浅谈气体燃料发动机的润滑

吴郡

(欧陆宝（天津）新材料科技有限公司，天津301800)

面对汽车排放对大气污染的日益严重，使用清洁燃料逐渐受到重视并大力推广。使用氢气、太阳能等虽然比较理想，但是到实用阶段仍旧需要很长的一段时间，而使用气体燃料仅需对现有的汽油发动机和柴油发动机做局部改造即可应用，得以实现清洁燃料的实用阶段，因而有很大的现实价值和巨大的社会经济效益。

1 气体燃料的组成及优点

与汽油或柴油等液体燃料相比，气体燃料的优势在于能够大幅度减少车辆尾气排放，同时可在一定程度上降低燃料成本。常用的气体燃料有三种：压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）[1]。天然气的主要组成为甲烷、乙烷、丙烷，所以其用作发动机燃料有如下优点：燃烧产物中氮氧化物（NO）及HC含量大大低于以汽油或柴油为燃料时的排放含量；经济性好，气体燃料的热值低于汽油，在同等功率下燃料消耗比为汽油∶气体=1∶1.2，但价格比为50%。

2 天然气发动机与汽油或柴油发动机的区别

天然气发动机的结构、燃料及工况等方面与汽油或柴油发动机明显不同，对油品的清净性、分散性、抗氧化性及抗磨性的侧重点明显不同。气体燃料组成的复杂性及应用领域及环境的差异，对天然气发动机油的要求各不相同，但共性更多。天然气发动机的燃气温度和排气温度较高，固定式天然气发动机更是长周期不间断运行，对油品的抗氧化硝化及抗腐蚀性的要求高很多；气体燃料通常燃烧比较完全，燃料中硫含量比较低，对油品的高温清净性及酸中和作用就相对较低。反而要求控制润滑油的灰分来减少沉积物的形成[2]。

例：用一台GM5.7 L 双燃料发动机按照ⅢE条件用CG-4/SH 润滑油做对比实验，结果表明：1）在油泥生成上，用气体燃料的更好；其他沉积物相比用无铅汽油的更好。2）磨损上，主轴承失重，用气体燃料的好很多，其他部位磨损相似。3）抗氧化性能方面，用无铅汽油的氧化更明显，润滑油粘度增长较快。4）用无铅汽油的TAN 和TBN变化曲线交叉点在24h，而用气体燃料的在48h，说明用气体燃料时润滑油的降解要缓慢一些。实验说明，天然气发动机润滑油应当具备良好的抗氧化硝化性能、适当的硫酸盐灰分、良好的高温清净性、良好的防腐蚀性能及控制沉积物的生成能力，以及与催化剂的形容性良好。

3 天然气发动机润滑油的性能特点

3.1 良好的抗氧化硝化性能

天然气发动机润滑油的氧化劣化机理与汽油或柴油相似，但是气体燃料有更高的比热容，排气温度比柴油发动机高100～200℃，对润滑油的抗氧化性能提出了更高的要求。受燃气发动机润滑油灰分的制约，清净剂分散剂的添加量不能太高，对氧化劣化物的溶解及酸中和能力有限，只有延长“抗氧化”阶段，才能提高润滑油的寿命，所以对低灰或无灰型燃气发动机润滑油来说，抗氧化性能尤为重要[3]。

3.2 良好的清净性及沉积物控制能力

天然气发动机润滑油的TBN 用来中和各类酸性物质，TBN 过低，将会导致TAN 增大，润滑油变质等问题加快。但是TBN 过高将会带来沉积物的增加，引起粘环、拉缸等现象。由于气体燃料中的硫含量通常较低，燃烧过程产生的酸性物质少，天然气发动机润滑油中清净分散剂的主要作用除进行酸中和作用外，更强调润滑油的高温清净能力。

3.3 适当的灰分

天然气中硫含量比较低，燃烧后产生的酸性物质少，其对灰分（碱值）的需求主要是为了润滑阀系和气门部位。较低的灰分，可减少火花塞沉积物的生成，避免火花塞堵塞及发动机提前点火，较少排放污染。

3.4 良好的抗磨剂防腐蚀性能

燃气发动机的凸轮-挺赶摩擦副及活塞上下止点附近等部位一般处于边界润滑，要求润滑油具有良好的抗磨性能以降低发动机的磨损。特别是长时间满负荷运转的固定式燃气发动机，要求润滑油具备良好的抗磨剂防腐蚀性能，以保证发动机的正常有效工作。

3.5 防止三元催化器失效

天然气发动机润滑油低锌、低磷，防止氧传感器和催化器中毒失效。

综上所述，由于燃气发动机的结构、燃料性质及使用环境的多样化，决定了燃气发动机润滑油的性能要求不同于普通的润滑油。如若选用不当，将会缩短发动机的使用寿命并且造成维护维修成本不必要的增加。

4 天然气发动机的常见故障

4.1 提前点火——进气门处容易形成沉积物；

4.2 高温——进气门及火花塞使用寿命短、易损坏；

4.3 含硫——发动机零部件，特别是活塞和气缸壁早期磨损和腐蚀严重；

4.4 灰分——灰分沉积造成气阀关闭不严、漏气，增加阀座磨损等。

5 CNG/LNG 专用润滑油与普通柴机油的区别（见表1）

表1

5.1 排气温度比柴油发动机高100～200℃，要求润滑油具备更高的抗氧化性和抗硝化性；

5.2 热负荷高，要求润滑油运动粘度不宜偏高，以保证良好的流动性和冷却性能；

5.3 天然气的硫含量比柴油的低，要求润滑油采用低碱值；

5.4 采用热传感器，要求锌、硫的含量＜300ppm，防止氧传感器和催化器中毒失效；

5.5 综合气门润滑和活塞积碳问题，天然气发动机要求使用中低灰分的润滑油[4]。

6 天然气发动机的特点

6.1 CNG/LNG 燃烧产生高温；

6.2 在高温的作用下，普通润滑油的高灰分添加剂极易形成沉积物；

6.3 气门干涩容易引起气门磨损及关闭不严；

6.4 排气中含大量氮化物，促进普通润滑油氧化硝化，生成大量油泥。

7 乱用润滑油后的过敏

7.1 缺乏润滑保护，引发发动机异常磨损及故障；

7.2 高灰分产生的沉积物导致发动机部件磨损、火花塞堵塞及气门烧毁等；

7.3 气门磨损、关闭不严，造成发动机功率下降或无法工作；

7.4 生成大量油泥，堵塞油路或生成漆膜等有害物质。

总之，如果将普通柴油发动机润滑油用于天然气发动机，虽然润滑油成本下降了，但气缸盖翻新成本却大幅度增加，推荐使用天然气发动机专用润滑油[5]。

8 CNG/LNG 重卡相比柴油重卡的明显优势

8.1 燃料成本

LNG 重卡售价大约在40 万元/辆，比普通重卡贵8 万元，但LNG 重卡行驶成本低，节约燃料费用30%以上，比柴油车型节省1.5 元/km，这样一年就能回收多出的购车费用。

8.2 维修成本

由于天然气燃烧充分，不产生积碳，可延长发动机寿命，减少车辆维修频次，减缓了折旧速度。相同工况下，与柴油车相比维修保养成本降低10%以上，且动力性不比柴油车差。

8.3 满足排放

天然气卡车的环保性污染物排放量比柴油车降低90%以上，很容易满足国四、国五、国六的排放标准要求。

8.4 与柴油加注时间相当

一般一次加注续航能力500km 以上（一个储气瓶）。

实际应用情况见表2：

表2

9 总结

全球天然气需求量将从目前的2.6×1012m3增加到2022 年的5.1×1012m3；大约到2040 年，天然气在一次能源中所占比例将达到51.1%，超过石油和煤炭成为最重要的能源形式。以CNG 和LNG 为燃料可以有效降低发动机污染物排放。随着环境法律法规对大气质量的控制及对发动机排放要求的日益严苛，以天然气为主要替代燃料的天然气发动机及相关技术将会成为大势所趋，同时，天然气发动机专用润滑油将会越来越受到关注和青睐，为我们的经济建设和蓝天计划保驾护航。