发动机润滑油应用研究

刘潜

摘要：发动机作为主流商用动力机械对其应用的润滑油有特定的需求，润滑油随着发动机产品的升级而不断发展。本文介绍了润滑油的组分，论述了在商用领域占主流的柴油发动机和燃气发动机的工作特点，进而分析了上述两类发动机对润滑油的特殊需求。最后，结合现今柴油机和燃气机的技术特点，简析了润滑油的选用方法。

关键词：润滑油;柴油机;燃气机

0  引言

润滑油是一种广泛应用于机械装置的主要起润滑作用的流体介质。全球范围内，除了传统的欧美日韩润滑油制造商外，新兴发展中国家也在大力发展润滑油产业。润滑油行业经过长期发展，可供发动机用户选用的润滑油商品已多种多样。

为了保障发动机持续可靠运转，用户需为其发动机选择一款合适的润滑油。通常来讲，国内发动机制造商和润滑油供应商合作开发后市场专用润滑油。然而受油品出口限制等客观条件所限，国内发动机公司在海外的广大用户无法采购到专用油。海外用户如何选用适合自身发动机的润滑油商品，是他们面临的现实问题。基于此，本文研究分析了柴油机润滑油及燃氣机润滑油的应用技术，以期为海外市场用户提供有参考价值的润滑油应用信息。

1  润滑油的组分

市售的成品润滑油（简称成品油），由基础油和添加剂经特定工艺调和而成。基础油约占成品油质量的60-90%，是成品油的主要组成部分。同时，基础油作为添加剂的载体是影响成品油的粘度、挥发性、及氧化安定性的主要因素。由于理化特性具有先天局限性，单独使用基础油不能满足机械装备的运行要求。因而，需要向基础油中添加一些特殊的化学物质（简称添加剂）以弥补基础油的不足。添加剂主要包括分散剂、清净剂、抗磨剂、抗氧剂、摩擦改进剂等。

1.1 基础油

基于质量品质不同，基础油通常分为I类、II类、III类、IV类及V类。I类基础油的芳烃、硫、氮含量较高，氧化安定性和热安定性差，不能满足高质量级别发动机油的需求。II类基础油杂质少，热稳定性好，抗氧化性好。III类基础油除具备II类基础油的特点外，还具有低温流动性好及蒸发损失小等优点。与前三类基础油相比，IV类和V类基础油的制造工艺不同，它们是采用合成工艺制造而非原油蒸馏得到。

不同种类基础油的对比如表1所示。

1.2 添加剂

添加剂是润滑油中的起调节作用的部分化学物质的统称，占成品油质量的10-40%。常见的添加剂有如下种类：

抗氧化剂：通过分解过氧化物，终止反应链等延缓润滑油的氧化老化进程。

消泡剂：通过吸附于泡沫，改变气泡局部表面张力，使气泡破灭进而起到快速消除油中气泡的效果。

粘度指数改进剂：属于大分子聚合物，随温度升高膨胀后提高油品粘度，随温度降低收缩进而降低油品粘度，上述特性扩宽了润滑油的匹配温度范围[1]。

降凝剂：其极性基团吸附于基础油中的蜡进而改变蜡晶体的形状，进而弱化蜡晶体对润滑油流动性的影响以降低油品凝点。

破乳剂：通过破坏润滑油中的水滴外油膜，促进水滴聚集成团，加快水份蒸发。避免在油中产生过量油水乳化物。

减磨剂：其极性分子吸附于金属表面形成吸附膜，从而降低摩擦系数改善运动表面润滑状态。

极压抗磨剂：多为含硫、磷、氯等活性元素的有机物。高温高压下，活性元素被与金属反应生成抗压抗剪切性强的反应膜。在极压状态下，先被剥离的首先是该反应膜，进而避免金属直接接触发生黏着。

防锈剂：其强极性基团吸附于金属表面形成分子层，进而将水或空气与金属表面隔绝，避免金属表面生锈。

清净分散剂：其功能可细分为增容、分散、洗涤、中和等。“增容”是借助表面活性剂作用，将非油溶性胶质包裹形成胶团溶于油中。“分散”是清净分散剂吸附于烟炱等非油溶性固体，防止其聚集增大或在金属表面沉积。“洗涤”是清净分散剂渗透于积碳，漆膜后将其从金属表面清洗下来，并分散到润滑油中。“中和”是呈碱性的清净分散剂可中和燃烧产物中的酸性物质。

2  发动机润滑油的性能特点

本文仅讨论用于商业用途的柴油机或燃气机，其常见应用场景包括：牵引车、客车、发电机组、工程机械、船舶动力等。因工作原理不同，柴油机和燃气机对润滑油的要求亦有明显差异。

2.1 柴油机润滑油的性能特点

2.1.1 柴油机的发展现状

具备大扭矩及优异燃油经济性的柴油机，是商用领域主要的动力机械。随着CO2排放法规和污染物排放法规的日益严格，柴油机技术亦不断革新。CO2排放法规的加严，要求柴油机制造商采用更高喷射压力的燃油系统，更高效的增压系统等先进技术手段提高燃烧效率和燃油经济性。污染物排放法规的升级催生了高技术含量的尾气后处理系统。尾气后处理系统可以有效收集柴油机尾气中的颗粒物，并通过化学方法降低氮氧化物。作为柴油机工作介质之一的润滑油也随着柴油机技术的进步而不断优化。

2.1.2 柴油机润滑油的清洁分散性

柴油机工作时，受油气混合时间所限，喷入燃烧室的柴油不能与空气彻底地混合，使得燃烧产物中含有碳烟颗粒。碳烟颗粒累积在气门、气门座圈、活塞头部、缸套内壁及喷油器油嘴部位形成积碳。积碳不仅会引起相关零部件的早期磨损，同时也会形成炽热部位导致早燃和工作粗暴。基于上述分析，柴油机润滑油需具备优异的清洁分散性能以清理积碳[2]。

2.1.3 柴油机润滑油的碱值及其保持能力

通常来讲，柴油机用户使用的柴油质量参差不齐。特别是在船舶行业，船用柴油硫含量偏高[3]。柴油中的硫，经高温氧化后生成酸性物质。酸性物质会引起金属零部件的腐蚀。上述特点要求柴油机润滑油具备一定的碱值以中和酸性物质，并需具备一定的碱值保持能力。

2.1.4 柴油机润滑油的抗剪切性能

柴油机的压缩比高，燃烧过程中爆发压力大，要求柴油机各运动副处的润滑油油膜稳定可靠，具备高的抗剪切能力。

2.1.5 柴油機润滑油的抗氧化能力

重型柴油机通常高速高负荷持续运行，其使用的润滑油工作在一个持续高温的环境中，因此润滑油必须具备优良的抗氧化能力。

2.1.6 柴油机润滑油的粘温特性

柴油机使用范围广泛，热带寒区等不同的环境温度要求柴油机润滑油可在宽广的环境温度范围内均能保持合适粘度。

2.2 燃气机润滑油的性能特点

2.2.1 燃气机的发展现状

随着天然气资源开采能力的不断升级，以及天然气储存供应硬件设施日趋完善，以天然气作为燃料的燃气机变得日益普及[4]。城市化进程的加快使得城市垃圾填埋场收集的垃圾填埋气也越来越受到人们的重视而被加以利用。燃气机的工作原理类似汽油发动机，采用一套独立的燃气引入系统和点火系统。国际上，燃气机制造商基于市场需求开发出大量可靠耐用的燃气机用于大型发电机组，船舶动力以及道路用车辆。

2.2.2 燃气机润滑油的抗硝化抗氧化能力

通常来讲，燃气机采用当量空燃比燃烧方式，导致其热负荷高。高的热负荷要求燃气机润滑油具备较强的抗氧化能力。同时，由于高的燃烧温度会导致大量氮氧化物生成，需燃气机润滑油能有效抵抗氮氧化物的硝化作用（简称抗硝化能力）[5]。

2.2.3 燃气机润滑油的硫酸盐灰分

燃气机和柴油机相比，一个显著差异是燃气机的气门及其座圈部分缺少有效润滑。缺少润滑是因为天然气流经气门进入燃烧室的过程中，燃气对气门及其座圈起不到润滑作用，这就导致气门的工作条件非常恶劣。长时间工作之后，气门和气门座圈之间就会产生过度磨损，这一现象称之为气门下沉过快。为了规避此风险，需要保证燃气机润滑油中含有适当比例的硫酸盐灰分。润滑油通过活塞环同缸套之间的空隙串入燃烧室后参与燃烧生成有润滑作用的胶质，胶质沉积在气门和气门座圈表面起到润滑作用，从而避免了气门下沉过快。值得注意的是，灰分的含量需保持在合适的比例内。灰分较多会导致燃烧室周边零件积碳较多。灰分过少又无法保证气门及其座圈得到良好的润滑[6]。

2.2.4 燃气机润滑油的碱值

天然气或者处理后的垃圾填埋气的硫含量较柴油低很多，所以燃气机对润滑油碱值的要求比柴油机低。

3  润滑油的粘度

3.1 润滑油的粘度分类

当今市场通用的润滑油粘度标准是美国汽车工程师协会（SAE）颁布的标准。

粘度参数中通常包含数字和字母W，如：“SAE10W-40”。类似，粘度级别中包含“W”的润滑油称为多级油。其中数字“10”代表润滑油的低温时的粘度，数字越小表示低温粘度越小，低温适应性越好。数字“40”代表高温时的粘度，数字越大代表高温时的粘度越大，高温适应性越好。字母“W”是英文 “winter”的首字母，表示该润滑油适用于寒冷环境。对于粘度级别中无字母“W”的润滑油，油品不适用于低温环境，将该类润滑油称为单机油。综上，通过不同的数字和字母组合，可以得到不同的润滑油粘度。常见的SAE粘度和适用环境温度的对应关系，如表2。

3.2 润滑油粘度的选择

在确定采用的润滑油粘度时，需确保其适用温度范围完全涵盖当地环境温度，并留有适当裕量。特定粘度品级适用温度范围的下限应至少比当地最低温度低5℃，适用温度范围的上限应至少比当地最高温度高5℃，以保证发动机的使用安全。

关于单级油和多级油的选用上，经研究给出如下建议：对于高温地区用户，优先选用单级油。非高温地区，优先选用多级油。基于行业经验，单级油中不含用于改善粘温性能的粘度指数改进添加剂。粘度指数改进剂在高温时其分子结构会发生改变而有劣化风险，所以配有粘度指数改进剂的润滑油的稳定性不如单级油。国际知名发动机制造商 Caterpillar 的润滑油匹配手册中明确提到这一要求。

4  润滑油的品级

4.1 柴油机润滑油的品级

4.1.1 API级别

关于润滑油品质分级，目前国际市场上存在几大主流标准颁布机构，分别是美国石油学会（API）[7]，欧洲汽车制造商协会（ACEA）标准及日本汽车协会[8]。从通用性来讲，API标准使用范围最为广泛。中国市场上的润滑油通用API标准。篇幅所限，本文仅限于对API标准进行论述。

从颁布目标来讲，API润滑油品级信息如表3。

从表3可知，API颁布的润滑油标准是随着技术革新逐渐升级的。各级别润滑油具备不同的理化性能。主要区别如下：活塞沉积物控制和机油耗，活塞环缸套磨损控制，烟炱分散，锈蚀，油品氧化，空气释放性，阀系磨损等为了评价上述各方面性能，API开发了一套客观准确的试验评价体系，不同的性能指标采用不同的发动机台架试验进行评价。如表4所示。

4.1.2 基于API品级的应用推荐

基于多年市场配套验证经验，对应用不同技术装置的柴油机选择润滑油时依照如下：

表5为道路用柴油机润滑油品级推荐表。

表6为非道路用柴油机润滑油品级推荐表。

4.1.3 基于柴油质量的考虑

对于满足欧VI排放标准的柴油机，柴油机通常配套颗粒捕集器（PDF），PDF的致密蜂窝状结构对废气中的微粒非常敏感。所以，为配备PDF的柴油机选择润滑油时需采用灰分含量极低的CK-4或CJ-4品级[9]。然而，由于润滑油灰分含量低，相应的碱值也低，其中和酸性物质的能力随之下降。如果柴油机所使用的柴油中硫含量很高，柴油燃烧生成的酸性物质导致低灰分的润滑油过早老化。基于以上分析，配置PDF的柴油机只能选择CJ-4或CK-4品级润滑油，且只能使用超低硫柴油作为燃料。

4.2 燃气机润滑油的品级

目前国际上无衡量燃气机润滑油质量级别的通用标准。按照燃气机润滑油行业惯例，润滑油生产商通常将硫酸盐灰分含量作为油品的一个关键性指标[10]。燃气机润滑油基于硫酸盐灰分含量分类如表7。

表7中的无灰分燃气机润滑油主要是基于二冲程发动机的应用场景[11]。二冲程发动机无进排气门，通过扫气口进行换气，所以二冲程发动机不涉及气门及气门座圈的润滑问题，这样灰分含量越低积碳产生的越少。低灰分燃气机油的适用面非常广，对于使用清洁天然气的发动机，国际发动机制造商均推荐使用低灰分润滑油。对于使用沼气，垃圾填埋气的场景，由于气源中的H2S含量高，推荐酸中和能力更强的中高灰分燃气及润滑油[12]。

5  总结

发动机润滑油由基础油和添加剂构成，具备合适配比的基础油和添加剂各自发挥相应功能。随着燃油耗法规及废气污染物控制法规的不断升级，发动机润滑油的品质亦不断优化。由于柴油机和燃气机工作原理不同，匹配这两种发动机的润滑油在性能特点上有明顯差异。论述了用户如何根据环境温度选择合适的润滑油粘度。给出了基于不同柴油机技术路线的润滑油质量品级推荐表。最后，基于燃气机气源质量，阐述了如何选用合适的燃气机专用油。

参考文献：

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