甲醇燃料发动机专用润滑油理化性能指标研究

曹 聪 段卫宇 刘 辉 张 斌 李 响 王美臻

（1-辽宁省检验检测认证中心 辽宁 沈阳 110032 2-辽宁省产品质量监督检验院 3-国家石油产品质量监督检验中心（沈阳） 4-辽宁三特石油化工有限公司）

引言

为了加速推进全球气候治理进程，我国于2020年提出了“碳达峰”和“碳中和”的目标。促进能源需求转型，高效开发和利用环保能源成为我国可持续发展的主要方向。甲醇燃料是优化能源结构、促进循环经济发展的新型替代能源。相比于乙醇燃料[1]，甲醇燃料制备来源多样、可合成范围广泛，是以“降低能耗、减轻污染、低碳利用、循环发展”为特征的能源。

甲醇分子中只包含氢、碳、氧3 种元素，其含氧量达50%，不含硫和其他有机化合物，具有燃烧速度快、放热快、尾气排放污染少等特点[2]。甲醇燃料的辛烷值可达106～112，发动机可在较高的压缩比下工作，从而可提高发动机的输出功率和热效率，同时可减少燃料消耗量[3-4]。另外，甲醇也是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除油箱及油路中凝结和沉淀的杂质，可以很好地起到疏通油路的作用，还可以有效地消除火花塞、气门、排气管等部件的残炭。除了以上优点，甲醇本身的一些特性限制了其推广使用[5]。甲醇具有极强的极性，对汽车所用金属、橡胶及塑料部件均有不同程度的影响。甲醇的汽化潜热是汽油的3～4 倍，当发动机冷起动时，需要吸收更多的热量才能将进气管道中的甲醇蒸发[6-7]。甲醇燃料在发动机气缸内燃烧过程中会生成一些高粘度的酯，不但影响润滑油的流动性能，而且当酯含量不断增加时容易与润滑油内的杂质、水和金属磨损颗粒等吸附在一起形成油泥，影响散热效果。

由于甲醇燃料的上述特性，目前市场上使用的汽油机润滑油和柴油机润滑油在性能以及级别上均不能满足甲醇燃料发动机对润滑油性能的要求，需要通过调整润滑油添加剂的配比来得到甲醇燃料发动机专用润滑油。国内有众多汽车和润滑油生产厂商长期投身于甲醇燃料发动机专用润滑油的研究开发[8]。辽宁三特石油化工有限公司的研发人员采用氟直链己醇和硝酸钯制备成胶体溶液a，加入丙烯酸，生成含有钯离子的丙烯酸全氟己酯；采用全氟直链癸醇和硝酸钯制备成胶体溶液b，加入丙烯酸，生成含有钯离子的丙烯酸全氟癸酯；将丙烯酸全氟己酯和丙烯酸全氟癸酯混合并加入引发剂，生成的产物与按辽宁三特石油化工有限公司企业标准Q/LSY 005-2018 生产的甲醇燃料发动机润滑油进行合成反应，生产出抗泡沫甲醇汽车发动机润滑油[9]。

本文开展甲醇燃料发动机行车试验，分析润滑油的运动粘度、碱值、磨损元素、污染元素及水分等理化性能指标。通过与普通汽油发动机润滑油和普通柴油发动机润滑油进行比较，验证纯甲醇燃料发动机专用润滑油和甲醇-柴油混合燃料发动机专用润滑油的性能。

1 试验

1.1 样本采集

本次试验所用润滑油为辽宁三特石油化工有限公司生产的SN 质量等级抗泡沫甲醇汽车发动机专用润滑油和CI 质量等级抗泡沫甲醇汽车发动机专用润滑油，参比润滑油为辽宁三特润滑油有限公司生产的SN 质量等级汽油发动机润滑油和CI 质量等级柴油发动机润滑油。

行车试验所用车辆由汽油车和柴油车改装而成。试验前分别加注普通润滑油和甲醇燃料发动机专用润滑油，并在行驶0 km、5 000 km、10 000 km后从发动机油底壳抽取150 mL 样品进行理化性能检测，考察润滑油在实际行车条件下的性能。由于将普通汽油机润滑油用于甲醇燃料发动机中，在车辆行驶至5 000 km 时，已达到临界使用状态，故未进行10 000 km 的普通汽油机润滑油理化性能检测。

1.2 检测仪器

试验所用检测仪器见表1。

表1 试验用检测仪器

2 试验结果与分析

2.1 运动粘度

表2 为普通润滑油和甲醇燃料发动机专用润滑油在车辆行驶0 km、5 000 km、10 000 km 后的运动粘度检测结果。

表2 不同润滑油的运动粘度检测结果 mm2/s

不同润滑油的运动粘度随行车里程变化情况如图1 所示。

图1 不同润滑油的运动粘度随行车里程变化情况

甲醇燃料及其生成的甲酸、甲醛等物质溶解到润滑油中，将与粘度指数改进剂的高分子聚合物进行反应，改变其高分子链结构，失去伸缩能力，从而造成润滑油粘度调解能力下降。从图1 可以看出，在纯甲醇燃料发动机上，使用甲醇燃料发动机专用润滑油时的运动粘度下降比使用普通汽油机润滑油时慢，粘度变化率小；在甲醇-柴油混合燃料发动机上，使用甲醇-柴油混合燃料发动机专用润滑油时的运动粘度下降比使用普通柴油机润滑油时慢，粘度变化率小。从图1 还可以看出，在车辆运行的前5000km，粘度变化率比较大；在车辆行驶至5 000 km 以后，粘度变化率比较小。这主要是由于在车辆运行前期，有一部分燃料进入润滑油中，造成润滑油稀释，从而显著降低了粘度。而在车辆行驶至5 000 km 以后，由于润滑油中水分增加，加速了润滑油乳化；另外，润滑油被污染后会产生不同种类的粘性物质，导致后期粘度下降较慢。从粘度变化情况来看，在车辆行驶至10 000 km 时，甲醇燃料发动机专用润滑油的运动粘度仍满足12.5～16.3 mm2/s 的运动粘度标准要求，确保发动机正常运行。

2.2 碱值

与汽油机相比，甲醇燃料发动机会产生更多的油泥和甲酸等物质。油泥是燃烧不充分产物聚合后与润滑油中水分混合生成的，会使发动机润滑油中的积碳不断增加，并附着在油箱上，阻止油泵吸油，并堵塞滤网[10]。而甲酸等酸性物质不断消耗润滑油中的清净分散剂，同时降低润滑油的碱值。不同润滑油的碱值（以KOH 计）检测结果见表3。

表3 不同润滑油的碱值（以KOH 计）检测结果mg/g

通过表3 可以看出，在新油状态下，纯甲醇燃料发动机专用润滑油的碱值比普通汽油机润滑油的碱值略高，甲醇-柴油混合燃料发动机专用润滑油的碱值比普通柴油机润滑油的碱值略高。在车辆行驶至5 000 km 时，普通汽油机润滑油的碱值远低于纯甲醇燃料发动机专用润滑油的碱值。而在车辆行驶至10 000 km 时，普通柴油机润滑油的碱值低于甲醇燃料发动机专用润滑油的碱值。说明甲醇燃料发动机专用润滑油具有良好的碱值保持性，可以有效地保证润滑油的酸中和能力。

2.3 磨损元素及污染元素

由于甲醇燃料自身的燃烧特性，对抗磨剂的主要成分二烷基二硫代磷酸锌（ZnDDP）有破坏作用，大大降低了润滑油的抗磨损性能，对发动机正常运转产生负面影响。由于发动机的主要磨损多发生在以铁、铝、铜材质为主的缸套、曲轴、活塞环等零部件上，因此可通过润滑油中铁、铝、铜元素含量的变化对磨损情况进行评价。不同润滑油中铁、铝、铜等主要磨损元素的检测结果见表4。

表4 不同润滑油中主要磨损元素检测结果 μg/g

通过表4 中的数据可以看出，铁元素为发动机最主要的磨损元素。在车辆行驶至5 000 km 时，普通润滑油中的铁元素已有很大程度增加，其中普通汽油机润滑油中的铁元素已超过汽油机润滑油70 μg/g的换油指标；在车辆行驶至10 000 km 时，普通柴油机润滑油中的铁元素已接近柴油机润滑油150μg/g的换油指标[11]。在甲醇燃料发动机专用润滑油中，铝元素基本随着里程的增加平稳增加；而普通汽油机润滑油在车辆行驶5000 km 时的铝元素含量远远高于甲醇燃料发动机专用润滑油在车辆行驶10 000 km时的铝元素含量，已超过30 μg/g 的换油指标。铜元素在所有试验润滑油中含量均很低，随着里程的增加仅有微小的增加；相比于普通润滑油，甲醇燃料发动机专用润滑油中的铜元素增加更少。

硅元素是一种主要污染元素。当车辆行驶于灰尘严重的环境中或空气滤清器不正常时，会导致润滑油中的硅含量显著增加，造成发动机零部件磨损。不同润滑油中硅元素检测结果见表5。

表5 不同润滑油中硅元素检测结果 μg/g

通过表5 可以看出，当车辆行驶在10 000 km 之内时，所有试验润滑油的硅元素均未超过汽油机润滑油换油标准所要求的30 μg/g，均能满足甲醇燃料发动机使用要求。

2.4 抗乳化性

甲醇燃料燃烧产生水分，这些水分如果无法及时排除而与润滑油接触，就会导致润滑油出现乳化现象。不同润滑油的水分含量检测结果见表6。

表6 不同润滑油的水分含量检测结果 %

从表6 可以看出，相比于普通汽油机润滑油，纯甲醇燃料发动机专用润滑油的水分含量增加程度减小。相比于普通柴油机润滑油，甲醇-柴油混合燃料发动机专用润滑油的水分含量增加程度减小；在车辆行驶至10 000 km 时，普通柴油机润滑油的水分含量已接近柴油机润滑油换油标准所要求的0.2%，而甲醇-柴油混合燃料发动机专用润滑油则使用状况良好。

3 结论

通过对纯甲醇燃料发动机和甲醇-柴油混合燃料发动机行车试验中润滑油理化性能指标进行检测，得到以下结论：

1）随着车辆行驶里程的增加，试验用润滑油的运动粘度均呈下降趋势，且车辆运行前期下降幅度大，车辆运行后期下降缓慢；甲醇燃料发动机专用润滑油比普通润滑油具有更好的粘温性，在车辆行驶至10 000 km 时，发动机仍能正常运行。

2）当车辆行驶在5 000 km 之内时，随着车辆行驶里程的增加，甲醇燃料发动机专用润滑油的碱值下降比普通汽油机润滑油和普通柴油机润滑油均缓慢；当车辆行驶至5 000 km 以后，随着车辆行驶里程的增加，甲醇燃料发动机专用润滑油的碱值下降比普通柴油机润滑油缓慢。可知，甲醇燃料发动机专用润滑油具有更好的碱值保持性。

3）随着车辆行驶里程的增加，试验用润滑油中主要磨损元素铁、铝、铜均有不同程度的增加；甲醇燃料发动机专用润滑油中，主要磨损元素铁、铝、铜的增加幅度显著低于普通汽油机润滑油和普通柴油机润滑油。当车辆行驶在10 000 km 之内时，试验用润滑油中的主要污染元素硅均无明显增加。

4）随着车辆行驶里程的增加，试验用润滑油中的水分含量呈现上升趋势。相比于普通汽油机润滑油和普通柴油机润滑油，甲醇燃料发动机专用润滑油中的水分含量增加较少。

5）以上试验结果说明，通过采用甲醇燃料发动机专用润滑油，一方面可以解决甲醇燃料在使用过程中出现的零部件磨损异常和润滑油乳化、结焦、油泥等问题。另一方面，采用甲醇燃料发动机专用润滑油，可延长润滑油的换油周期。普通汽油机润滑油的换油周期一般为5 000 km，甲醇燃料发动机专用润滑油的换油周期可达7 000～1 0000 km。换油周期延长，既节约了保养成本，也降低了润滑油的消耗量，从而可减少废润滑油产生的污染及处理成本。

6）仅仅采用甲醇燃料发动机专用润滑油不足以解决甲醇燃料发动机的橡胶溶胀、冷起动困难等问题，需进一步对发动机内部结构、喷油系统、零部件材质等多方面进行优化。