SAE 40固定式燃气发动机油的差异化方案设计及应用研究

彭威

中国石化润滑油有限公司华南分公司

国内采用垃圾填埋气发电的某企业自有发动机组较多，因发电机组换油频繁和换油量大，期望通过延长油品的换油周期，来降低发电机组的维护成本，但试用多家品牌的发动机油后仍无法达到预期效果。本文采用长城SAE 40固定式燃气发动机油在该企业垃圾填埋气燃气发电机组进行了应用试验，根据用户要求的差异化方案设计并作了试用验证。试验结果表明，新方案油品的换油周期可以达到800 h，显著延长了换油周期，满足了客户的需求。

国内某领先的垃圾填埋气综合处置投资运营商致力于生活垃圾填埋场气的综合利用，拥有多个垃圾填埋气发电厂项目，发电机组有胜动、济柴750 kW的国产机组和颜巴赫750 kW的进口机组。发电机组用油量大，每次换油500 L/台，因各垃圾填埋厂的气源成分差异较大，造成燃气发电机组的维护保养情况不一，平均每500 h左右就需要换油保养，使用成本非常高，因此客户希望通过延长换油周期来降低成本。但通过近一年试用国内外多家润滑油供应商的燃气发动机油产品，仍然不能达到理想的目标。为解决客户的实际问题，结合设备的工况特点，本文进行了长城SAE 40固定式燃气发动机油的试用应用研究、差异化方案设计和实地验证，以期能够为客户提供满意的产品服务。

垃圾填埋气发电机组的工况特点及润滑要求

垃圾填埋气是生活垃圾填埋后，在填埋场内被微生物分解，产生的以甲烷和二氧化碳为主要成分的混合气体，属于沼气的一种。发电机组一般要求连续长时间运行，对稳定性要求较高，工况较为苛刻，而垃圾填埋气热值不太稳定（CH4和CO2比例不稳定）、成分比较复杂，因此采用垃圾填埋气为气源的燃气发电机组，气源成分的差异和变化对固定式燃气发动机油性能有较大影响[1]，主要表现在：

◇垃圾填埋气中含有微量H2S，本身具有一定的腐蚀性，与水、氧接触后形成硫酸，会严重腐蚀发动机的气缸、轴瓦、活塞环等重要部件；

◇垃圾填埋气中含有卤素碳氢化合物燃烧以后形成卤素酸，卤素酸具有极强的腐蚀性，其腐蚀的机理不同于硫酸及亚硫酸；

◇垃圾填埋气含有大量的CO2，致使沼气燃料的燃烧速度较慢，燃烧持续时期变长，使得发动机油黏度增大；同时，进入发动机后，由于冷却产生饱和水蒸气，垃圾填埋气中的CO2溶解于水，形成带有一定腐蚀性的碳酸。

◇垃圾填埋气含有一定的灰尘和含硅颗粒物。灰尘进入发动机就会黏附到发动机零件的油膜上，会阻塞、损坏轴承，并急剧地缩短许多发动机零件的寿命；同时，含硅颗粒物容易在发动机里聚积，造成气门、气缸套、阀门等部件的磨损。

因此，以垃圾填埋气作为气源的燃气发动机，由于其特殊的工况特点，其发动机油除了要求固定式燃气发动机油具有良好的润滑性、抗磨损、抗氧化、抗硝化、清净分散性能和适宜的灰分含量以外，还要求油品具有较高的碱值，以中和气体中的酸性成分。而发动机油的硫酸盐灰分（简称灰分）主要来源于机油中的碱性添加剂，因此在产品的开发中需要严格均衡发动机油的配方，以求获得较高的碱值和适宜的灰分含量。同时，以垃圾填埋气作为气源的燃气发动机对油品的换油周期、稳定性、可靠性以及对发电机组的耐久性保护都有较高的要求。

产品应用研究及差异化方案

根据设备的工况特点和市场同类产品情况，为客户研制试生产了SAE 40固定式燃气发动机油，并与6个其他品牌油品（气源、环境、设备等大体一致）同时进行产品性能的验证，油品的目标换油周期为800 h。

应用试验

试验发动机及试验油品

对研制试生产的油品的应用研究采用济柴的具有代表性工况的燃气发电机组进行。复杂多变的气源组成对固定式燃气发动机平稳运行带来诸多挑战。受限于成分复杂和降解组分变化，无法提供气源具体组分数据。进行的对比试验机型和工况相同。燃气发电机组技术参数见表1，试用油品的主要理化指标见表2。

表1 发动机技术参数

表2 SAE 40固定式燃气发动机油主要理化指标数据

清洗和采样

为保证试验结果的准确性，防止不同油品之间混用带来的不良影响，试验开始之前，在热态下将试用发电机组的旧机油全部排空，加注SAE 40固定式燃气发动机油试验油至油标尺3/4液面与高液面之间，对发电机组润滑系统彻底清洗1次，每次怠速运转清洗12 h，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液面处开始试用试验。

油品采样间隔为每100 h采用一次，采样后及时寄送到实验室进行样品分析，计划试验时间为800 h，待试验进行到500 h后根据油品的理化分析结果和设备运行情况来决定试验是否继续进行。

换油指标

通过与客户技术管理人员的充分沟通和交流，结合6 000 系列燃气发动机说明书要求，确定了油品的换油指标，见表3。

表3 参考换油指标

初始方案产品应用结果及讨论

将研制试生产的SAE 40固定式燃气发动机油（试验油A），并与试验油B以及其余五个品牌（试验油C、试验油D、试验油E、试验油F、试验油G）共计七个油品进行产品性能对比试用试验。

100 ℃运动黏度变化情况

试验油品100 ℃运动黏度随试验时间的变化见图1。

图1 100 ℃运动黏度的变化

由图1可见，7个试验油在整个试验周期内，100 ℃油品运动黏度的变化总体平稳，均能保持在新油的黏度级别范围内，符合客户要求。试验油C 500 h黏度数据存在异常波动，其可能原因是采样分析误差。

碱值变化情况

试验油品碱值随试验时间的变化情况见图2。

图2 碱值的变化

试验油品的碱值（碱值下降率）随试验时间的变化见图2（除试验油A、B外的5种油品缺少初始碱值，故只给出试验油A、B的碱值下降率的变化）。由图2可以看出，在气源条件较为苛刻的条件下，7个试验油的碱值都有所下降，试验油B在整个试验周期中都维持在较高碱值，但是从试验油B的初始碱值（15.27 mgKOH/g）和灰分（1.85%）可见，其值远远超过普通的燃气发动机油。较高的碱值和灰分会导致沉积物过多，气门关闭不严，导致气门喷火，造成气门熔损，从保护发动机使用寿命的长远目标考虑，此款油品并不是燃气发动机的理想选择。较高碱值对于发动机的影响见图3[2]。试验周期内，长城油品（试验油A）碱值保持较高水平，未超参考换油标准。试验油品的碱值下降较多的原因在于中和酸性物质需要消耗大量的碱性组分，这与沼气含有较高H2S等腐蚀性酸性物质有关。

图3 过高碱值对于发动机的影响

磨损（污染）元素分析

试验油品磨损元素铁含量、铜含量随试验时间的变化见图4、图5，污染元素硅含量随试验时间的变化见图6。

图4 铁含量的变化

图5 铜含量的变化

图6 硅含量的变化

由图4、图5可以看出磨损金属含量均较高，主要由于气源成分中硅含量较高所致。由图6可以看出，在试验周期内，试验油品中的硅含量均较高，其中较高的硅含量主要源于气源。征得客户同意后，结合设备运行状态，在磨损元素超过参考换油标准后仍开展试验，结果以供客户参考。

差异化设计方案

对比试用试验结果表明，试验的7个油品表现出不同的使用特性，但换油周期小于600 h。碱值保持能力、润滑油保护和换油周期未能同时达到预期。因此，根据用户的要求，结合前期试验的数据和使用效果，我们提供了差异化的产品开展试验。针对垃圾填埋气燃气发电机组的燃烧室温度较高，加剧机油在使用过程中的氧化变质[3]的工况特点，选用了抗氧化性能更加优异的基础油和添加剂配伍[4]。

新设计方案应用结果及讨论

差异化设计的产品继续在2台垃圾填埋气发电机组上进行试用研究，机型和试用地点与采用初始方案的产品一致，保证了气源、环境、设备等的大体一致性。新方案的产品理化数据如表4。

表4 新方案的试验用油主要理化指标数据

在试用过程中通过对油品的100 ℃运动黏度、碱值、不溶物、磨损元素、氧化值和硝化值等关键理化指标进行监控，以评价产品的综合性能。采样周期依然为每100 h采样一次，并及时寄送到实验室进行检测分析。

100 ℃运动黏度变化情况

新方案产品的100 ℃运动黏度随试验时间的变化见图7。

图7 新方案产品100 ℃运动黏度变化

从图7可以看出，新方案的产品在使用过程中，非常关键的理化指标100 ℃运动黏度变化平稳，说明油品良好的润滑性能和突出的抗氧化能力，能够满足垃圾填埋气发电机组的特殊工况要求，可以为垃圾填埋气发电机组提供良好的润滑保护。

碱值变化情况

新方案的产品的碱值随试验时间的变化见图8。

图8 新方案产品碱值变化

从图8可以看出，新方案的产品在使用过程中，碱值下降率随试验时间的推移逐渐上升，这是正常现象。新方案产品在两台机组上试验，试验时间900 h时，碱值下降率仍在换油指标要求范围内，表明油品具有较好的酸中和能力，避免设备的酸腐蚀磨损，同时体现了优良的碱值保持性。

正戊烷不溶物变化情况

新方案的产品的正戊烷不溶物随试验时间的变化见图9。

图9 新方案产品正戊烷不溶物变化

从图9可以看出，新方案的产品在使用过程中，油品中的正戊烷不溶物含量较小，没有达到换油标准的要求，体现了油品良好的清净分散性。

水分变化情况

新方案的产品的水分随试验时间的变化见图10。

图10 新方案产品水分变化

从图10可以看出，新方案的产品在使用过程中，油品中的水分较小，没有达到换油标准0.2%的要求，说明油品在使用过程中没有受到水分的污染。

氧化值及硝化值变化情况

新方案的产品的氧化值和硝化值随试验时间的变化见图11、图12。

图11 新方案产品氧化值变化

图12 新方案产品硝化值变化

从图11、图12可以看出，新方案的产品在使用过程中，油品的氧化值和硝化值呈现逐渐增大的趋势，但在试验结束时均没有达到换油标准的要求，表明油品具有较好的抗氧化和抗硝化性能。

磨损（污染）元素含量变化情况

新方案的产品的Fe、Cu、Al、Pb磨损金属元素含量的变化分别见图13～图16，污染元素硅含量的变化见图17。

图13 新方案产品铁含量变化

图15 新方案产品铝含量变化

图16 新方案产品铅含量变化

图17 新方案产品硅含量变化

从图13～16可以看出，新方案产品在试用过程中Fe、Cu、Al和Pb等的磨损元素含量随试用时间的延长逐渐增加。由图13可知，铁元素含量在800 h前增长较为缓慢，2号机组运行至1 100 h时仍未超出换油指标，较改进前（600 h时铁含量已超出换油指标）的油品有较大提升。由图14可知，1号机组铜含量在800 h时未超换油指标，2号机组试验结束时仍未超过换油指标。由图15可知，铝元素在整个试验周期均未超出换油指标。从图17可以看出，污染元素硅含量增长较快，主要受气源因素影响所致。较高的硅元素含量对油品长周期稳定运行提出了严苛挑战。综上所述，结合客户主要关注点和两台机组的综合表现，推荐换油期可达800 h，客户对此推荐换油周期表示认可。

结论

通过差异化的SAE 40固定式燃气发动机油产品设计，使产品的换油周期从初始的600 h左右提升到800 h，得到客户的认可。

实际的应用结果表明，新方案的SAE 40固定式燃气发动机油具有更加优异的产品性能，更加适合工况恶劣的采用垃圾填埋气为燃料的燃气发电机组的润滑。油品换油周期可以达到800 h，相比客户原用油的换油周期有了较大的提升，能够有效地减少换油频次，减少客户的设备维护成本和人工成本。