舷外机油的发展近况和趋势

李凯,郭琼心,张杰,王晓扬,陈立功

(瑞丰新材料股份有限公司,河南 新乡 453700)

0 引言

随着国民经济的不断发展,近些年来我国舷外机的需求量越来越大。舷外机除用于水上运动外,还可用于沿海运输业和娱乐业,品牌以Mercury、Honda、Yamaha、Suzuki、Kawasaki为主。

舷外机分为二冲程和四冲程,其中二冲程舷外机燃料和机油需要以20∶1～150∶1的体积比混合后使用,二冲程舷外机的曲轴每旋转一周对外做一次功,而四冲程舷外机曲轴旋转两周才对外做一次功,因此理论上其功率是四冲程舷外机的两倍,具有重量轻、功率大、结构简单等一系列优点[1]。与此同时,二冲程舷外机由于其独特的做功方式不可避免的使得其具有燃料经济性差、废气排放量大的缺点,随着环保法规日益严格,二冲程舷外机的应用在某些地区受到了一定程度的限制。相对而言,四冲程舷外机废气排放量小,克服了二冲程舷外机的缺点,特别是近些年来不断完善的发动机制造技术,使得四冲程舷外机的故障率和生产成本都大幅度下降,因此四冲程舷外机有逐步取代二冲程舷外机的趋势。

目前舷外机油普遍采用美国船舶制造商协会(National Marine Manufacturers Association,NMMA)的规格分类标准,该组织于1979年成立,其前身为船舶工业协会(Boating Industry Association,BIA),北美船用发动机和配件制造商为其主要成员。据不完全统计,NMMA成员生产了北美70%以上的舷外机油产品,因此在业内极具权威性,其宗旨是加强和发展游艇业,保护成员和客户的利益。

1 二冲程舷外机油

1.1 规格发展现状

早在1962年,BIA就制定了适用于二冲程舷外机的水冷二冲程汽油机油TC-W(Two-Stroke Cycle Water-Cooled)规格,其相当于日本汽车标准组织JASO制定的FD规格,但随着二冲程舷外机的不断发展,原有规格的舷外机油已不能满足发动机的工况要求,于是NMMA于1988年提出了TC-W2规格[2-3],该规格进一步完善了台架测试和发动机测试,比较接近当时二冲程舷外机的实际工况,因此该规格沿用了几年。

20世纪90年代后,二冲程舷外机步入了高速发展期,各种新机型如雨后春笋般层出不穷,发动机结构的改进、燃料经济性的提高导致二冲程舷外机呈现出功率大型化的发展趋势,这使得原有TC-W2规格的舷外机油经常出现黏环、启动功率不足等故障。于是NMMA于1992年公布了TC-W3规格[3],该规格除了进一步完善原有TC-W2规格要求的台架测试外,还补充了一系列发动机测试,这对舷外机油的各项性能都提出了更高的要求,此后二冲程舷外机的生产制造技术取得重大突破,因此该规格沿用至今。不同规格二冲程舷外机油技术指标和性能要求如表1～3所示。

表1 不同规格二冲程舷外机油性能要求

表2 TC-W2规格要求[4]

表2(续)

表3 TC-W3规格要求[5～11]

从表1～3可以看到,TC-W3规格无论在台架测试还是在发动机测试上都要比TC-W2规格更为严格,具体如下。

(1)台架测试方面,TC-W3与TC-W2最主要的区别在于前者新增了舷外机油互溶性能评定测试,此外还对TC-W2原有的4个台架测试进行了补充,如TC-W3混溶和低温流动性能评定测试中新增了参比油和测试温度。

(2)发动机测试方面,TC-W3与TC-W2最主要的区别在于前者新增了两个舷外机油清净性能评定测试,新增测试与原有TC-W2清净性能评定测试程序类似,区别主要在于使用了Howell RSF环黏结燃料,这使得TC-W3发动机测试更为严格。此外,TC-W3还对TC-W2原有的3个台架测试进行了补充,如润滑性能评定测试中用高性能参比油NMMA XPA-3259代替低性能参比油NMMA 93738,早燃倾向评定测试中运行时间由原来的50 h延长至100 h,所有发动机测试均使用最新的二冲程舷外机等。

1.2 组成和性能要求

二冲程舷外机的特点在于运行过程中机油和燃料以一定比例混合后进入曲轴箱、气缸和润滑部件并燃烧,因此进气、排气过程几乎同时进行,利用新气扫除废气,导致润滑系统和燃料系统无法分开,这种独特的润滑方式要求二冲程舷外机油具有以下特性。

(1)良好的混溶性能和低温流动性能。由于二冲程舷外机油和燃料需要以一定比例混合后燃烧使用,因此需要机油与燃料有良好的混溶性能,这样才能保证发动机运行过程中均匀润滑和燃烧。此外,二冲程舷外机油箱经常暴露在外界环境中,这就要求机油具有良好的低温流动性能。

(2)良好的防锈性能。工作在水面的二冲程舷外机经常暴露在高湿度含盐环境中,特殊的工作环境导致发动机内部容易生锈,因此机油必须具有良好的防锈性能。

(3)无灰分。灰分易造成火花塞污染,导致早燃和沉积物的产生,这有悖于TC-W3规格要求的早燃倾向和清净性能测试,因此NMMA规定二冲程舷外机油不能含有任何可能产生灰分的物质,如传统的金属清净剂和ZDDP等。

(4)良好的润滑性能和抗磨性能。二冲程舷外机油使用过程中由于燃料的稀释作用导致油膜强度降低,因此要求机油具有良好的润滑性能和抗磨性能,并能够在高温部件表面形成油膜,减少活塞环和气缸磨损,防止活塞烧结,有效润滑轴承。

(5)良好的清净性能和排烟性能。二冲程舷外机功率大、负荷和工作温度高,因此要求机油具有良好的清净性能,这有利于抑制沉积物的产生,提高抗黏环性能。此外,考虑到环保因素,机油应尽可能充分燃烧以提高排烟性能,否则未完全燃烧的机油通过排气孔时易结焦产生沉积物,造成排气系统堵塞,进而影响清净性能。

由于二冲程舷外机油属于一次性润滑,发动机内停留时间较短,因此对其抗氧化性能、抗剪切性能、抗泡沫性能等要求不高。基于此,二冲程舷外机油的组成如下。

(1)基础油。目前二冲程舷外机油一般以中性油作为基础油。在基础油的选择上,低黏度基础油混溶性能好,燃烧充分,但润滑性能不足;而高黏度基础油润滑性能好,但燃烧不充分,燃烧产物可能会在活塞顶部、活塞环和活塞内腔形成漆膜和积炭,影响发动机的清净性能,因此经常选择两者组合来达到性能上的平衡。此外,加氢基础油的低温流动性能好于溶剂精制基础油,而且芳烃含量少,燃烧充分,有利于保持发动机清洁[12]。

(2)聚异丁烯。近些年来,随着环保法规日益严格,二冲程舷外机的尾气排放成为一个不容忽视的问题。为了减少排放, 一方面可以提高燃油混合体积比,但过度提高该指标会导致机油润滑性能下降;另一方面可以用聚异丁烯代替部分光亮油,光亮油的加入有利于提高活塞的抗烧结性能,但不利于发动机的清净性能和排烟性能,而聚异丁烯进入燃烧室后迅速分解成自由基,在自由基的作用下进一步生成异丁烯并与燃料一起燃烧,抑制排气口沉积物的产生,从而改善机油的清净性能和排烟性能[13]。此外,聚异丁烯具有一定黏性,进入火花塞环孔后在急加速时不易迅速排出,从而减少急加速时出现的浓烟。聚异丁烯的加入量和分子量越大,排烟浓度越低,但过多的加入量和分子量过大会降低机油的低温流动性能,因此需要在聚异丁烯的加入量和分子量之间寻求平衡。一般二冲程舷外机油聚异丁烯和光亮油的加入量为5%～20%。

(3)溶剂。为了提高二冲程舷外机油的混溶性能,需要向其中加入溶剂,溶剂中芳烃含量越少,燃烧越充分,清净性能和排烟性能越好,常用溶剂为煤油,但有时也会使用高沸点溶剂来提高机油闪点,目的在于提高储存和运输的安全性。

(4)添加剂。由于NMMA规定二冲程舷外机油不能含有任何可能产生灰分的物质,因此添加剂以无灰分散剂为主。考虑到低温流动性能和防锈性能,辅剂中应有降凝剂和防锈剂;考虑到燃烧产生的积炭不利于抗磨性能,辅剂中应有摩擦改进剂或无灰抗磨剂。

2 四冲程舷外机油

近年来,随着环保法规日益严格和舷外机行业的快速发展,四冲程舷外机有逐步取代二冲程舷外机的趋势。起初普遍认为四冲程舷外机和车用四冲程汽油机在发动机结构上没有本质区别,因此可以将车用汽油机油直接用在四冲程舷外机上,但这样做却导致故障频发。出现这种现象主要是因为四冲程舷外机工作环境和结构设计不同于普通的车用四冲程汽油机,具体如下。

(1)四冲程舷外机经常暴露在高湿度、含盐环境中,特殊的工作环境导致发动机内部容易生锈,因此机油必须具有良好的防锈性能。

(2)四冲程舷外机内部结构紧凑,使得其过滤系统远不如车用四冲程汽油机,因此机油必须具有良好的清净分散性能。

(3)四冲程舷外机运行时负荷和工作温度高,加上内部部件多且紧凑地被外壳包裹着,因此散热更困难,这对机油的黏度保持能力提出了更高的要求。

基于此,NMMA于2004年公布了适用于四冲程舷外机油的FC-W(Four-Stroke Cycle Water-Cooled)规格。后来为了减少四冲程舷外机废气所产生的水污染,出现了带后处理系统的新型四冲程舷外机,这种舷外机为了减少排放加装了催化转化器,因此也对机油提出了新的要求。于是,NMMA于2009年公布了适用于带催化转化器的四冲程舷外机油的FC-W Catalyst Compatible规格。目前这两种规格同时存在,其中FC-W Catalyst Compatible规格可以兼容FC-W规格。不同规格四冲程舷外机油技术指标和性能要求如表4所示。

表4 FC-W和FC-W Catalyst Compatible规格要求[14-16]

表4(续)

需要说明的是,表4中关于磷元素和硅元素的限制只针对FC-W Catalyst Compatible规格,主要是因为这两种元素易使催化剂中毒进而导致催化转化器失效,FC-W规格对此无要求。此外,这两种规格对高温高剪切黏度的要求是针对经过柴油喷嘴剪切30个循环后的试验油的,并非未剪切的新油,其他黏度要符合美国汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers,简称SAE)公布的SAE J300黏度等级划分。表4中仅锈蚀试验和Yamaha GPET(General Performance Engine Test)发动机测试是NMMA内部试验方法,表5简要介绍了这两种测试方法。

表5 FC-W、FC-W Catalyst Compatible台架测试和发动机测试要求[14]

对比表2和表5不难发现,与TC-W3规格相比,FC-W和FC-W Catalyst Compatible台架测试更接近舷外机的实际工作环境,而发动机测试新增了不同转速间的切换,同时重点考察燃料稀释率≮7%时机油的实际使用性能,这是TC-W3规格中所没有的,因此FC-W和FC-W Catalyst Compatible要求也更严格。

对于四冲程舷外机油的组成,目前主流观点认为FC-W规格至少与美国石油学会(American Petroleum Institute,API)SG汽油机油规格相当,FC-W Catalyst Compatible规格则至少与API SM/SN汽油机油相当,但考虑到四冲程舷外机工作环境和结构特殊性,还需要在汽油机油的基础上添加一些特殊剂种,如防锈剂等。

3 结束语

近年来,随着国民经济的发展,我国舷外机的保有量越来越大,机型几乎都是日本、美国等国的进口机器,这些大功率舷外机均要求使用经NMMA认证的机油。NMMA发布的信息显示,截至2021年年底已有182个品牌的二冲程舷外机油注册了TC-W3标识,54个品牌的四冲程舷外机油注册了FC-W标识,65个品牌的四冲程舷外机油注册了FC-W Catalyst Compatible标识[17-19]。以上注册的舷外机油生产商均来自国外,目前国内并未报道通过NMMA认证的舷外机油,导致价格昂贵的进口舷外机油几乎占领了国内市场。

自“八五”计划以来,国内科研人员对舷外机油进行了科技攻关,孙瑞华等[20]研制的TC-W3舷外机油不仅满足了NMMA要求的台架测试,而且在Mercury生产的60HP舷外机上经250 h系泊试验后综合使用性能优于进口参比油,赵巍等[21]研制的TC-W3舷外机油与进口参比油在Quicksilver生产的150HP舷外机上的综合使用性能相当,中国石油化工有限公司蔡文通等[22]研制的FC-W3舷外机油具有良好的润滑性、清净性和防锈性的同时,通过了Yamaha 115HP GPET发动机测试,可满足NMMA FC-W规格要求。相信不久的将来,市场上会出现物美价廉的国产舷外机油。