一种燃气发动机专用油的开发与应用研究

赵艳丽+等

摘要：文章阐述了一种燃气发动机专用油在某公司道路和运输车辆上的应用研究，通过对在用油的分析监测表明：燃气发动机专用油具有优异的黏度和碱值保持性、抗氧化、抗硝化以及抗腐抗磨损性，可满足道路和公交车辆上燃气发动机的用油要求。并考察了不同运输条件下对油品性能的影响。根据实验数据结果初步确定了该油品在道路和公交车辆上的换油周期，为不同类型运输车辆上的燃气发动机合理用油提供技术支撑。

[HT5”H]关键词：燃气发动机专用油；公交车辆；道路运输；换油周期

[HT5”H]中图分类号：TE62632文献标识码：

Development and pplication of Gas Engine Oil

ZHO Yan-li， HE Chan-hong， WNG Xue-mei， PEI Yang， LIN Xiu-zhuan， SHI Shun-you

（aoming Branch， Sinopec Lubricant Company Limited， aoming 52501 China）

bstract：In this paper， a kind of gas engine oil was used in a company road and transportation vehicles On-line used oil analysis and monitoring result showed that this oil possesses excellent viscosity， TBN retention， anti-oxidation， anti-nitration， corrosion inhibition and anti-wear performances and it can meet the requirements of the road transport vehicles and bus-gas engine The effect of different transportation situation on the property of oil was investigated Based on the experimental results， the reasonable oil drain intervals was confirmed， which provided a technical support for reasonable use of oil of different types of gas engines

Key words：gas engine oil； bus； road transport vehicles； oil drain intervals

0引言

近年来，由于石油资源的日益减少、能源危机的出现和环保法规的日益严格，使得代用燃料的使用越来越广泛，天然气、石油气等气体燃料的广泛使用[1]，加之政府强大的补贴政策，促使以气体为燃料的发动机车辆越来越多地出现在公交、道路运输系统中。在众多的气体燃料中，液化天然气（LNG）以其安全性能高、体积小、纯度高、组分单一、更便于远程运输的优势，最为广泛被使用。

本文针对燃气发动机及LNG燃料的特点，专门研制了一种适用于燃气发动机上使用的燃气发动机专用油，并在某公司搭载WP7NG270E0燃气发动机的公交和道路运输车辆上分别进行了应用研究，对在用油进行跟踪、监测，分析数据表明：燃气发动机专用油具有优异的黏度保持性能、抗氧化、抗硝化及抗磨性能，可满足以液化天然气为燃料的公交及道路车辆的使用要求。

1实验部分

11实验目的

目前世界上还没有燃气发动机油的统一标准和台架试验评定方法[2]，各主要发动机生产商（OE）根据其自身发动机特点和实际使用工况对燃气发动机油的要求也不尽相同。因此，对于燃气发动机油来讲，通过实际行车试验更能全面、准确地考察油品的高温抗氧化性能、抗磨性能及综合使用性能。

本实验选取了运输路线相同的2辆公交车和2辆道路运输车开展试验。公交线路选择在真实的城市路况，车辆经常处于开开停停状态，发动机处于怠速、低速、重负荷等苛刻工况下。道路车辆选择高速、超载的线路，发动机经常处于运转时间长、温度高、重负荷的工况。

12样品研制过程[STBZ][WT5BZ]

[HTK]121燃气发动机的工作特点及对润滑油性能要求

天然气发动机的工作特点，可归纳总结为：“两高一难”，即燃烧室高温、燃烧室氮氧化物含量高和润滑难。具体如下：（1）燃烧室温度高：天然气主要为甲烷，由个C—H键组成，C—H键的比热高于传统液体燃料（汽油、柴油）C—C键，同时，天然气进入燃烧室后不同于液体燃料有气化吸热过程，冷却性能差，使燃烧室温度升高，其尾气温度比普通柴油发动机高165～235 ℃左右[3]。在这样的高温作用下，油品的氧化加速。因此，要求发动机油有更好的高温抗氧化性，以防止因发动机高温造成的机油氧化变质及黏度增长。（2）燃烧室氮氧化物含量高：虽然LNG、CNG为清洁环保燃料，但燃烧室高温会导致氮氧化物含量的升高，引发机油硝化变质，产生油泥，导致发动机的磨损，缩短机油使用寿命。因此，要求发动机油有更好的抗硝化能力。（3）难润滑：传统液体燃料是以小液滴的形态喷入汽缸，可润滑、冷却发动机进、排气阀和阀座；但天然气（LNG、CNG）是成气态进入汽缸，气体无润滑作用，易造成上述部件的磨损。因此，要求发动机油对进、排气系统有足够的保护，而机油中合适的硫酸盐灰分恰好能起到保护功能。发动机燃烧室温度高、天然气燃料无润滑作用不仅会使得气门和阀座摩擦副的磨损严重，也会使得天然气汽车的发动机配气机构，特别是凸轮-挺杆摩擦副处于边界润滑状态而出现磨损问题。因此，要求发动机油需要更好的抗磨损性能硫酸盐灰分是燃气发动机油的关键指标， 传统燃料（汽油、柴油）中有重组分，其燃烧后会产生烟炱，烟炱积累在排气门上，可以起到减少气阀与阀座的磨损，对发动机的排气门起到良好的润滑保护作用。但天然气没有重组分，只有通过积累在排气门上的灰分燃烧后形成的沉积物对其起到润滑保护作用。这层沉积物呈蓝灰色，积累起来需要一定的时间，积累的速度与机油灰分高低、油耗、气门与气门座之间的角度等有关。发动机在正常运行中，气门上沉积物积累过程是一个动态平衡，即在沉积物不断损失的同时，新的沉积物不断地补充[5]。

如果机油灰分过低，形成的沉积物过少，对阀门的润滑保护不够，则易导致阀门磨损和阀门嵌入；如果机油灰分过高，气阀上沉积物过多，易导致气阀上沉积物局部剥落形成高温气体窜气通道，出现阀门熔损，另外沉积物的积累也会导致活塞与缸套磨损、火花塞堵塞等问题。机油中的硫酸盐灰分与气阀上沉积物形成的多少有密切的关系，硫酸盐灰分高，则易形成沉积物，反之，亦然。

[HTK]122燃气发动机专用油配方考察

为满足国内大多数地区发动机使用环境要求，专用油黏度等级定为15W-0。

基础油的选择：由于燃气发动机专用油对高温抗氧化性能要求比较高，所以本配方中加入了一定量的抗氧化性能较好的Ⅱ、Ⅲ类基础油作为调合组分。

添加剂的选择：考察了不同清净剂的硬度，由于镁盐的硬度较大，对设备的磨损较大，所以选择了钙盐作为研制油品的添加剂。同时考虑到配方中添加剂中金属元素的含量决定了油品中硫酸盐灰分的含量，这些金属元素一部分是清净分散剂（Ca），另一部分是抗磨剂（Zn）。所以比较了不同类型钙盐添加剂中的硫酸盐灰分、磷、硫含量，数据见表1。为了满足燃气发动机油不同温度下的使用要求及低温启动性能，在油品中加入了一定量的黏度指数改进剂和降凝剂，聚α-烯烃降凝剂和聚甲基丙烯酸酯降凝剂对基础油馏分感受性较好，用量在06%～10%，样品即可满足油品的低温性能要求。乙丙共聚物（OCP）在增稠能力、剪切安定性、低温性能及耐高温性能等方面综合评价较好，能满足使用要求试验车辆装配发动机为WP7NG270E0，车辆编号分别为道路车辆-1、道路车辆-2、公交车辆-1和公交车辆-试验车辆设计行驶里程为30000 km，试验周期为8～10月，即环境温度为20～3 ℃，实验地点为广东省。试验车辆情况见表。

1取样、机油更换和补加

在热机状态下，将发动机中旧油放出，注入CNG/LNG燃气发动机专用油试验油，加至油尺上限；车辆原地启动15 min，进行清洗工作，清洗完毕后，停止运行，将试验油全部放出。然后更换新的机油滤清器、空气滤清器和燃油滤清器，重新加注试验油至油尺上限，发动机运转10 min后所取的油样为0 km样品。

试验车行驶到采样时间点时，在热车状态下，维持油温在60 ℃左右，采250 mL油样，作为最终的试验油样。并在样瓶上贴好标签，注明车号、取样日期、行驶里程、取样人。

在试验过程中，司机定期观察机油液面，如果机油液面高度低于 低液面（下限），补加适量新油，使机油液面上升至1/液面处，并做好试验期补加机油的记录，但取样前200 km内不得补加新机油。

15试验及监测内容

在试验周期内，分别对试验车辆的在用油进行分阶段取样，并对油品进行分析检测，检测项目包括常规理化指标、红外光谱和磨损金属元素三个方面，其中常规理化指标主要包括油品的100 ℃运动黏度、酸值及正戊烷不溶物；红外指标分析包括氧化值、硝化值；磨损金属分析，包括Fe、Cu、l、Cr、Pb等金属元素分析。

2结果与讨论

21100 ℃运动黏度

油品的运动黏度的变化趋势是反映油品实际使用效能的重要指标之一。油品在实际使用过程中的抗剪切、抗高温氧化性能主要通过其黏度变化程度来表征，油品黏度的变化趋势通常是先降低再升高，这主要是因为刚使用的新油由于受发动机摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指数改进剂由大分子剪切成小分子，致使油品的黏度明显下降，其后，随着发动机油使用小时数的不断增加，油品本身发生氧化并生成大分子胶质，再加上磨损金属和燃烧积炭的作用，使油品黏度缓慢回升，当油品黏度升高到一定程度时，将导致润滑不良现象发生，发动机产生事故的可能性增大[6]。100 ℃运动黏度变化趋势见图1。

由图1可以看出，燃气发动机专用油在整个试验过程中，100 ℃运动黏度主要呈现缓慢下降的变化趋势，但下降幅度较小，道路车辆由于长期高速行驶，发动机长期处于高温高负荷的条件，所以油品黏度下降较快，但维持在正常变化范围之内。说明油品具有优异的剪切安定性和黏度保持性。道路车辆在行驶20000 km之后，油品黏度呈现缓慢上升趋势并逐渐趋于平稳，公交车辆在15000 km之后同样出现此变化趋势，说明油品没有出现过度氧化而造成的油品黏度剧增现象，该油品可为道路和公交车辆提供良好的润滑保护。

22酸值

油品的酸值变化源于油品在使用中高温氧化产生的中间产物及燃烧产生的部分酸性物质，这些物质的存在表现为油品酸值增大。油品的总酸值变化预示着其氧化衰变的程度，油品在使用过程中由于氧化物、硝化物和硫化物等酸性物质的增加，使油品的酸值逐渐增大，这不仅会造成机械腐蚀，同时还会促进柴油机油的变质，生成油泥，增加机械磨损。酸值增加值的变化趋势见图2。

由图2可以看出，在试验过程中因油品氧化而产生酸性物质，使得油品的酸值逐步增大，公交车辆由于长期处于开开停停，怠速行驶等状态，所以酸值增加值较大于道路车辆。从变化趋势看，公交车辆在行驶约至15000 km时，道路车辆行驶到20000 km时，酸值变化区域平稳，到试验结束时，油品的酸值增值均未超过2 mgKOH/g，符合发动机油在使用过程中酸值增大的变化规律。

23碱值

油品碱值来源于油品中的碱性添加剂，其变化预示了油品的添加剂储备能力，表明了油品添加剂体系中某些有效组分的下降或耗尽情况，同时也反映了油品清净分散能力的衰变程度。油品在使用过程中，由于其碱性添加剂要中和氧化受燃烧废气影响而产出的酸性物质，从而使碱性物质损耗，致使油品的碱值下降。碱值的变化趋势见图3。

由图3可见，实验过程中油品的碱值呈现缓慢下降趋势，其中公交车辆的碱值下降幅度比道路车辆的大。原因可能是，公交车辆处于特殊的环境，形成的酸性物质较多，所以消耗了较多的碱值用于中和酸性物质。20000 km 之后油品碱值变化趋于平稳。

2正戊烷不溶物

正戊烷不溶物通常包含油品氧化产物、添加剂降解产物、发动机磨损金属、积炭及灰尘等不溶于有机溶剂的杂质的综合，其数值大小可间接反映油品氧化变质、添加剂消耗及油品的受污染程度。正戊烷不溶物变化趋势见图。

由图可知，燃气发动机专用油的正戊烷不溶物含量在整个行车试验过程中呈现逐步增大的变化趋势，但始终处于非常小的范围内，未超过01%，油品表现出优异的抗氧化性能。

25氧化值和硝化值

由于天然气的燃烧值较高，以天然气为燃料的发动机温度会高于普通汽、柴油发动机，因此，对其发动机油提出了更苛刻的抗氧化和抗硝化要求。在此次试验过程中对油品的氧化值和硝化值进行了检测，具体结果见图5和图6。

由图5和图6可知，随着行驶里程的逐步延长，油品在使用过程中不断氧化、硝化，使得油品的氧化值和硝化值呈现逐步增长的变化趋势。其中公交车辆由于其特定的工况，油品衰变程度略大于道路车辆。试验结束时，油品的氧化值和硝化值仍然处于较低水平，说明试验油品具有很好的抗氧化和抗硝化能力。

26金属元素

在用油中的Fe、Cu、l、Cr、Pb等金属元素含量可直接反映发动机各主要摩擦副在运行过程中的磨损情况，行车试验后，油品的元素含量变化见图7～图11。

可见，试验油品中的磨损金属元素含量呈现缓慢上升趋势，数值较小，说明油品具有很好的抗磨损性能。

3结论

（1）整个行车试验过程中，车辆运行平稳，车辆行驶状况正常。燃气发动机专用油表现出了很好的黏度保持性能和碱值保持性能，而且抗氧化性能及抗磨性能优异，可满足公交车辆和道路车辆的使用要求。

（2）通过实验数据可知，油品在公交车上的衰变速率要快于道路车辆，建议在公交车上使用周期为20000 km；在道路车辆上使用时，可适当延长换油周期至30000 km。

参考文献：

[1]赵正华，汤仲平，金鹏 国内固定式燃气发动机油发展现状及其性能特点[J]润滑油，20126（6）：12-13

[2] 赵正华，刘志勇，张勤 一种长换油期重负荷燃气发动机油的应用研究[J]润滑油，2029（2）：6-9

[3]余柏强天然气发动机对润滑油的要求[J]汽车工艺与材料，2006（9）：7-9

[]朱和菊固定式天然气发动机的特点及润滑要求[J]石油商技，2012（5），22-23

[5] 姚文钊低硫酸盐灰分、低磷和低硫发动机油添加剂发展现状及趋势[J]润滑油，2009，2（1）：8-53

[6] [JP3]徐金龙，赵波CF- 15W-0柴油机油在HC132UPSS型柴油机上的考核性研究[J]润滑油，2009，2（2）：2-26

[7] 佘海波双燃料发动机油的开发与应用[J]润滑油，20128（）：10-17