甲醇发动机专用润滑油的应用研究

姚文钊 李广涛 王志文 王斌文

1 西安石油大佳润实业有限公司

2 平凉中力新能源科技有限公司

本文选取平凉中力新能源甲醇出租车有限责任公司的吉利牌M100甲醇汽车进行道路行车试验研究，通过油品理化指标检测、性能评价及油品中金属元素含量变化，考察了研制开发的甲醇发动机专用油在实际行驶条件下的综合使用性能。结果表明，研制油品具有优良的酸中和能力和碱值保持性、优异的高温抗氧化及抗磨损性能，可以满足M100甲醇燃料发动机的使用要求。

随着人们节能和环保意识的增强，对大气质量的控制以及汽车排放提出了严格要求，开发代用燃料成为时代紧迫的任务之一。针对我国富煤少油的能源结构特点，发展煤基甲醇燃料，降低对石油的依赖，是我国车用能源多元化战略的重要组成部分，有利于缓解我国目前石油紧缺现状，促进我国汽车工业稳步发展，改善大气、实现节能减排，保证国民经济的持续发展[1]。

近年来，甲醇作为汽车发动机的一种代用燃料已经得到了广泛研究和应用。醇类燃料的特点是辛烷值高、蒸发潜热大，因此允许发动机在较高的压缩比下使用，其结果可以改善发动机的热效率和输出功率[2]。另一方面，醇类燃料又因其较高的蒸发潜热、单一的沸点、较低的蒸气压等特点，在较低温度下影响发动机的动力性能[3]。同时，甲醇在燃烧过程中容易生成甲醛、甲酸等酸性物质，且甲醇及其燃烧产物很容易窜入曲轴箱中和发动机油溶在一起；甲醇会导致发动机油中的黏度指数改进剂从发动机油中以油泥的形式沉淀出来；燃烧过程中生成的酸性物质可加剧发动机的磨损，加速发动机油的劣化，与发动机油中的碱性物质中和，快速地消耗发动机油中的碱储备，对发动机润滑系统造成危害。因此，醇类燃料发动机的磨损，特别是气缸壁、活塞环磨损以及醛类排放、燃料进气系统沉积物控制成为人们研究的重点[4]。

本文选取平凉中力新能源甲醇出租车有限责任公司的吉利牌M100甲醇汽车进行道路行车试验研究。通过道路行车对比试验，考察了研制开发的甲醇发动机专用油（以下简称专用油）的实际使用性能。行车试验结果表明：该油品具有优良的酸中和能力及碱值保持性、优异的高温抗氧化及抗磨损性能，可以满足甲醇发动机的润滑要求。

试验部分

试验车辆

本次试验在平凉中力新能源甲醇出租车有限责任公司进行，试验从150辆吉利牌M100甲醇汽车中选择了5辆甲醇汽车，分别 为 甘L82361（384 862 km）、甘 L83153（270 135 km）、甘 L83177（196 647 km）、甘 L83054（276 794 km）、 甘L82464（218 069 km），车 况较好、具有代表性，实际运行里程从200 000 km到400 000 km不等；试验所用甲醇汽车发动机油底壳等部件密封良好，无渗油漏油现象，发动机窜气正常。试验车辆行驶区间为平凉市区及周边，市内路段车多、人多，堵车现象较严重，汽车走走停停的频率高。

主要原材料及性质

试验用甲醇燃料理化性质

试验用甲醇燃料理化性质见表1。

试验用润滑油理化性质

鉴于平凉地区冬季最低温度不超过零下20 ℃，且试验时间选在六七月份进行，因此研制的专用油产品选择10W-30黏度级别，参比油为汽车厂家推荐的甲醇发动机油，油品理化指标见表2。

试验过程

首先在热车状态下放净试验车辆发动机油，更换三滤，加入试验油。由于车辆油箱较小，每次加注约3.5 L机油，中途反复取油样进行检测影响较大，因此本试验中参照GB/T 8028—2010《汽油机油换油标准》中SL级别油品的换油要求，在车辆运行到7 000 km左右换油，并取样进行检测。主要检测项目为黏度、碱值、酸值、金属含量等。

结果与讨论

闪点、倾点及水含量的检测

闪点是表示石油产品着火危险性及油品挥发性能的一项指标。油品的馏分越轻，挥发性越大，闪点越低。在用油品闪点的降低表明有轻组分的燃料泄漏进入润滑油系统，影响润滑油膜的形成。润滑油的凝点和倾点是表示油品低温流动性的一个重要指标，倾点高的油品不能在低温下使用。一般润滑油的倾点应比使用环境最低温度低5～7 ℃。在用油品中混入水分等高凝点物质时会引起倾点升高，混入轻组分燃料油等时倾点会降低。试验后油品闪点和倾点变化情况见表3，水分变化见图1。

由表3可以看出，在试验周期内，专用油和参比油的闪点均有不同程度的降低，倾点均有一定程度的升高。分析认为试验车辆基本上实际运行里程超过200 000 km，发动机活塞环密封效果相应变差，有少量甲醇燃料进入曲轴箱内，引起闪点降低；同时甲醇燃烧后产生的水分有少量可能进入到曲轴箱内润滑油中，导致倾点升高。尤其是从图3可以看出，参与试验的5辆出租车，无论在用油还是参比油中水分均超过了GB/T 8028—2010汽油机油换油指标中水分不超过0.2%（质量分数）的要求，更进一步证明了在用车辆的活塞环密封效果不佳。

表1 Ml00车用甲醇燃料技术指标

表2 试验油主要理化性能分析数据

表3 油品闪点和倾点变化

黏度变化考察

油品运动黏度的变化在一定程度上可反映油品的氧化深度。黏度变化主要有以下几个方面的原因：

图1 油品水分变化

◇为了有效调节油品的高低温性能，成品油配方中通常加入一定量的黏度指数改进剂和降凝剂，在摩擦副的苛刻剪切下，这些大分子物质通常会被剪切成小分子，导致油品运动黏度逐渐下降；

◇长期摩擦导致活塞与缸套间隙增大，致使少量燃料泄漏进入油底壳，稀释发动机油而造成黏度下降；

◇由于发动机内部高温以及摩擦副之间相互作用促使油品因氧化而生成油泥、胶质等物质，致使油品黏度再次回升，此时黏度回升代表油品氧化已在氧化和剪切的平衡中占主导。

因此，运动黏度变化率可以较为真实地反映油品在使用过程中的质量衰变情况，可以作为衡量油品使用寿命的一个重要指标参数。试验中油品黏度变化情况见表 4。

从表4可以看出，车辆运行7 000 km左右，油品黏度均不同程度出现下降，尚未出现增大现象，且油品的黏度下降率不超过5%，说明在用油品仍具有良好的表面成膜能力，能很好地保护摩擦表面；同时油品的氧化程度较浅，还具有一定的使用寿命，只要控制好水分含量不增加，油品还可以继续使用。

酸值和碱值的检测

油品中酸性物质主要包括有机或无机酸（包括氧化变质后生成的酸类物质）、酯、酚类化合物和酸性添加剂等。对于新油，酸值表征基础油的精制深度或含酸性添加剂的加入量，一般来说基础油的酸值很低；对于在用油，酸值表征油品氧化变质的程度。甲醇燃料燃烧过程中会生成一些甲酸、甲醛和水等液态残余物，其酸性大大强于汽油燃烧产物的酸性。这些物质会随燃料窜入润滑油中，导致油品碱值迅速降低，对金属特别是铁和铜造成腐蚀[5]。同时，还可引起并促进发动机活塞环和气缸壁的腐蚀磨损。因此，需要选择适合甲醇发动机要求的高碱值、良好碱值保持能力及酸中和能力，腐蚀抑制能力和抗磨性能的专用润滑油。车辆运行7 000 h左右油品酸值及碱值变化分别见图2、图3。

由图2可以看出，专用油和参比油在试验周期中酸值有不同程度增长，专用润滑油的酸值最大值及增加值仅为1.3 mgKOH/g和0.406 mgKOH/g，而参比油为1.724 mgKOH/g和 0.924 mgKOH/g，均未超过汽油机油换油指标所规定的润滑油酸值最大增长不大于2.0 mgKOH/g的要求，说明两种油品具有较好的酸中和能力，专用油表现更为突出，抗氧化性能优于参比油。

由图3可以看出，参比油碱值变化值明显大于专用油产品，表明其相应的碱值消耗较快，碱值保持性较差；专用润滑油具有较高的碱值和碱值保持性。

油品抗磨损性能分析

润滑油在行车试验过程中的抗磨损性主要体现在各金属元素含量的增长上，油品中铁、铝、铜、铅、铬等金属元素来源于发动机部件的磨损。正常情况下，随着行驶里程数的增加，机油中的金属含量会平稳增加。当金属含量突然增大时，可能是发动机的某些部件发生了异常磨损。车辆（甘A83153，甘A83054）运行约7 000 h，专用油和参比油中元素含量（铁、铝、铜、铅）的变化见图4。

表4 油品黏度变化

图2 油品酸值变化

由图4可以看出，专用油与参比油相比，油液中铁、铝含量基本相当，而铜、铅等含量均较低，尤其是铜含量明显低于参比油，表明专用油具有更好的抗磨损性能，尤其是对发动机曲轴轴瓦等含铜部位具有更好的保护作用。

图3 油品碱值变化

图4 在用油品元素含量变化

结论

行车试验结果表明，研制的甲醇发动机专用润滑油产品能有效中和甲醇燃料燃烧产生的酸性产物，具有优良的酸中和能力及碱值保持性；具有优异的抗氧化性能，黏度变化小，使用寿命长；元素含量检测结果表明产品具有较好的抗摩擦磨损性能，能最大限度地减少摩擦和磨损，提高机械性能，延长设备使用寿命。