生物柴油对发动机润滑油性能的影响

【日】 土橋敬市

0 前言

目前，作为生物柴油被广泛使用的燃料是脂肪酸甲酯（FAME）。各国所采用的FAME 原料种类都各不相同，而不同原料的FAME 组分、特性及混合比例也各有差异，从而导致这些FAME 燃料在应用时对发动机的影响也不相同，研究人员正在对这些现象加以研究。欧洲的一些国家使用菜籽油甲酯（RME）原料，泰国、印度尼西亚及马来西亚等国使用棕榈油甲酯（PME）原料，美国使用大豆油甲酯原料，而日本则使用进口的FAME 燃料，同时在京都等地区也在使用以废弃食用油甲酯（UME）为原料的FAME 燃料。FAME 的利用主要采用与柴油混合的方式，大部分国家都采用FAME 混合比例为5%（B5）的混合燃料。如图1 所示，日本由于受2005年前后原油价格上涨的影响，柴油价格也随之上升，因而在燃用FAME 混合燃料时，多数采用B5或FAME比例超过B5 的燃料。但当时也有报告称，因燃用FAME 燃料而导致发动机系统出现故障[1，2]。另一方面，在欧洲，正在为提高FAME 混合比例而开展EN 规格修订等相关研讨工作。此外，作为“日本汽车燃油规划”中的一部分，研究人员正在对FAME比例超过B5燃料的混合燃料对发动机的影响开展相关的调查研究。从FAME混合燃料的影响来看，主要有对发动机性能及排放的影响，以及对排气后处理系统和燃油系统的影响[3，4]，还有包括发动机润滑油品质在内的对润滑系统的影响[5]等，本文介绍了FAME混合燃料对柴油机润滑油特性及润滑系统零部件的影响。

1 从市场回收的发动机润滑油及其特性分析

作为日本国内市场FAME 混合燃料对发动机润滑油影响的调研实例，表1 给出了从燃用UME混合燃料的车辆上回收的发动机润滑油特性调研结果。样本A 和样本B 是从配备了柴油颗粒过滤器（DPF）的车辆上回收的发动机润滑油，样本C 是从未配备DPF的车辆上回收的润滑油。另外，润滑油样本的回收和特性调查也是发动机故障原因调查的环节之一，因而各被试车辆至少都有1年左右燃用UME燃料的经历。

调研结果表明，发动机润滑油动黏度的变化有2种情况：受燃料稀释的影响，动黏度明显降低（样本A 和样本C）；受发动机润滑油老化的影响，动黏度明显增加（样本B）。同样，总酸值和总碱值的变化也存在超出使用限度和在容许范围内2种情形。另一方面，从发动机润滑油中的水分含量来看，3种样本均处于相对较高的水平。由于发动机润滑油中的添加剂可能会发生加水分解等现象，因此认为，润滑油中的水分含量也应予以关注。另外，利用{[1-（A 方法的不溶解成分/B 方法的不溶解成分）]×100}得出的离散指数处于相对较低的水平。一旦离散指数过低，发动机润滑油中的不溶解成分就会沉积在发动机内部零部件的表面，并导致零部件表面的清洁度恶化。此外，不溶解成分也有可能会在零部件的滑动部位析出，引起油膜破裂等现象，所以，离散指数也极为重要。

表1 回收的发动机润滑油特性

图2为出现故障的发动机吸油滤清器的外观。由图2可见，由于发动机润滑油的离散指数降低，润滑油中的不溶解成分沉积下来，并形成淤泥状。该实例是燃用UME B100燃料的情形，但即使燃用不同的FAME或FAME 混合柴油，也有可能会出现同样的现象，因此认为在这种情况下，必须对发动机进行适当的检修与保养。

2 发动机润滑油中的柴油及UME残留率比较

前文已介绍了从燃用UME 燃料的车辆上回收的发动机润滑油特性调研结果，已经明确，无论是否配备DPF，都存在动黏度大幅降低的情况。

动黏度降低的原因可归结为是受到了黏度指数改进剂（聚合物）剪切效应的影响，以及受因燃料混人而导致润滑油被稀释的影响。针对燃用FAME或FAME混合柴油的车辆，在研究燃料对发动机润滑油稀释的影响时，必须要掌握柴油及FAME 的蒸发 特 性。图3 为JIS 2 号 柴 油、UME B100 与 发 动机润滑油（10W-30）的蒸发温度比较。结果表明，UME的蒸发温度高于柴油的，并接近于润滑油的水平。

根据这一情况，可推测当UME 混人发动机润滑油中时，润滑油中积聚的UME 量会比柴油的量相对多一些。为确认上述推测，参考用于确认发动机润滑油性能的方法，即氮氧化物冒泡试验法，利用吹人空气的方法，研究了上述2 种燃料的UME 残留率。发动机润滑油的试验温度为100℃和120℃，试验时间为24 h。图4为试验结果。当发动机润滑油温度为100℃时，UME 不会蒸发，几乎全部残留在发动机润滑油中。另一方面，当发动机润滑油温度为120℃时，UME 的蒸发率约为10%，残留在润滑油中的量约为柴油的2倍。

综上所述，在燃用FAME 或FAME 混合柴油的车辆上，当燃料混人发动机润滑油中时，润滑油中的FAME浓度会比柴油的浓度相对高一些，并且这一现象与温度也有一定关系。根据上述分析可知，在发动机润滑油温度相对较低的情况下，有可能会发生因FAME 的混人导致发动机润滑油动黏度降低，以及发动机油压降低等现象的发生。

3 燃料稀释对发动机润滑油特性的影响

为验证上述观点，在发动机新品润滑油中混人柴油及FAME，研究了发动机润滑油的特性变化情况。试验用燃料样本为JIS 2号柴油和RME B100。试验用发动机润滑油的黏度等级为10W-30和15W-40。对于黏度等级为10W-30的发动机润滑油，比较了混人柴油及RME后对其动黏度及总碱值的影响。对于黏度等级为15W-40的发动机润滑油，则调研了与10W-30润滑油相比，燃料稀释对动黏度影响的缓和效果。图5 为100℃下动黏度变化的比较。图5中的动黏度变化显示了相对10W-30润滑油初期动黏度（n＝3的平均值）的相对值。如图5所示，由于RME的混人，10W-30润滑油动黏度降低的程度几乎与柴油的情况相同。另外，在采用15W-40润滑油的情况下，当柴油稀释率为10%时，润滑油的动黏度与10W-30润滑油的初期值相同。

图6表示燃料稀释与钙（Ca）含量及总碱值的关系。发动机润滑油中添加的碱性清净剂浓度与燃料稀释率成正比地降低。另外，随着碱性清净剂浓度的降低，总碱值也成比例地降低。在JIS 2号柴油和RME B100中都存在这一关系，这是添加剂对燃料稀释的影响。

根据以上分析可知，发动机润滑油中混人的FAME具有与混人柴油同等程度的影响，包括会降低发动机润滑油的动黏度，以及降低添加剂的浓度并改变其特性，而在使用15W-40润滑油的情况下，则能保持相对较高的动黏度。

4 发动机试验

下面介绍使用4 L 排量发动机，以及以柴油、PME及RME混合柴油为燃料进行耐久试验时所获得的结果[5]。耐久试验时间是以全负荷运转300 h，包括节假日停机在内，试验共持续40天。

试验条件有2种：（1）将相当于发动机润滑油总量5%的试验用燃料，每天1次添加到发动机润滑油中，即5%燃料添加条件；（2）不添加试验用燃料。

试验用发动机润滑油的黏度等级为10W-30，对发动机润滑油要在规定间隔时间内采样，分析总碱值、总酸值、动黏度、酸浓度，以及对部件的磨损等数据。

4.1 燃料稀释对发动机油压的影响

为确认燃料稀释对发动机油压的影响，利用PME B20燃料，以5%燃料添加量为前提条件，研究了在耐久试验中监测到的发动机油压与润滑油样本在100℃下动黏度的关系。图7为研究结果。结果显示，发动机油压的降低与润滑油动黏度的降低大致成正比。在这一区域内，发动机润滑油的动黏度降低及发动机油压的降低均起因于发动机润滑油中积聚的燃料的稀释作用。

另一方面，随着耐久试验时间的推移，发动机润滑油中的碳粒及老化物等开始增加，动黏度也随之增加，发动机油压同样也呈升高的趋势。在这一区域，发动机润滑油的动黏度增加及发动机油压的升高均起因于发动机润滑油的老化影响。由此认为，在发动机润滑油中混人燃料后会出现以下2 种情况：（1）因燃料稀释作用，对发动机油压产生明显的影响；（2）因发动机润滑油的老化而产生的影响。根据使用的发动机润滑油品质（添加剂配方）、黏度等级、发动机运转条件及发动机油温等参数的不同，上述因素对发动机油压的影响程度也会各不相同。

如果因燃料稀释的影响而导致发动机油压低于一定水平，则会对发动机气门机构零部件的润滑油供给量、用于活塞冷却的冷却液喷射量，以及轴承部位的油膜厚度等带来不利影响，所以，日常使用中必须进行适当的检修和保养。

4.2 对总碱值及总酸值的影响

图8为在上述5%燃料添加量和采用PME B20燃料的条件下，经耐久试验后得出的总碱值和总酸值变化。此外，总酸值用以初期值为基准的增量（总酸值增量）来表示。在超过240 h的时间点，总碱值大致降低到1 mg KOH/g，并与总酸值增量的曲线交叉。而经过该交叉点之后，总碱值呈急剧降低的趋势，总酸值增量呈急剧增加的趋势。根据这一情况，可以认为在本试验条件下，试验用发动机润滑油的使用极限约为240 h。

为了调研引起总碱值及总酸值增量急剧变化的原因，研究了发动机润滑油中抗氧剂浓度的变化。图9为研究结果，所使用的2种抗氧剂在200 h后消失。基于这一情况，可认为总碱值及总酸值增量的急剧变化应归因于发动机润滑油中抗氧剂性能的降低。因此，考虑到FAME 混人对抗氧剂性能所产生的影响，必须对抗氧剂的类型及添加量予以优化。

4.3 对不溶解成分浓度的影响

上述抗氧剂的消失也会影响发动机润滑油中不溶解成分的浓度。图10为相关研究结果。直至残留有抗氧剂的200 h 为止，残留碳的增量与耐久试验时间成比例缓慢增加。但是，在抗氧剂完全消失的240 h 以后，残留碳的增量的增加相对更快。此外，戊烷不溶解成分的增加也在240 h 以后相对更快，具有与残留碳的增量同等的增加速度。另一方面，甲苯不溶解成分的增加速度相对较慢。根据上述情况，可认为由于发动机润滑油中抗氧剂的消失，导致润滑油快速氧化老化，并生成了溶解于甲苯的老化物。另外，在该试验中，并没有报告如表1所列的离散指数降低，以及发动机的内部污染等情况。

4.4 对酸浓度的影响

研究了在5%燃料添加量及采用PME B20燃料的条件下发动机润滑油中的酸浓度。图11 的研究结果表明，硫酸离子浓度与耐久试验时间呈正比增加。硝酸离子浓度则显示出抛物线状的增加趋势，并在约200 h的时间点达到峰值。硝酸离子浓度转为减少趋势是在抗氧剂消失之后，但在这一时期，同时生成了硝酸酯。硝酸离子浓度降低的原因之一可认为是发动机润滑油中硝酸离子与源自PME 的酯发生反应的缘故。另一方面，发动机润滑油中的甲酸浓度能在约40 h内达到峰值，随后呈缓慢减少趋势，但在抗氧剂消失之后，甲酸浓度则转为增加趋势。根据以上研究结果，可认为发动机润滑油的抗氧剂性能对无机酸及有机酸的变化也会产生影响。

4.5 对轴承材料的影响

在相同的试验条件下，研究了发动机润滑油中的铜（Cu）和铅（Pb）的浓度。图12为研究结果。Pb浓度在抗氧剂消失的200 h后快速增加。此外，Cu浓度也从200 h 后稍有增加，认为这是受到了源自PME的有机酸及发动机润滑油老化的影响。在全新开发的发动机上，已开始实施轴承材料的无铅化措施，但对已售的旧型号发动机，就有必要在发动机润滑油方面采取相应的技术措施。

也有文献报道，可以通过改变发动机润滑油中添加剂的配方，抑制Cu 和Pb 的析出。在高浓度FAME混合柴油的相关研究中，必须高度关注发动机润滑油的品质。

4.6 对活塞环及气缸套磨损的影响

为了研究对活塞环及气缸套磨损的影响，进行前文所述的耐久试验，并给出了在以下2种条件下的结果：（1）采用PME燃料和C 类润滑油，在5%燃料添加量的条件下进行耐久试验；（2）使用RME 燃料、柴油及A 类润滑油，在不添加燃料的条件下进行耐久试验[5]。图13 为研究结果。活塞环磨损是指与气缸套接触的活塞环外圆面磨损。气缸套磨损则是指在活塞上止点处与第1道活塞环接触的气缸壁滑动面磨损。图13显示的磨损量均为以柴油试验所获得的磨损量平均值为基准的相对值。在燃料不稀释的条件下，如果增加RME 的混合比例，则活塞环磨损呈增加趋势。另一方面，在5%燃料添加量的条件下，燃用PME B20的活塞环磨损与燃用PME B5的活塞环磨损相比略有减轻，而在5%燃料添加量的条件下对其影响并不明显。但据报道，利用排量8 L的发动机燃用PME燃料，并且在不添加燃料的条件下进行耐久试验得出的结果表明，活塞环的磨损呈增加趋势。在该试验中，没有实施发动机润滑油的燃料稀释研究，但在增加FAME 的混合比例后，检测出润滑油在100℃下的动黏度呈下降趋势，所以认为，实质上是存在燃料稀释的现象。根据以上分析得出，随着发动机润滑油中混人的FAME 混合柴油的形态不同，其对活塞环磨损的影响程度也可能不同。从气缸套的磨损来看，无论是否添加燃料，以及在任何FAME 混合比例下，FAME 混合柴油的影响均不明显。为了提高燃料稀释影响的检测精度，有必要通过DPF 用的后喷射，并基于燃料稀释及长时间耐久试验进行相关验证。

5 结语

以市场回收的发动机润滑油研究结果及发动机耐久试验结果为例，证实燃用FAME 或FAME 混合柴油时，燃料对发动机润滑油及润滑系统零部件的影响程度有可能相对增大，因而必须对发动机进行适当的检修和保养。发动机润滑油中混人的FAME较难蒸发，并会积聚在发动机润滑油中，同时，润滑油中的添加剂等会降低其自身的动黏度，并改变总碱值等润滑油特性参数，其结果是对发动机油压及发动机润滑油性能产生负面影响。