亮油的加入量為5%～20%。

(3)溶劑。為了提高二沖程舷外機油的混溶性能,需要向其中加入溶劑,溶劑中芳烴含量越少,燃燒越充分,清凈性能和排煙性能越好,常用溶劑為煤油,但有時也會使用高沸點溶劑來提高機油閃點,目的在于提高儲存和運輸的安全性。

(4)添加劑。由于NMMA規定二沖程舷外機油不能含有任何可能產生灰分的物質,因此添加劑以無灰分散劑為主。考慮到低溫流動性能和防銹性能,輔劑中應有降凝劑和防銹劑;考慮到燃燒產生的積炭不利于抗磨性能,輔劑中應有摩擦改進劑或無灰抗磨劑。

2 四沖程舷外機油

近年來,隨著環保法規日益嚴格和舷外機行業的快速發展,四沖程舷外機有逐步取代二沖程舷外機的趨勢。起初普遍認為四沖程舷外機和車用四沖程汽油機在發動機結構上沒有本質區別,因此可以將車用汽油機油直接用在四沖程舷外機上,但這樣做卻導致故障頻發。出現這種現象主要是因為四沖程舷外機工作環境和結構設計不同于普通的車用四沖程汽油機,具體如下。

(1)四沖程舷外機經常暴露在高濕度、含鹽環境中,特殊的工作環境導致發動機內部容易生銹,因此機油必須具有良好的防銹性能。

(2)四沖程舷外機內部結構緊湊,使得其過濾系統遠不如車用四沖程汽油機,因此機油必須具有良好的清凈分散性能。

(3)四沖程舷外機運行時負荷和工作溫度高,加上內部部件多且緊湊地被外殼包裹著,因此散熱更困難,這對機油的黏度保持能力提出了更高的要求。

基于此,NMMA于2004年公布了適用于四沖程舷外機油的FC-W(Four-Stroke Cycle Water-Cooled)規格。后來為了減少四沖程舷外機廢氣所產生的水污染,出現了帶后處理系統的新型四沖程舷外機,這種舷外機為了減少排放加裝了催化轉化器,因此也對機油提出了新的要求。于是,NMMA于2009年公布了適用于帶催化轉化器的四沖程舷外機油的FC-W Catalyst Compatible規格。目前這兩種規格同時存在,其中FC-W Catalyst Compatible規格可以兼容FC-W規格。不同規格四沖程舷外機油技術指標和性能要求如表4所示。

表4 FC-W和FC-W Catalyst Compatible規格要求[14-16]

表4(續)

需要說明的是,表4中關于磷元素和硅元素的限制只針對FC-W Catalyst Compatible規格,主要是因為這兩種元素易使催化劑中毒進而導致催化轉化器失效,FC-W規格對此無要求。此外,這兩種規格對高溫高剪切黏度的要求是針對經過柴油噴嘴剪切30個循環后的試驗油的,并非未剪切的新油,其他黏度要符合美國汽車工程師學會(Society of Automotive Engineers,簡稱SAE)公布的SAE J300黏度等級劃分。表4中僅銹蝕試驗和Yamaha GPET(General Performance Engine Test)發動機測試是NMMA內部試驗方法,表5簡要介紹了這兩種測試方法。

表5 FC-W、FC-W Catalyst Compatible臺架測試和發動機測試要求[14]

對比表2和表5不難發現,與TC-W3規格相比,FC-W和FC-W Catalyst Compatible臺架測試更接近舷外機的實際工作環境,而發動機測試新增了不同轉速間的切換,同時重點考察燃料稀釋率≮7%時機油的實際使用性能,這是TC-W3規格中所沒有的,因此FC-W和FC-W Catalyst Compatible要求也更嚴格。

對于四沖程舷外機油的組成,目前主流觀點認為FC-W規格至少與美國石油學會(American Petroleum Institute,API)SG汽油機油規格相當,FC-W Catalyst Compatible規格則至少與API SM/SN汽油機油相當,但考慮到四沖程舷外機工作環境和結構特殊性,還需要在汽油機油的基礎上添加一些特殊劑種,如防銹劑等。

3 結束語

近年來,隨著國民經濟的發展,我國舷外機的保有量越來越大,機型幾乎都是日本、美國等國的進口機器,這些大功率舷外機均要求使用經NMMA認證的機油。NMMA發布的信息顯示,截至2021年年底已有182個品牌的二沖程舷外機油注冊了TC-W3標識,54個品牌的四沖程舷外機油注冊了FC-W標識,65個品牌的四沖程舷外機油注冊了FC-W Catalyst Compatible標識[17-19]。以上注冊的舷外機油生產商均來自國外,目前國內并未報道通過NMMA認證的舷外機油,導致價格昂貴的進口舷外機油幾乎占領了國內市場。

自“八五”計劃以來,國內科研人員對舷外機油進行了科技攻關,孫瑞華等[20]研制的TC-W3舷外機油不僅滿足了NMMA要求的臺架測試,而且在Mercury生產的60HP舷外機上經250 h系泊試驗后綜合使用性能優于進口參比油,趙巍等[21]研制的TC-W3舷外機油與進口參比油在Quicksilver生產的150HP舷外機上的綜合使用性能相當,中國石油化工有限公司蔡文通等[22]研制的FC-W3舷外機油具有良好的潤滑性、清凈性和防銹性的同時,通過了Yamaha 115HP GPET發動機測試,可滿足NMMA FC-W規格要求。相信不久的將來,市場上會出現物美價廉的國產舷外機油。