2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机油的研制*

蓝明新，梁慧，唐兴中，李康春，黄福川

2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机油的研制*

蓝明新，梁慧，唐兴中，李康春，黄福川

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004）

针对发动机以2,5-二甲基呋喃为燃料的工况，从发动机自身运行特点和2,5-二甲基呋喃燃烧对发动机运行的影响出发。通过对基础油与添加剂进行筛选评价，选用了天然气合成油与油溶性聚醚复合使用作为基础油；同时根据基础油及添加剂的复配结果，采用模糊综合评价法对全配方进行了评价，研制出一种2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机油。经过实验理化性能分析，所研制的发动机油具有良好的清净分散性、氧化安定性、耐腐蚀性等；可很好地满足以2,5-二甲基呋喃为燃料的发动机的使用要求。

2,5-二甲基呋喃掺燃柴油；天然气合成油；模糊综合评价法；发动机油

随着汽车保有量的增加、化石燃料价格的不断上涨和排放法规的日益严格，人们愈来愈重视汽车的节能和排放，对于发动机油的节能和环保要求也愈加苛刻。其中，寻求替代化石燃料的新型、高效、清洁的能源是实现节能减排的方向之一，生物质燃料已经引起了业界人士的高度重视，且生物质燃料作为一种可再生能源，其发展前景广阔[1，2]。目前，甲醇、乙醇等生物柴油已逐渐得到应用。其中，乙醇是目前认为可以大规模制备的可再生液体生物质燃料。作为优质的交通运输燃料，要求具有高的能量密度、携带储存方便与安全性高等特点，而乙醇的能量密度低、挥发性高和易吸水性等缺点限制了它的实际应用[3]。

基于此，国内外有关学者提出一种新型液态代用燃料，即2,5-二甲基呋喃（2,5-dimethylfuran，DMF）[4]。其与乙醇相比，不仅具有能量密度高（比乙醇高40%），沸点高（比乙醇高20K），虽不溶于水，但与汽油、柴油互溶性好；燃料辛烷值较高（110），适用于高压缩比的发动机；而且原料来源广泛，制备能量消耗率也比乙醇低60%以上，环境污染总量低40%以上[5]。这对缓解能源危机和减小发动机排放污染具有重要的实际意义。

就目前而言，DMF作为代用燃料，基本上应用于汽油发动机，而在柴油发动机上的应用还较少。相关文献研究已表明：DMF不仅与汽油的理化特性相似，而且燃烧模型和排放特性也是相似的；因而DMF可直接用于现有的发动机上，且发动机无需进行很大的改进[6]。然而，必须重视的是不论DMF与汽油，还是DMF与柴油掺燃作为发动机燃料，其与单一的普通汽油或柴油为燃料的发动机燃烧特性还是存在较大差别的。为此，普通的汽油机油和柴油机油应用于以DMF为燃料的发动机，常出现发动机活塞与凸轮磨损过快、油路堵塞、供油不足等故障；这迫切需要使用以DMF为燃料的新类型的发动机油，使其与之相配套。虽然国外在以DMF为燃料的发动机油方面进行了大量研究，并取得了阶段性成果；但国内还没有针对以DMF为燃料的发动机油。因此，开发研究以DMF为燃料的发动机油是十分必要的。

1 DMF掺燃柴油燃料的基本特性及对发动机油性能要求

根据DMF掺燃柴油的基本特性，并结合发动机的发展趋势及其使用工况特点要求。所研制的DMF掺燃柴油发动机油除了具有普通发动机油的基本性能（如高闪点、低倾点、低温流动性、抗乳化性、抗泡性以及空气释放性等）之外，更应具备突出的以下性能：

（1）突出的清净分散性受密封局限性的影响，DMF燃料易混入曲轴箱内，而DMF燃料含有的酸性物质、颗粒杂质、水分等，极易导致积炭、漆膜等极性沉积物的生成。同时，机油本身的氧化产物，也容易聚集在一起生成颗粒物质。此外，还注意到DMF燃料燃烧与柴油相比，更容易产生烟炱，从而导致黑色油泥的生成。这些有害物质均可能导致发动机相关故障的出现。因此，清净分散性应作为研制油重要指标之一。

（2）良好的粘温性能为了使发动机油能在较为宽广的工作温度范围内工作，即油品在高温时具有足够大的粘度指数，以保证摩擦面润滑油膜的厚度和强度；在低温工况下应具有足够的流动性和泵送性，可形成连续可靠的润滑油膜，以保证零部件充分的润滑。因此，要求研制油具有适宜的粘度和良好的粘温性能。

（3）优异的抗氧防腐性、剪切安定性和热氧化安定性一方面机油在高温、金属催化等作用下，很容易氧化而变质，生成极性沉积物、油泥等，从而析出功能添加剂，导致机油的使用性能下降；另一方面由于发动机结构设计越来越紧凑，油箱体积减少，油品循环次数增加，剪切强度增强，且空气动力学设计也会进一步使散热效率下降，导致机油长时间处于高温工况下运行，高温氧化加速。因此，抗氧防腐性、剪切安定性与热氧化安定性等3项指标均是研制油要满足的重要理化指标。

（4）良好的极压抗磨性、防锈性和耐腐蚀性由于发动机正朝着提高压缩比、提高输出功率的方向发展，负荷的增加，接触面发生磨损、胶合的倾向加大。DMF掺燃柴油含有某些腐蚀性物质，均会加剧摩擦副的磨损，因而要求研制油具有良好的极压抗磨性。同时，DMF掺燃柴油含有氧与某些酸性物质，易腐蚀发动机零部件，再加上受周围环境中的空气、水分及腐蚀介质的作用，金属腐蚀和锈蚀加剧。因而还要求研制油具有良好的耐腐蚀性和防锈性。

2 基础油

当前以2,5-二甲基呋喃为燃料的发动机，通常处于高压缩比、大负荷工况下运行。虽然这有利于燃料的燃烧和提高燃料的经济性，但在高温、高压条件下，2,5-二甲基呋喃含有氧更容易发生氧化生成酸性物质。因而在曲轴箱内工作的润滑油不仅需要保持足够高的碱值，以便能中和对部件或润滑油造成严重负面影响的酸性介质；而且还要求油品具有更高的热氧化安定性、较好的油泥分散性和粘温性能，能较好地适应以2,5-二甲基呋喃为燃料的发动机使用。注意到单一种类基础油是很难满足其使用工况要求的，经综合考虑分析，采用了综合性能不亚于PAO的天然气合成油（GTL）与油溶性聚醚复合作为基础油，经实验测试及理化指标分析表明，是完全可行的[7]。

2.1 天然气合成油的选择

天然气合成油属于Ⅲ+类基础油。由于其几乎零硫、氮、芳烃含量，以及具有异构烷烃的结构特点，且在分子、物理和化学结构上与相应的PAO非常相似，因而与PAO一样，表现出优异的氧化安定性、低温冷启动性，较低的蒸发损失和高的粘度指数；程序ⅥB燃料经济性试验结果也非常好，特别适用于调制环保节能型低粘度润滑油。此外，通常的Ⅲ类基础油很难同时满足低粘度和低挥发性的要求。基于此，在研制油中，选择天然气合成油作为基础油组分之一，不仅可以提高燃油经济性，增加发动机能效，而且可以很好地满足DMF发动机对高性能润滑油的要求。其典型理化指标见表1[8]。

表1 天然气合成油的典型理化指标Tab.1Typical chemical properties of Gas-to-Liquids（GTL）

2.2 油溶性聚醚的选择

油溶性聚醚是由环氧丙烷与环氧丁烷共聚或环氧丁烷均聚而成，主链中含有醚键结构，且可溶于大部分矿物油及合成油的高分子聚合物。由于油溶性聚醚分子中存在醚键和羟基，螺旋结构赋予了其独特的性能[9]：具有良好的润滑性能、高闪点、高黏度指数、低挥发性和低倾点，对橡胶和金属的作用小；在高压、高温及少量外来物存在的工况下使用，氧化所生成的极性副产物可完全溶解在润滑油液中，或者完全挥发掉，油箱中不留下固态沉积物。为此，选择油溶性聚醚作为基础油组分之一，可达到令人满意的效果。其典型理化指标见表2。

表2 油溶性聚醚的典型理化指标Tab.2Typical chemical properties of oil-soluble polyether（OSP）

通过试验研究，采用天然气合成油与油溶性聚醚复合作为基础油，极大的改善了天然气合成油与油溶性聚醚单一种类基础油存在某些性能不足，在蒸发损耗、积炭和油泥控制等方面均表现优异。同时，油溶性聚醚具有较强的极性，不仅可在绝大多数润滑状态下，能形成粘附性强、承载能力大的稳定润滑膜；而且解决了某些添加剂溶解性差的问题。天然气合成油的使用可减少油溶性聚醚的使用量，提高了基础油的性价比。

注意到天然气合成油与油溶性聚醚的运动粘度均较低，还不能很好满足发动机使用要求；故需添加适量的具有良好增粘效果的乙丙共聚物（OCP）作为粘度指数改进剂。

3 添加剂

针对以2,5-二甲基呋喃掺燃柴油为燃料的发动机，除了具有与化石燃料或天然气的发动机油相同的基本理化性能之外，其高温清净分散性、热氧化安定性、抗磨损性、耐腐蚀性等要求更高。因而仅仅依靠基础油所具有的理化性能基本上是不能满足2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机的工况要求。为此，在发动机油的研制过程中，需添加相应的功能添加剂，以满足使用性能要求；通过采用模糊数学法对各功能添加剂进行了筛选评价，并对功能添加剂与基础油的感受性进行了考察[10，11]。

3.1 清净分散剂的选择

为了保证研制油具有良好的过滤性、流动性，确保发动机能正常工作；选用了低碱值石油磺酸钙、高碱值石油磺酸钙与硫化烷基酚钙作为研制油的清净剂。另外，考虑到油品在发动机内容易产生低温油泥问题，因而选用了双烯基丁二酰亚胺与硼化高分子量聚异丁烯丁二酰亚胺作为分散剂。这不仅可以将极性沉积物分散于油品之中，而且还可以对2,5-二甲基呋喃燃烧产生的酸性介质进行中和，从而延长了油品使用寿命。通过BF-35曲轴箱模拟试验，发现清净剂的添加量在3%～5%，成焦量较少；同时通过高低温斑点分散性模拟试验可知，分散剂控制在6%～8%，分散效果较好。

3.2 抗氧防腐剂和抗氧剂的选择

为了抑制油品的氧化过程，钝化金属对油品的氧化催化作用，达到延长油品使用寿命以及保护发动机部件的目的。因此，有针对性的对抗氧防腐剂和抗氧剂进行了筛选考察，选用了硫磷伯仲基锌盐、对,对'二异辛基二苯胺、4,4-亚甲基双（2,6-二叔基酚）与噻二唑衍生物作为抗氧防腐剂和抗氧剂。通过旋转氧弹实验方法对抗氧防腐剂进行了考察，结果发现，抗氧防腐剂复合使用具有明显的协同效应，且添加量在1.0%～2.0%。

3.3 油性剂的选择

油性剂都是含有极性基团，含有极性基团的物质对金属表面有很强的亲和力，极性基团强有力地吸附在金属表面，形成一种类似的缓冲垫的保护膜将金属分开，防止金属直接接触，从而减少摩擦及磨损。因而通过对多种油性剂进行了考察，最终选用了有机二硫代磷酸钼与磷酸酯作为油性剂，且添加量控制在0.5%～1.0%。

3.4 防锈剂的选择

由于2,5-二甲基呋喃燃烧会产生大量酸性物质，且还受周围环境中的腐蚀性介质等电化学或化学作用，因而发动机部件极易产生腐蚀或锈蚀现象。因此，为了提高研制油的防锈能力，选用了苯并三氮唑与烯基丁二酸酯为防锈剂。通过试验发现，添加0.8%～1.5%的剂量，防锈、耐腐蚀效果是较好的。

3.5 其他功能添加剂的选择

由于受发动机密封材料局限性、设备冷却以及使用过程中周围环境因素的影响，水分很容易渗入油相中，形成稳定乳化液，降低了发动机油的使用性能。因此，通过对多种抗乳化剂进行考察，选用了抗乳化效果较好的胺与环氧化合物缩合物作为破乳剂。此外，还需添加少量的二甲基硅油与丙烯酸酯与醚共聚物作为抗泡剂，以使发动机油的空气释放值和抗泡沫效果同时达到满意结果，提高发动机油的使用效果。

4 全配方的优选与评定

根据基础油与功能添加剂的筛选及配伍性的考察结果，采用均匀设计设计了8组全配方试验，并对全配方的成焦量、高低温斑点分散系数、100℃运动粘度变化率、磨斑直径D、最大无卡咬负荷PB值等进行了测定，试验结果见表3。根据均匀设计试验结果，通过采用组合赋权法确定各评价指标的综合权重系数，并利用模糊综合评价法建立全配方方案的综合评价模型，筛选出全配方的最佳方案[12]。

表3 基础油与添加剂复配试验结果Tab.3Compound testing results of base oil and additives

4.1 构建特征矩阵

对于润滑油配方来说，因素集：Q=（1#，2#，…，8#），评价集：T=（成焦量，高温斑点分散系数，低温斑点分散系数，100℃运动粘度变化率，WSD值，PB值），由此，构建的特征矩阵A=（αij）8×6如下：

4.2 特征矩阵标准化

由于各评价指标量纲和数量级不同，所代表的物理意义不同；为了使各评价指标具有较好的可比性，因而需对各评价指标进行无量纲化处理。根据效益型指标与成本型指标的定义，对上述6项性能指标进行了分类，成焦量、WSD值和100℃运动粘度变化率属于成本型指标；高温斑点分散系数、低温斑点分散系数和PB值则属于效益型指标。由此采用极差变换法对判断矩阵进行了标准化处理：

（1）效益型指标

（2）成本型指标

基于上述公式可得标准化矩阵如下：

4.3 综合权重的计算

由于主观赋权法与客观赋权法都有其内在的缺陷，因而为了克服两种方法的不足，使权重趋于更加的合理化，采用了熵值法与专家评价法相结合来确定各评价指标的权重。熵权法是一种将评价对象中各个待评价单元的信息进行量化与综合的客观赋权方法。其确定权重的计算过程如下：（1）首先求出各评价指标的熵值其中，k=1/（2）求出各元素的权重由此可计算各指标的客观权重为aj=（0.160662，0.191240，0.182228，0.168552，0.143485，0.153833）。

由专家评价法得到主观权重为βj=（0.3，0.15，0.12，0.25，0.1，0.08）。

综合权重是根据式子ωj=（αj+β）j/2计算得到的，由此可得综合权重为：ωj=（0.230331，0.170620，0.151114，0.209276，0.121742，0.116917）。

4.4 最佳配方的确定

根据上述标准化特征矩阵B及综合权重向量W，利用模糊数学理论建立的全配方方案优选模型如下：

C=WBT=（0.286389，0.471787，0.471915，0.739013，0.291094，0.485492，0.486400，0.760592）

经过上述计算步骤，再根据模糊数学理论的最大隶属原则，可得到全配方方案从优至劣排序为：8#→4#→7#→6#→3#→2#→5#→1#，显而易见，8#方案是研制油的最佳配方方案。

以此最佳配方调合出的发动机油，经过润滑油各项理化性能评定及模拟试验，其典型理化指标见表4所示。

表4 研制油的典型理化指标Tab.4Typical physical and chemical properties of the developed oil

由表4不难看出，研制油的各项性能均可满足2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机的工况要求。

5 结论

（1）针对发动机以2,5-二甲基呋喃掺燃柴油为燃料的工况特点，选用了天然气合成油与油溶性聚醚复合使用作为基础油，不仅改善了油溶性聚醚热氧化安定性的不足，而且减少了油溶性聚醚、粘度指数改进剂、抗氧防腐剂、清净分散剂等功能添加剂的使用量，明显提高了基础油的性价比，是2,5-二甲基呋喃生物柴油发动机油较为理想基础油的选择。

（2）通过添加适量的功能添加剂，并基于模糊数学理论，研制出一种2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机油。经润滑油理化性能分析可知，其综合性能不亚于甚至优于目前2,5-二甲基呋喃掺燃柴油发动机所使用的机油，且具有更高的性价比。

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Study of engine oil of the 2,5-dimethylfur blended with diesel*

LAN Ming-xin，LIANG Hui，TANG Xing-zhong，LI Kang-chun，HUANG Fu-chuan
（Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Aiming at the conditions of engine take 2,5-dimethylfur as fuel,take into account the influence of 2,5-dimethylfur combustion to the operation of engine and the operational characteristics of engine.The base oils and additives are purposefully selected,the composite of Gas-to-Liquids（GTL）and oil-soluble polyether（OSP）is determined as base oil.Meanwhile,compound testing results of base oil and additives are evaluated according to fuzzy comprehensive evaluation method.A 2,5-dimethylfur blened with diesel engine oil is developed.The physical and chemical characteristics of oil are tested in laboratory,the results show that，the developed oil has good detergent-dispersant performance,oxidation stability,corrosion resistance and other performances;it can well satisfy the engine for the fuel of 2,5-dimethylfur in the field test．

2,5-dimethylfur blended with diesel；gas-to-liquids；Fuzzy comprehensive evaluation method；engine oil

TK438.9

A

1002-1124（2014）11-0050-05

2014-08-05

南宁市科学研究与技术开发项目(20131078)

蓝明新（1988-），女，硕士研究生，研究方向：机械摩擦及润滑材料的研究。

黄福川（1963-），男，工学博士，教授，研究方向：机械摩擦及润滑材料的研究。