LNG长寿命重负荷燃气发动机专用油的应用研究

2019-03-01石顺友杜志伟王雪梅林国就王俊

润滑油 2019年1期

石顺友，杜志伟，王雪梅，林国就，王俊

(1.中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东茂名 525011；2.广州市第三公共汽车公司，广东广州 510000)

0 引言

随着汽车环保法规的日益苛刻，燃气发动机以其良好的清洁燃烧特性、经济性和安全性在出租车、城市公交等行业得到了越来越广泛的应用，截至2018年1月，我国天然气汽车保有量已达608万辆，加气站8400座，均位居世界第一位[1]。燃气发动机大多数是在原有汽/柴油发动机基础上进行的技术改进，但由于燃料的不同造成发动机点火方式以及燃烧状态的不同，对润滑的要求也不相同，需要专用燃气发动机油。燃气发动机通常高负载连续运行，要求燃气发动机油具有很好的润滑性和可靠性，特别是电喷、缸内直喷等先进技术在燃气发动机上的广泛采用，对机油性能提出了更高的要求。同时，国内大中城市公交车辆超载严重、路况复杂、开开停停的恶劣工况使发动机油更易受到污染、老化变质，导致发动机油换油周期缩短。目前重负荷燃气发动机油的换油周期仅为1万～1.5万公里，因此，城市公交公司等客户对燃气发动机油都提出了长换油周期的需求。

为满足客户对燃气发动机油长换油周期的实际用油需求，针对燃气发动机的工况特点，采用高黏度指数加氢基础油和优质多功能复合添加剂，研制生产LNG长寿命重负荷燃气发动机专用油，并在某城市公交公司具有典型工况特点的重负荷燃气公交车上进行应用研究，对产品性能进行行车试验验证。

1 燃气发动机润滑油

燃气发动机在结构、工况和燃料特性与汽、柴油发动机相比存在显著差异，普通发动机油无法满足它的润滑需求，燃气发动机需要配套使用具有更高品质的专用燃气发动机油。

1.1 燃气发动机对润滑的影响

与汽油机和柴油机相比，燃气发动机具有燃烧室温度高、尾气氮氧化物含量高和难润滑，即“两高一难”的显著特点[2]：

(1)燃烧室温度高。天然气主要成分是CH4，相比于汽油、柴油，热值高，且燃气发动机的燃烧接近于理论值，燃烧更充分；燃气以气态形式进入气缸，没有像汽、柴油燃料在气缸内有气化吸热的过程，其次，天然气发动机通常为平级燃烧，不同于稀薄燃烧有较多的空气可以稀释及冷却，结果使燃气发动机的燃烧室温度比传统内燃机的更高，其尾气温度比柴油发动机高165～235 ℃左右。高温下，会使普通机油过快氧化变质，造成润滑失效和部件早期磨损。

(2)尾气氮氧化物含量高。虽然CNG、LNG为清洁燃料，但在燃烧室的高温环境下，氮气和氧气反应会生成更多的氮氧化合物，导致废气中氮氧化物含量升高，引发机油氧化、硝化，造成机油黏度快速增加、油泥和沉积物增加，致使机油润滑性能下降，导致发动机磨损加剧。

(3)难润滑。高温不利于润滑油膜的形成。此外，由于汽/柴油是以小液滴的形态喷入汽缸，对阀门、阀座等部件可以起到润滑、冷却的作用，而燃气发动机燃料CNG/LNG等以气体的形态进入气缸，使得发动机阀座及部件等部件干涩无润滑，易造成上述部件的磨损。

基于以上原因，燃气发动机不可使用普通的汽、柴油机油润滑，而应使用燃气发动机专用的润滑油，以保证燃气发动机的正常工作，延长发动机的使用寿命。

1.2 燃气发动机的润滑需求

如1.1所述，燃气发动机固有的特性对燃气发动机油提出了不同于汽、柴油机油的性能要求。除了要求燃气发动机油要具备良好的润滑、清净分散、防腐防锈和抗磨损性能以对燃气发动机提供全面的润滑保护等基本要求外，燃气发动机油还要具有如下两大特性：

(1)优异的抗氧化、抗硝化性能：由于天然气发动机具有更高的燃烧室温度，高温下，要求燃气发动机油需具备比普通机油更高的抗氧化能力，防止机油因高温导致的氧化变质和黏度增长。同时，高温下，使得燃气发动机燃烧产物中的氮氧化合物含量大大增加，更易导致机油硝化，机油硝化会导致与机油氧化相似的结果，即油泥及沉积物增加，积炭生成，机油滤清器阻塞，换油期缩短，严重的可能导致活塞环及气缸套磨损加剧。因此要求燃气发动机油需具备更好的抗氧化、抗硝化能力，确保对发动机的有效保护。

(2)适宜的灰分含量：不同于汽、柴油等液态燃料以液态形式进入气缸，以及其在燃烧过程中的少量不完全燃烧产物都对阀门和阀座提供非常重要的润滑作用，天然气以气态进入燃烧室，燃烧充分，只能依靠燃烧后产生的少量灰分来润滑阀门和阀座，太低的灰分无法起到有效的润滑作用，而太高的灰分又容易造成阀门堵塞等引起故障，因此，适宜的灰分含量是燃气发动机油最重要的性能要求。

在进、排气门上逐渐积累的机油灰分燃烧后形成的一层有效的蓝灰色沉积物保护层(如图1)，可以起到减少气门与气门座之间磨损的重要作用[2]。燃气发动机正常工作过程中，进、排气门上沉积物的积累需要一定时间，积累速度与机油中的灰分含量等有关，且是一个动态平衡的过程，即在旧沉积物不断损失的同时新的沉积物不断补充。

图1 蓝灰色沉积物保护层

如果气门上沉积物太多(如图2)，则将导致气门上沉积物局部剥落形成高温气体窜气通道，出现气门熔损(如图3)现象[3]。另外，过多的沉积物也将导致提前点火，活塞沉积物增加而导致活塞磨损(如图4)和缸套擦伤(如图5)等问题[4]，最终导致发动机寿命缩短。如果气门上沉积物太少，将造成气门缩入(如图6)，而导致气阀的后退位移(即阀门嵌入，如图7)[3]和气阀的磨损。

图2 阀门沉积物

图3 气门熔损

图4 活塞磨损

图5 缸套擦伤

图6 阀门缩入

图7 阀门嵌入

可见，灰分是燃气发动机油的关键指标，选择适宜灰分的机油对润滑和保护燃气发动机进、排气门机构非常重要。由图8的试验结果可以进一步证明燃气发动机油灰分的重要性。

图8 不同灰分机油的对比试验

该试验在瓦克夏(Waukesha)7092GSI燃气发动机上进行，Waukesha推荐该发动机使用0.35%灰分的机油，试验前5000 h使用的是无灰型燃气发动机油，气门嵌入率超过0.075 mm/1000 h，远高于Waukesha规定的指标限值(0.051 mm/1000 h)，然后将机油换为0.45%灰分的燃气发动机油，气门嵌入率下降到小于0.015 mm/1000 h[4]。

鉴于燃气发动机油灰分的重要性，燃气发动机OEM对油品的灰分进行了严格限定，如表1。

表1 部分OEM对油品灰分的要求

表1(续)

通常行业里根据油品硫酸盐灰分含量将燃气发动机油简单分为无灰型、低灰型、中灰型和高灰型4类，以满足不同燃气发动机的润滑需求，如表2。作为灰分主要来源的抗磨剂、清净剂中含有有机碱金属盐类，这些盐类都带有强碱性，使燃气发动机油具有一定的碱值，因此燃气发动机灰分含量的大小也从侧面反映了其碱值的大小。

表2 燃气发动机油按灰分含量分类

无灰型燃气发动机油主要用于以低硫天然气为燃料的二冲程燃气发动机，因二冲程发动机通常没有进气门和排气门，而机油中的灰分可能会导致其排气口的堵塞；低灰型燃气发动机油多数应用于四冲程燃气发动机，在实际选用过程中还要考虑设备的使用环境和工况条件；中灰型燃气发动机油一般应用于双燃料发动机，通常长寿命燃气发动机油也属于中灰型产品；高灰型燃气发动机油建议应用于以高硫天然气或沼气为燃料的燃气发动机。因沼气中除主要成分CH4外，还有大量的CO2，CO2与水反应会生成具有腐蚀性的碳酸；同时沼气中含卤素碳氢化合物，燃烧后形成具有极强腐蚀性的卤素酸。因此，与天然气相比沼气更具腐蚀性，要求油品有更高的碱值，以中和沼气燃烧过程产生的酸性物质。

1.3 燃气发动机油标准

燃气发动机的特殊性导致长期以来都没有统一的燃气发动机油标准，也没有统一的油品台架试验评定方法。各燃气发动机制造商主要根据各自燃气发动机的工况特点，通过具体的试验测试来制定各自的OEM标准。通常OEM对燃气发动机油的要求也比较简单，只对油品的SAE黏度等级、硫酸盐灰分、锌和磷含量、碱值等主要理化指标进行规定，如Caterpillar、Renault RGD、Volvo CNG、Mercedes Benz Sheet 226.9、MAN M-3271-1、Detroit Diesel 93K216和Cummins CES 20074等。在上述众多OEM规格中，Cummins CES 20074规格是最具代表性的车用天然气发动机油OEM规范，其指标最全，要求也最苛刻，因此，获得康明斯气体发动机油的认证，通常是燃气发动机油技术水平的体现[5-6]。

Cummins CES 20074规格适用于车辆及B&C系列的固定式燃气发动机，该规格要求油品通过康明斯C8.3G发动机台架试验和实际行车试验，规定油品的灰分为0.4%～0.6%，此外，因考虑到气体的腐蚀性，还要求测试新油的酸值和腐蚀试验，其具体性能指标如表3。部分燃气发动机OEM对油品的台架试验和行车试验要求如表4，可以看出，大部分燃气发动机OEM都要求油品必须通过行车试验的性能验证。

表3 康明斯CNG压缩天然气发动机油规格

表3(续)

表4 部分OEM对油品的性能要求

除了OEM规范之外，各大润滑油公司也结合OEM的要求制定自己的燃气发动机油标准，如中国石化润滑油有限公司制定的CNG/LNG燃气发动机油标准Q/SH 303 0077-2014和CNG/LNG长寿命燃气发动机油标准Q/SH 303 0618-2013，其中Q/SH 303 0618-2013除了对油品的各项性能指标进行了具体规定外，还规定了CNG/LNG长寿命燃气发动机油行车试验的总体操作规范和要求。

2 长寿命燃气发动机油的应用研究

2.1 试验目的

如1.3所述，燃气发动机油没有统一的标准，各主要发动机OEM根据自身的发动机特点制定燃气发动机油OEM标准，且大部分OEM都要求对燃气发动机油的性能进行行车试验验证。为验证研制生产的LNG长寿命重负荷燃气发动机专用油是否满足城市重负荷燃气公交车长换油周期的润滑要求，我们与公交公司合作开展行车试验。行车试验按照Q/SH 303 0618-2013标准中的规范要求进行，选择具有代表性工况特点的重负荷燃气公交车，在严重超载、开开停停的恶劣工况下，对油品的综合性能进行实际行车试验验证。

2.2 试验条件

试验车辆为具有典型工况特点的3台装配玉柴YC6G260N-50大马力燃气发动机的公交车，车号分别为粤AN6396、粤AP1853和粤AP1872，发动机技术参数如表5，LNG长寿命重负荷燃气发动机专用油的典型数据如表6，行车试验里程要求在3万公里以上。

表5 发动机技术参数

表5(续)

2.3 试验过程及评价内容

2.3.1 试验过程

为了保证试验结果的准确性，以防止不同油品之间混用带来的不良影响，试验开始之前，在热态下将3台试验车辆里的旧机油全部排空，加注LNG长寿命重负荷燃气发动机油试验油至油标尺3/4液面与高液面之间(如图9)进行清洗2次，每次怠速运转清洗15 min，然后放尽清洗油并更换机油滤清器、空气滤清器，最后加注试验机油到油标尺3/4液面处开始行车试验。

当行车试验进行到采样里程时，按照Q/SH 303 0618-2013标准中的规范要求进行采样分析和补加新油。

图9 油标尺示意

2.3.2 油品分析检测

在行车试验过程中，分别对每台试验公交车辆的在用机油进行分阶段采样分析，并对油品进行性能指标的检测。油品性能检测项目包括常规理化指标、红外光谱和金属元素含量三个方面，其中，常规理化指标主要包括油品的100 ℃运动黏度、碱值、酸值、水分及戊烷不溶物；红外指标分析包括氧化值、硝化值；金属含量分析包括磨损金属元素Fe、Cu、Al和Cr等以及污染元素Si的分析。

3 结果与分析

3.1 100 ℃运动黏度变化情况

黏度是燃气发动机油最基本的性能指标，合适的黏度是保证燃气发动机获得良好润滑的关键。黏度过高，机油在发动机内部的运动阻力变大，流动性差，在冷启动时难以及时达到各摩擦副表面，甚至冷启动失效，造成拉缸和烧瓦等事故；黏度太小，机油在发动机各摩擦副表面难以形成有效油膜，导致磨损急剧增加，同时还造成油压偏低而供油不良和密封变差等。发动机工作过程中，机油黏度的变化受多种因素的影响。如机油中的轻组分被蒸发、机油高度氧化、油泥生成以及不溶物的增加等都会导致黏度上升；多级机油中黏度指数改进剂受机械或热的剪切使分子断裂成小分子，增黏作用下降，使机油黏度降低。因此，燃气发动机油黏度的变化应控制在一定范围内，一般为新油的±20%，若超出此范围就应更换新油，以免发生发动机故障。试验机油100 ℃运动黏度的变化趋势如图10。

图10 100℃运动黏度变化趋势

从图10可以看出，行车试验过程中，试验机油的100 ℃运动黏度在前期出现了缓慢下降而后又逐渐上升的趋势。其主要是因为刚加注的新机油受发动机摩擦副的高速剪切作用，使机油中的黏度指数改进剂由大分子被剪切成小分子，致使机油黏度下降。随着行车试验里程的增加，在苛刻的发动机工况条件下，机油会发生氧化并生成大分子胶质和沉积物，导致机油黏度上升。在整个行车试验过程中，机油的黏度变化幅度较小，还处在原来的SAE黏度等级范围之内，没有出现明显的下降或上升现象，说明试验机油具有优异的剪切安定性、高温氧化安定性和黏度保持能力，没有出现过度氧化而造成的机油黏度剧增现象。

3.2 碱值变化情况

氧化变质是导致发动机润滑失效最重要的原因之一，燃气发动机燃烧室温度较高，更容易导致机油氧化变质。燃气发动机油在使用过程中会因机油氧化产生一些有机酸性物质，这些酸性物质会导致发动机金属部件的酸性腐蚀和磨损，缩短发动机的使用寿命。为中和机油氧化生成的有机酸性物质以及燃料燃烧产物中的无机酸性物质，机油必须具备一定的碱值。发动机油碱值可间接表示其所含清净分散剂的多少，同时也反映了机油抑制氧化和中和酸性物质能力的强弱。在机油的使用过程中，碱性添加剂会被不断的消耗，机油的碱值会逐渐下降，当碱值下降到一定程度时，机油就会失去中和酸性物质的能力，导致发动机可能会产生酸性腐蚀和磨损，一般要求在用油机油的碱值不低于新油的50%。试验机油碱值的变化趋势如图11。

图11 碱值变化趋势

从图11可以看出，行车试验过程中，试验机油的碱值呈现逐渐下降的趋势，其主要原因是中和机油因高温氧化而产生酸性物质，使得油品的碱值逐渐下降，但其下降值未超出新油碱值的50%，说明在行车试验结束时，试验机油仍然具有一定的碱值以中和酸性物质，同时也说明试验机油具有良好的碱值保持能力。

3.3 酸值变化情况

在用燃气发动机油的酸值变化情况是反映其抗氧化、抗硝化能力的主要指标，同时也反映了基础油的氧化衰变情况、相关功能添加剂的消耗情况以及机油的老化程度。其主要来源于如下3个方面：①高温下的降解氧化生产的有机酸；②氧化硝化反应生成的酸性物质；③燃料燃烧生成的酸性物质。一般发动机油会添加性能良好的抗氧剂来延缓机油的氧化速度，同时，碱性添加剂会中和酸性物质，减轻发动机的酸性腐蚀磨损。在燃气发动机油使用过程中，如果酸值增加过快过大，说明产生了较多的氧化物、硝化物等酸性物质，会加快碱性添加剂的消耗，也会进一步促进机油的氧化变质与老化，影响机油的润滑性和发动机的正常运行，因此，要监测在用机油的酸值。当在用机油的酸值增加值超过2.5 mgKOH/g时，就要进行换油处理，避免酸值过大而引起发动机故障。试验机油酸值的变化趋势如图12。

图12 酸值变化趋势

从图12可以看出，行车试验过程中，试验机油因高温下的氧化硝化作用产生了一定的酸性物质，致使机油的酸值呈现逐渐增大的趋势。但在行车试验结束时，酸值增加值没有超过2.5 mgKOH/g，处于合理范围内，同时也说明试验机油具有良好的抗氧化、抗硝化能力和高温热稳定性。

3.4 正戊烷不溶物变化情况

正戊烷不溶物是反映机油容纳污染物能力的一个指标，在用机油正戊烷不溶物主要来源于机油氧化及添加剂分解产物、发动机磨损的金属磨粒、外来的污染物如粉尘等。当在用机油的正戊烷不溶物含量达到一定值后，会导致机油黏度增大、流动性变差。此外，机油中正戊烷不溶物的聚集成团会堵塞机油过滤网和油道，造成发动机供油不畅而发生机械故障。试验机油正戊烷不溶物含量的变化趋势如图13。

图13 正戊烷不溶物变化趋势

从图13可以看出，随着试验里程的增加，试验机油中的戊烷不溶物含量呈现逐步增大的变化趋势，但一直处在非常小的范围内，试验机油表现出优异的高温清净分散性和抗氧化性能。

3.5 水分含量变化情况

在用机油中的水分与发动机技术条件、车辆工况和车辆使用环境的湿度有较大关系，其来源主要是发动机冷却系统泄露、密封垫渗漏、车辆的频繁启动或紧急停车造成润滑油系统发生冷凝、曲轴箱或润滑油箱通风不足以及雨水侵入废气系统等。当油品中水分较少时，由于发动机工作温度较高，因此极少量的水有可能被蒸发，对发动机危害不大；但随着机油中水分的增加，机油中水分会破坏油膜形成及其强度，并导致添加剂因水解而失效。另外，较大的水分含量会引起机油乳化变质，导致油泥增多，机油润滑性能下降，加剧发动机锈蚀和磨损。试验机油水分的变化趋势如图 14。

图 14 水分含量变化情况

从图 14可以看出，在整个行车试验过程中，试验机油中的水分含量最大为0.03%，处于痕迹水平，说明试验机油没有受到水分的乳化污染，机油在发动机各摩擦副之间形成的有效油膜强度，可以为发动机提供有效的润滑保护。

3.6 氧化值及硝化值变化情况

在用发动机油的氧化值、硝化值可以反映出试验油品被氧化、被硝化及受污染的程度。发动机在运转过程中，燃烧废气中的HC、CO、NOx等物质，在一定条件下可反应生成氧化物、硝化物等酸性物质，这些物质的存在可导致发动机零部件腐蚀、磨损等现象，故而对油品的使用造成不良影响，而发动机油中的添加剂可以减缓或终止这类反应，抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物质的生成，因此，利用红外光谱监测油品氧化值、硝化值的变化情况，可以反映油品的氧化衰变状况，间接掌握油品中添加剂的消耗情况。目前我国还没有关于利用红外光谱法监控在用机油的氧化值、硝化值的极限规定，一般结合其他理化指标的变化情况来综合判断油品的性能状态。试验机油氧化值和硝化值的变化趋势如图15、图16。

图15 氧化值变化趋势

图16 硝化值变化趋势

从图15、图16可以看出，随着试验里程的逐步增加，试验机油在行车试验过程中不断被氧化、被硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈现逐渐增加的变化趋势。行车试验结束时，试验机油的氧化值、硝化值一直处于较低水平，且其他理化指标正常，说明LNG长寿命重负荷燃气发动机专用油具有优异的抗氧化和抗硝化性能。

3.7 抗磨性能

车辆在运营过程中，发动机各零部件都存在一定的磨损，机油中的烟炱含量、酸性物质以及机油的氧化变质也会加快发动机各零部件的磨损。对发动机的磨损而言，其主要磨损件为缸套、曲轴、活塞和活塞环等。在用机油中的铁元素能够直接反映发动机的磨损情况，是汽缸套、凸轮/推杆、轴销、活塞环和齿轮的典型磨损元素；铜元素是轴承以及润滑油冷却器和润滑油管道内腐蚀产物的典型磨损元素，也是各种安装材料的成分；铝元素是发动机活塞、滑动轴承等的典型磨损元素；铬元素是活塞环、阀杆、凸轮/推杆，以及其他发动机合金部件的典型磨损元素。通过检测分析机油中Fe、Cu、Al、Cr等磨损金属元素含量，可用于评价油品的抗磨性能，并掌握发动机的磨损情况。试验机油中Fe、Cu、Al、Cr磨损金属元素含量的变化趋势如图17～图20。

图17 铁含量变化趋势

图18 铜含量变化趋势

图19 铝含量变化趋势

图20 铬含量变化趋势

从图17～图20可以看出，随着试验里程的增加，试验机油中的铁、铜、铝、铬等金属元素含量呈现逐渐增大的变化趋势。但在整个行车试验过程中，试验机油中的铁、铜、铝和铬元素的含量均处于较低水平，且呈规律性增加并稳定在换油技术指标的范围内，属于正常的磨损。较低的磨损元素含量也说明试验机油良好的抗磨性能和润滑性能，能够在发动机各摩擦副之间形成强度很高的极压膜，对发动机形成有效的保护，延长发动机的使用寿命。

3.8 污染元素硅

在用机油中的硅元素来源主要是吸入空气中的尘沙，即使含量不大也会引起磨粒磨损。在用油中硅元素含量与车辆的行驶环境以及空气滤清器的工作状态有较大关系，当车辆行驶于尘土飞扬的恶劣环境中或空气滤清器工作不正常时，都会造成油中硅含量的大量增加，引起发动机零部件的磨料磨损。一般当机油中的硅含量达到30 mg/g时，就建议更换机油和空气滤清器。试验机油中硅元素含量的变化趋势如图21。