长城中速燃气发动机专用油的应用研究

林志鹏

中国石化润滑油有限公司上海研究院

近年来，随着我国能源结构的调整和节能减排战略的逐步实施，使用清洁气体燃料的纯气体发动机以低的二氧化碳排放、无硫氧化物和颗粒物排放的优势，开始越来越受到关注。四冲程纯气体中速发动机主要用于各种分布式能源系统、船舶主（副）机、陆用电站、移动电站和煤层气发电等领域。纯气体中速发动机相对于中速柴油机，工作温度更高，其使用的发动机油（气体机油）更容易发生氧化和硝化反应，生产酸性物质和沉积物；由于纯气体中速发动机使用的气体燃料硫含量极低，要求发动机油在具备良好的清净性的同时，有较低的碱值。目前纯气体发动机油尚未形成统一的规格标准,也极少有在四冲程中速纯气体发动机上的相关应用研究。

本文采用长城中速燃气发动机专用油在某四冲程纯气体中速发动机上开展了300 h的应用试验，通过定期采集在用油进行检测，并且在试验结束后进行拆机检查，确认油品是否满足四冲程纯气体中速发动机的用油要求。

试验部分

试验用气体发动机

试验用气体发动机主要参数见表1。

试验用气体机油

根据燃料类型，应选用碱值较低的产品。根据纯气体发动机的进气阀的保护要求[1]，气体机油的硫酸盐灰分过高会产生过多的沉积物，过低会造成进气阀的磨损[2]。因此，本研究选用的气体机油为TBN 6，硫酸盐灰分0.5%（质量分数），SAE 40黏度等级的产品，其典型数据见表2。

表1 试验发动机技术参数

表2 长城中速燃气发动机专用油典型数据

气体机油的评价

试验过程中，每100 h采集在用油进行检测，直至试验结束。分析项目包括：运动黏度（100 ℃）、闪点（闭口）、碱值、戊烷不溶物、氧化值、硝化值、元素分析，通过对在用油的监控，判定发动机的工作状况，评价长城中速燃气发动机专用油的性能[3]。

图1 长城中速燃气发动机专用油100 ℃运动黏度变化

试验结果与讨论

在用油分析

应用试验期间，共收集100 h、200 h、300 h的在用油油样，对3次在用油油样与0 h油样的分析数据作图。

运动黏度分析

合适的运动黏度能够保证发动机油在摩擦金属表面产生合适强度的油膜，保证润滑效果。试验油的100 ℃运动黏度变化见图1。

从图1可以看出，试验油样在试验过程中黏度变化平稳，能够保证油品形成的油膜有合适的强度。

碱值分析

足够的碱值用于中和燃料燃烧产生的少量酸性物质，防止腐蚀；同时碱值也反映油品中清净剂的量，足够的清净剂可保证油品的清净性，控制沉积物的产生。试验油的碱值变化见图2。

从图2可以看出，试验油样在试验过程中碱值变化平稳，表明油品具有良好的碱值保持性。

戊烷不溶物分析

油品在内部高温的条件下，特别是在发动机金属部件作为催化剂的条件下，可能会发生氧化反应，产生不溶物，因此试验油样的戊烷不溶物含量能反映油品的氧化情况。另外，戊烷不溶物还包括灰尘、发动机磨损金属颗粒物等。试验油的戊烷不溶物变化见图3。

从图3可以看出，试验油在试验过程中戊烷不溶物一直保持低于0.5%（质量分数）的水平，表明油品氧化情况良好，油品具有良好的抗氧化性能且仅有极少的固体颗粒不溶物混入。

闪点分析

闪点是油品的安全指标，通过监控试验油样的闪点，可以看出是否有低闪点的组分混入油品中。试验过程中，试验油样的闪点变化见图4。

从图4可以看出，试验油在试验过程中闪点处在安全位置，表明没有低闪点的组分混入。

磨损金属含量分析

通过元素分析，监测试验油中的铁、铝、铜3种金属元素含量，考察发动机设备活塞、缸套等主要金属部件的磨损情况。试验油在试验过程中磨损元素含量变化见图5。

从图5可以看出，试验油在试验过程中的磨损金属元素含量非常低，表明发动机设备活塞、缸套等金属部件磨损情况良好，试验油具有优异的抗磨性能。

氧化值分析

以红外光谱直接趋势法(ASTM E2412)分析试验油品在试验过程中的氧化值变化，可以更直观地反映油品的氧化情况，试验油的氧化值变化见图6。

从图6可以看出，试验油在试验过程中氧化值变化平稳，表明油品氧化情况良好，油品具有良好的抗氧化性能。

图2 长城中速燃气发动机专用油碱值变化

图3 长城中速燃气发动机专用油戊烷不溶物变化

图4 长城中速燃气发动机专用油闪点变化

硝化值分析

气体发动机较柴油发动机有更高的工作温度，高温情况下润滑油容易与氮气、氧气发生硝化反应生成酸性物质。通过红外光谱直接趋势法(ASTM E2412)测试试验过程中试验油样的硝化值变化情况，能反映油品发生硝化反应的情况。试验油的硝化值变化见图7。

从图7可以看出，试验油在试验过程中硝化值变化平稳，表明油品发生硝化反应的情况良好，油品具有良好的抗硝化性能。

发动机拆检

应用研究开展了300 h后进行拆机检查，主要检查了No.6缸的活塞、缸套、曲轴箱、气缸盖、气阀、主轴瓦等部位。发动机No.6缸活塞检查情况见图8。

从图8可以看出，活塞环槽、环台积炭情况良好，无严重漆膜；活塞裙部磨损情况基本良好，无明显漆膜；一些位置出现少量刮痕，从形状看是由于发动机金属部件碎屑引起。

图5 长城中速燃气发动机专用油磨损金属元素含量变化

图6 长城中速燃气发动机专用油氧化值变化

图7 长城中速燃气发动机专用油硝化值变化

图8 活塞拆检情况

图9 曲轴箱拆检情况

图10 气缸盖拆检情况

发动机No.6缸对应曲轴箱部位检查情况见图9。

从图9可以看出，No.6曲轴箱曲轴磨损情况良好，未出现异常磨损。

发动机No.6缸的气缸盖部位检查情况见图10。

从图10可以看出，No.6气缸盖无明显沉积物存在。

发动机No.6缸对应气门检查情况见图11。

从图11可以看出，No.6缸气阀状态正常，磨损情况良好，且无明显沉积物。

发动机No.6缸缸套检查情况见图12。

从图12可以看出，No.6缸缸套表面状况良好，无异常磨损。

发动机No.6缸主轴瓦检查情况见图13。

从图13可以看出，No.6缸主轴瓦表面状况良好，无异常磨损，且金属部件未发生明显的金属氧化变化。

图11 气门拆检情况

图12 缸套拆检情况

图13 主轴瓦拆检情况

结论

☆长城中速燃气发动机专用油在应用研究中表现出优异的综合性能。在用油分析、拆机检查结果表明，油品具有良好的黏度保持性和碱值保持性；具有良好的抗氧化、抗硝化性能；具有良好的高温清净性与抗磨性能。

☆长城中速燃气发动机专用油适合于四冲程中速纯气体发动机的气缸和曲轴箱的润滑。