甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油理化性能指標(biāo)研究

曹 聰 段衛(wèi)宇 劉 輝 張 斌 李 響 王美臻

（1-遼寧省檢驗檢測認(rèn)證中心 遼寧 沈陽 110032 2-遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 3-國家石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（沈陽） 4-遼寧三特石油化工有限公司）

引言

為了加速推進(jìn)全球氣候治理進(jìn)程，我國于2020年提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。促進(jìn)能源需求轉(zhuǎn)型，高效開發(fā)和利用環(huán)保能源成為我國可持續(xù)發(fā)展的主要方向。甲醇燃料是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型替代能源。相比于乙醇燃料[1]，甲醇燃料制備來源多樣、可合成范圍廣泛，是以“降低能耗、減輕污染、低碳利用、循環(huán)發(fā)展”為特征的能源。

甲醇分子中只包含氫、碳、氧3 種元素，其含氧量達(dá)50%，不含硫和其他有機(jī)化合物，具有燃燒速度快、放熱快、尾氣排放污染少等特點[2]。甲醇燃料的辛烷值可達(dá)106～112，發(fā)動機(jī)可在較高的壓縮比下工作，從而可提高發(fā)動機(jī)的輸出功率和熱效率，同時可減少燃料消耗量[3-4]。另外，甲醇也是一種性能優(yōu)良的有機(jī)溶劑，能有效地消除油箱及油路中凝結(jié)和沉淀的雜質(zhì)，可以很好地起到疏通油路的作用，還可以有效地消除火花塞、氣門、排氣管等部件的殘?zhí)俊３艘陨蟽?yōu)點，甲醇本身的一些特性限制了其推廣使用[5]。甲醇具有極強(qiáng)的極性，對汽車所用金屬、橡膠及塑料部件均有不同程度的影響。甲醇的汽化潛熱是汽油的3～4 倍，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷起動時，需要吸收更多的熱量才能將進(jìn)氣管道中的甲醇蒸發(fā)[6-7]。甲醇燃料在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過程中會生成一些高粘度的酯，不但影響潤滑油的流動性能，而且當(dāng)酯含量不斷增加時容易與潤滑油內(nèi)的雜質(zhì)、水和金屬磨損顆粒等吸附在一起形成油泥，影響散熱效果。

由于甲醇燃料的上述特性，目前市場上使用的汽油機(jī)潤滑油和柴油機(jī)潤滑油在性能以及級別上均不能滿足甲醇燃料發(fā)動機(jī)對潤滑油性能的要求，需要通過調(diào)整潤滑油添加劑的配比來得到甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油。國內(nèi)有眾多汽車和潤滑油生產(chǎn)廠商長期投身于甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的研究開發(fā)[8]。遼寧三特石油化工有限公司的研發(fā)人員采用氟直鏈己醇和硝酸鈀制備成膠體溶液a，加入丙烯酸，生成含有鈀離子的丙烯酸全氟己酯；采用全氟直鏈癸醇和硝酸鈀制備成膠體溶液b，加入丙烯酸，生成含有鈀離子的丙烯酸全氟癸酯；將丙烯酸全氟己酯和丙烯酸全氟癸酯混合并加入引發(fā)劑，生成的產(chǎn)物與按遼寧三特石油化工有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/LSY 005-2018 生產(chǎn)的甲醇燃料發(fā)動機(jī)潤滑油進(jìn)行合成反應(yīng)，生產(chǎn)出抗泡沫甲醇汽車發(fā)動機(jī)潤滑油[9]。

本文開展甲醇燃料發(fā)動機(jī)行車試驗，分析潤滑油的運動粘度、堿值、磨損元素、污染元素及水分等理化性能指標(biāo)。通過與普通汽油發(fā)動機(jī)潤滑油和普通柴油發(fā)動機(jī)潤滑油進(jìn)行比較，驗證純甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油和甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的性能。

1 試驗

1.1 樣本采集

本次試驗所用潤滑油為遼寧三特石油化工有限公司生產(chǎn)的SN 質(zhì)量等級抗泡沫甲醇汽車發(fā)動機(jī)專用潤滑油和CI 質(zhì)量等級抗泡沫甲醇汽車發(fā)動機(jī)專用潤滑油，參比潤滑油為遼寧三特潤滑油有限公司生產(chǎn)的SN 質(zhì)量等級汽油發(fā)動機(jī)潤滑油和CI 質(zhì)量等級柴油發(fā)動機(jī)潤滑油。

行車試驗所用車輛由汽油車和柴油車改裝而成。試驗前分別加注普通潤滑油和甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油，并在行駛0 km、5 000 km、10 000 km后從發(fā)動機(jī)油底殼抽取150 mL 樣品進(jìn)行理化性能檢測，考察潤滑油在實際行車條件下的性能。由于將普通汽油機(jī)潤滑油用于甲醇燃料發(fā)動機(jī)中，在車輛行駛至5 000 km 時，已達(dá)到臨界使用狀態(tài)，故未進(jìn)行10 000 km 的普通汽油機(jī)潤滑油理化性能檢測。

1.2 檢測儀器

試驗所用檢測儀器見表1。

表1 試驗用檢測儀器

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 運動粘度

表2 為普通潤滑油和甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油在車輛行駛0 km、5 000 km、10 000 km 后的運動粘度檢測結(jié)果。

表2 不同潤滑油的運動粘度檢測結(jié)果 mm2/s

不同潤滑油的運動粘度隨行車?yán)锍套兓闆r如圖1 所示。

圖1 不同潤滑油的運動粘度隨行車?yán)锍套兓闆r

甲醇燃料及其生成的甲酸、甲醛等物質(zhì)溶解到潤滑油中，將與粘度指數(shù)改進(jìn)劑的高分子聚合物進(jìn)行反應(yīng)，改變其高分子鏈結(jié)構(gòu)，失去伸縮能力，從而造成潤滑油粘度調(diào)解能力下降。從圖1 可以看出，在純甲醇燃料發(fā)動機(jī)上，使用甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油時的運動粘度下降比使用普通汽油機(jī)潤滑油時慢，粘度變化率小；在甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)上，使用甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油時的運動粘度下降比使用普通柴油機(jī)潤滑油時慢，粘度變化率小。從圖1 還可以看出，在車輛運行的前5000km，粘度變化率比較大；在車輛行駛至5 000 km 以后，粘度變化率比較小。這主要是由于在車輛運行前期，有一部分燃料進(jìn)入潤滑油中，造成潤滑油稀釋，從而顯著降低了粘度。而在車輛行駛至5 000 km 以后，由于潤滑油中水分增加，加速了潤滑油乳化；另外，潤滑油被污染后會產(chǎn)生不同種類的粘性物質(zhì)，導(dǎo)致后期粘度下降較慢。從粘度變化情況來看，在車輛行駛至10 000 km 時，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的運動粘度仍滿足12.5～16.3 mm2/s 的運動粘度標(biāo)準(zhǔn)要求，確保發(fā)動機(jī)正常運行。

2.2 堿值

與汽油機(jī)相比，甲醇燃料發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生更多的油泥和甲酸等物質(zhì)。油泥是燃燒不充分產(chǎn)物聚合后與潤滑油中水分混合生成的，會使發(fā)動機(jī)潤滑油中的積碳不斷增加，并附著在油箱上，阻止油泵吸油，并堵塞濾網(wǎng)[10]。而甲酸等酸性物質(zhì)不斷消耗潤滑油中的清凈分散劑，同時降低潤滑油的堿值。不同潤滑油的堿值（以KOH 計）檢測結(jié)果見表3。

表3 不同潤滑油的堿值（以KOH 計）檢測結(jié)果mg/g

通過表3 可以看出，在新油狀態(tài)下，純甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值比普通汽油機(jī)潤滑油的堿值略高，甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值比普通柴油機(jī)潤滑油的堿值略高。在車輛行駛至5 000 km 時，普通汽油機(jī)潤滑油的堿值遠(yuǎn)低于純甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值。而在車輛行駛至10 000 km 時，普通柴油機(jī)潤滑油的堿值低于甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值。說明甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油具有良好的堿值保持性，可以有效地保證潤滑油的酸中和能力。

2.3 磨損元素及污染元素

由于甲醇燃料自身的燃燒特性，對抗磨劑的主要成分二烷基二硫代磷酸鋅（ZnDDP）有破壞作用，大大降低了潤滑油的抗磨損性能，對發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。由于發(fā)動機(jī)的主要磨損多發(fā)生在以鐵、鋁、銅材質(zhì)為主的缸套、曲軸、活塞環(huán)等零部件上，因此可通過潤滑油中鐵、鋁、銅元素含量的變化對磨損情況進(jìn)行評價。不同潤滑油中鐵、鋁、銅等主要磨損元素的檢測結(jié)果見表4。

表4 不同潤滑油中主要磨損元素檢測結(jié)果 μg/g

通過表4 中的數(shù)據(jù)可以看出，鐵元素為發(fā)動機(jī)最主要的磨損元素。在車輛行駛至5 000 km 時，普通潤滑油中的鐵元素已有很大程度增加，其中普通汽油機(jī)潤滑油中的鐵元素已超過汽油機(jī)潤滑油70 μg/g的換油指標(biāo)；在車輛行駛至10 000 km 時，普通柴油機(jī)潤滑油中的鐵元素已接近柴油機(jī)潤滑油150μg/g的換油指標(biāo)[11]。在甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油中，鋁元素基本隨著里程的增加平穩(wěn)增加；而普通汽油機(jī)潤滑油在車輛行駛5000 km 時的鋁元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油在車輛行駛10 000 km時的鋁元素含量，已超過30 μg/g 的換油指標(biāo)。銅元素在所有試驗潤滑油中含量均很低，隨著里程的增加僅有微小的增加；相比于普通潤滑油，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油中的銅元素增加更少。

硅元素是一種主要污染元素。當(dāng)車輛行駛于灰塵嚴(yán)重的環(huán)境中或空氣濾清器不正常時，會導(dǎo)致潤滑油中的硅含量顯著增加，造成發(fā)動機(jī)零部件磨損。不同潤滑油中硅元素檢測結(jié)果見表5。

表5 不同潤滑油中硅元素檢測結(jié)果 μg/g

通過表5 可以看出，當(dāng)車輛行駛在10 000 km 之內(nèi)時，所有試驗潤滑油的硅元素均未超過汽油機(jī)潤滑油換油標(biāo)準(zhǔn)所要求的30 μg/g，均能滿足甲醇燃料發(fā)動機(jī)使用要求。

2.4 抗乳化性

甲醇燃料燃燒產(chǎn)生水分，這些水分如果無法及時排除而與潤滑油接觸，就會導(dǎo)致潤滑油出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。不同潤滑油的水分含量檢測結(jié)果見表6。

表6 不同潤滑油的水分含量檢測結(jié)果 %

從表6 可以看出，相比于普通汽油機(jī)潤滑油，純甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的水分含量增加程度減小。相比于普通柴油機(jī)潤滑油，甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的水分含量增加程度減小；在車輛行駛至10 000 km 時，普通柴油機(jī)潤滑油的水分含量已接近柴油機(jī)潤滑油換油標(biāo)準(zhǔn)所要求的0.2%，而甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油則使用狀況良好。

3 結(jié)論

通過對純甲醇燃料發(fā)動機(jī)和甲醇-柴油混合燃料發(fā)動機(jī)行車試驗中潤滑油理化性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，得到以下結(jié)論：

1）隨著車輛行駛里程的增加，試驗用潤滑油的運動粘度均呈下降趨勢，且車輛運行前期下降幅度大，車輛運行后期下降緩慢；甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油比普通潤滑油具有更好的粘溫性，在車輛行駛至10 000 km 時，發(fā)動機(jī)仍能正常運行。

2）當(dāng)車輛行駛在5 000 km 之內(nèi)時，隨著車輛行駛里程的增加，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值下降比普通汽油機(jī)潤滑油和普通柴油機(jī)潤滑油均緩慢；當(dāng)車輛行駛至5 000 km 以后，隨著車輛行駛里程的增加，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的堿值下降比普通柴油機(jī)潤滑油緩慢。可知，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油具有更好的堿值保持性。

3）隨著車輛行駛里程的增加，試驗用潤滑油中主要磨損元素鐵、鋁、銅均有不同程度的增加；甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油中，主要磨損元素鐵、鋁、銅的增加幅度顯著低于普通汽油機(jī)潤滑油和普通柴油機(jī)潤滑油。當(dāng)車輛行駛在10 000 km 之內(nèi)時，試驗用潤滑油中的主要污染元素硅均無明顯增加。

4）隨著車輛行駛里程的增加，試驗用潤滑油中的水分含量呈現(xiàn)上升趨勢。相比于普通汽油機(jī)潤滑油和普通柴油機(jī)潤滑油，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油中的水分含量增加較少。

5）以上試驗結(jié)果說明，通過采用甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油，一方面可以解決甲醇燃料在使用過程中出現(xiàn)的零部件磨損異常和潤滑油乳化、結(jié)焦、油泥等問題。另一方面，采用甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油，可延長潤滑油的換油周期。普通汽油機(jī)潤滑油的換油周期一般為5 000 km，甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油的換油周期可達(dá)7 000～1 0000 km。換油周期延長，既節(jié)約了保養(yǎng)成本，也降低了潤滑油的消耗量，從而可減少廢潤滑油產(chǎn)生的污染及處理成本。

6）僅僅采用甲醇燃料發(fā)動機(jī)專用潤滑油不足以解決甲醇燃料發(fā)動機(jī)的橡膠溶脹、冷起動困難等問題，需進(jìn)一步對發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、噴油系統(tǒng)、零部件材質(zhì)等多方面進(jìn)行優(yōu)化。