石順友，杜志偉，王雪梅，林國就，王俊

(1.中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011；2.廣州市第三公共汽車公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著汽車環(huán)保法規(guī)的日益苛刻，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以其良好的清潔燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性和安全性在出租車、城市公交等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，截至2018年1月，我國天然氣汽車保有量已達(dá)608萬輛，加氣站8400座，均位居世界第一位[1]。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)是在原有汽/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)，但由于燃料的不同造成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火方式以及燃燒狀態(tài)的不同，對(duì)潤滑的要求也不相同，需要專用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)通常高負(fù)載連續(xù)運(yùn)行，要求燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油具有很好的潤滑性和可靠性，特別是電噴、缸內(nèi)直噴等先進(jìn)技術(shù)在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛采用，對(duì)機(jī)油性能提出了更高的要求。同時(shí)，國內(nèi)大中城市公交車輛超載嚴(yán)重、路況復(fù)雜、開開停停的惡劣工況使發(fā)動(dòng)機(jī)油更易受到污染、老化變質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油換油周期縮短。目前重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的換油周期僅為1萬～1.5萬公里，因此，城市公交公司等客戶對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油都提出了長換油周期的需求。

為滿足客戶對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油長換油周期的實(shí)際用油需求，針對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的工況特點(diǎn)，采用高黏度指數(shù)加氫基礎(chǔ)油和優(yōu)質(zhì)多功能復(fù)合添加劑，研制生產(chǎn)LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油，并在某城市公交公司具有典型工況特點(diǎn)的重負(fù)荷燃?xì)夤卉嚿线M(jìn)行應(yīng)用研究，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行行車試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、工況和燃料特性與汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比存在顯著差異，普通發(fā)動(dòng)機(jī)油無法滿足它的潤滑需求，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)需要配套使用具有更高品質(zhì)的專用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油。

1.1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤滑的影響

與汽油機(jī)和柴油機(jī)相比，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)具有燃燒室溫度高、尾氣氮氧化物含量高和難潤滑，即“兩高一難”的顯著特點(diǎn)[2]：

(1)燃燒室溫度高。天然氣主要成分是CH4，相比于汽油、柴油，熱值高，且燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒接近于理論值，燃燒更充分；燃?xì)庖詺鈶B(tài)形式進(jìn)入氣缸，沒有像汽、柴油燃料在氣缸內(nèi)有氣化吸熱的過程，其次，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通常為平級(jí)燃燒，不同于稀薄燃燒有較多的空氣可以稀釋及冷卻，結(jié)果使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室溫度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的更高，其尾氣溫度比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高165～235 ℃左右。高溫下，會(huì)使普通機(jī)油過快氧化變質(zhì)，造成潤滑失效和部件早期磨損。

(2)尾氣氮氧化物含量高。雖然CNG、LNG為清潔燃料，但在燃燒室的高溫環(huán)境下，氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)會(huì)生成更多的氮氧化合物，導(dǎo)致廢氣中氮氧化物含量升高，引發(fā)機(jī)油氧化、硝化，造成機(jī)油黏度快速增加、油泥和沉積物增加，致使機(jī)油潤滑性能下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)磨損加劇。

(3)難潤滑。高溫不利于潤滑油膜的形成。此外，由于汽/柴油是以小液滴的形態(tài)噴入汽缸，對(duì)閥門、閥座等部件可以起到潤滑、冷卻的作用，而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料CNG/LNG等以氣體的形態(tài)進(jìn)入氣缸，使得發(fā)動(dòng)機(jī)閥座及部件等部件干澀無潤滑，易造成上述部件的磨損。

基于以上原因，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)不可使用普通的汽、柴油機(jī)油潤滑，而應(yīng)使用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用的潤滑油，以保證燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

1.2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑需求

如1.1所述，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)固有的特性對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油提出了不同于汽、柴油機(jī)油的性能要求。除了要求燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油要具備良好的潤滑、清凈分散、防腐防銹和抗磨損性能以對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)提供全面的潤滑保護(hù)等基本要求外，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油還要具有如下兩大特性：

(1)優(yōu)異的抗氧化、抗硝化性能：由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的燃燒室溫度，高溫下，要求燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油需具備比普通機(jī)油更高的抗氧化能力，防止機(jī)油因高溫導(dǎo)致的氧化變質(zhì)和黏度增長。同時(shí)，高溫下，使得燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)物中的氮氧化合物含量大大增加，更易導(dǎo)致機(jī)油硝化，機(jī)油硝化會(huì)導(dǎo)致與機(jī)油氧化相似的結(jié)果，即油泥及沉積物增加，積炭生成，機(jī)油濾清器阻塞，換油期縮短，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致活塞環(huán)及氣缸套磨損加劇。因此要求燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油需具備更好的抗氧化、抗硝化能力，確保對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效保護(hù)。

(2)適宜的灰分含量：不同于汽、柴油等液態(tài)燃料以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸，以及其在燃燒過程中的少量不完全燃燒產(chǎn)物都對(duì)閥門和閥座提供非常重要的潤滑作用，天然氣以氣態(tài)進(jìn)入燃燒室，燃燒充分，只能依靠燃燒后產(chǎn)生的少量灰分來潤滑閥門和閥座，太低的灰分無法起到有效的潤滑作用，而太高的灰分又容易造成閥門堵塞等引起故障，因此，適宜的灰分含量是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油最重要的性能要求。

在進(jìn)、排氣門上逐漸積累的機(jī)油灰分燃燒后形成的一層有效的藍(lán)灰色沉積物保護(hù)層(如圖1)，可以起到減少氣門與氣門座之間磨損的重要作用[2]。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)正常工作過程中，進(jìn)、排氣門上沉積物的積累需要一定時(shí)間，積累速度與機(jī)油中的灰分含量等有關(guān)，且是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，即在舊沉積物不斷損失的同時(shí)新的沉積物不斷補(bǔ)充。

圖1 藍(lán)灰色沉積物保護(hù)層

如果氣門上沉積物太多(如圖2)，則將導(dǎo)致氣門上沉積物局部剝落形成高溫氣體竄氣通道，出現(xiàn)氣門熔損(如圖3)現(xiàn)象[3]。另外，過多的沉積物也將導(dǎo)致提前點(diǎn)火，活塞沉積物增加而導(dǎo)致活塞磨損(如圖4)和缸套擦傷(如圖5)等問題[4]，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短。如果氣門上沉積物太少，將造成氣門縮入(如圖6)，而導(dǎo)致氣閥的后退位移(即閥門嵌入，如圖7)[3]和氣閥的磨損。

圖2 閥門沉積物

圖3 氣門熔損

圖4 活塞磨損

圖5 缸套擦傷

圖6 閥門縮入

圖7 閥門嵌入

可見，灰分是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的關(guān)鍵指標(biāo)，選擇適宜灰分的機(jī)油對(duì)潤滑和保護(hù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門機(jī)構(gòu)非常重要。由圖8的試驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)一步證明燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油灰分的重要性。

圖8 不同灰分機(jī)油的對(duì)比試驗(yàn)

該試驗(yàn)在瓦克夏(Waukesha)7092GSI燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，Waukesha推薦該發(fā)動(dòng)機(jī)使用0.35%灰分的機(jī)油，試驗(yàn)前5000 h使用的是無灰型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油，氣門嵌入率超過0.075 mm/1000 h，遠(yuǎn)高于Waukesha規(guī)定的指標(biāo)限值(0.051 mm/1000 h)，然后將機(jī)油換為0.45%灰分的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油，氣門嵌入率下降到小于0.015 mm/1000 h[4]。

鑒于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油灰分的重要性，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)OEM對(duì)油品的灰分進(jìn)行了嚴(yán)格限定，如表1。

表1 部分OEM對(duì)油品灰分的要求

表1(續(xù))

通常行業(yè)里根據(jù)油品硫酸鹽灰分含量將燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油簡單分為無灰型、低灰型、中灰型和高灰型4類，以滿足不同燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑需求，如表2。作為灰分主要來源的抗磨劑、清凈劑中含有有機(jī)堿金屬鹽類，這些鹽類都帶有強(qiáng)堿性，使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油具有一定的堿值，因此燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)灰分含量的大小也從側(cè)面反映了其堿值的大小。

表2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油按灰分含量分類

無灰型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油主要用于以低硫天然氣為燃料的二沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，因二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)通常沒有進(jìn)氣門和排氣門，而機(jī)油中的灰分可能會(huì)導(dǎo)致其排氣口的堵塞；低灰型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油多數(shù)應(yīng)用于四沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，在實(shí)際選用過程中還要考慮設(shè)備的使用環(huán)境和工況條件；中灰型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油一般應(yīng)用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通常長壽命燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油也屬于中灰型產(chǎn)品；高灰型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油建議應(yīng)用于以高硫天然氣或沼氣為燃料的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。因沼氣中除主要成分CH4外，還有大量的CO2，CO2與水反應(yīng)會(huì)生成具有腐蝕性的碳酸；同時(shí)沼氣中含鹵素碳?xì)浠衔?，燃燒后形成具有極強(qiáng)腐蝕性的鹵素酸。因此，與天然氣相比沼氣更具腐蝕性，要求油品有更高的堿值，以中和沼氣燃燒過程產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。

1.3 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的特殊性導(dǎo)致長期以來都沒有統(tǒng)一的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，也沒有統(tǒng)一的油品臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定方法。各燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)制造商主要根據(jù)各自燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的工況特點(diǎn)，通過具體的試驗(yàn)測(cè)試來制定各自的OEM標(biāo)準(zhǔn)。通常OEM對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的要求也比較簡單，只對(duì)油品的SAE黏度等級(jí)、硫酸鹽灰分、鋅和磷含量、堿值等主要理化指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，如Caterpillar、Renault RGD、Volvo CNG、Mercedes Benz Sheet 226.9、MAN M-3271-1、Detroit Diesel 93K216和Cummins CES 20074等。在上述眾多OEM規(guī)格中，Cummins CES 20074規(guī)格是最具代表性的車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)油OEM規(guī)范，其指標(biāo)最全，要求也最苛刻，因此，獲得康明斯氣體發(fā)動(dòng)機(jī)油的認(rèn)證，通常是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油技術(shù)水平的體現(xiàn)[5-6]。

Cummins CES 20074規(guī)格適用于車輛及B&C系列的固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，該規(guī)格要求油品通過康明斯C8.3G發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)際行車試驗(yàn)，規(guī)定油品的灰分為0.4%～0.6%，此外，因考慮到氣體的腐蝕性，還要求測(cè)試新油的酸值和腐蝕試驗(yàn)，其具體性能指標(biāo)如表3。部分燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)OEM對(duì)油品的臺(tái)架試驗(yàn)和行車試驗(yàn)要求如表4，可以看出，大部分燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)OEM都要求油品必須通過行車試驗(yàn)的性能驗(yàn)證。

表3 康明斯CNG壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格

表3(續(xù))

表4 部分OEM對(duì)油品的性能要求

除了OEM規(guī)范之外，各大潤滑油公司也結(jié)合OEM的要求制定自己的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，如中國石化潤滑油有限公司制定的CNG/LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 303 0077-2014和CNG/LNG長壽命燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 303 0618-2013，其中Q/SH 303 0618-2013除了對(duì)油品的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了具體規(guī)定外，還規(guī)定了CNG/LNG長壽命燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油行車試驗(yàn)的總體操作規(guī)范和要求。

2 長壽命燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的應(yīng)用研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

如1.3所述，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各主要發(fā)動(dòng)機(jī)OEM根據(jù)自身的發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)制定燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油OEM標(biāo)準(zhǔn)，且大部分OEM都要求對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的性能進(jìn)行行車試驗(yàn)驗(yàn)證。為驗(yàn)證研制生產(chǎn)的LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油是否滿足城市重負(fù)荷燃?xì)夤卉囬L換油周期的潤滑要求，我們與公交公司合作開展行車試驗(yàn)。行車試驗(yàn)按照Q/SH 303 0618-2013標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范要求進(jìn)行，選擇具有代表性工況特點(diǎn)的重負(fù)荷燃?xì)夤卉?，在?yán)重超載、開開停停的惡劣工況下，對(duì)油品的綜合性能進(jìn)行實(shí)際行車試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)車輛為具有典型工況特點(diǎn)的3臺(tái)裝配玉柴YC6G260N-50大馬力燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的公交車，車號(hào)分別為粵AN6396、粵AP1853和粵AP1872，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表5，LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油的典型數(shù)據(jù)如表6，行車試驗(yàn)里程要求在3萬公里以上。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表5(續(xù))

2.3 試驗(yàn)過程及評(píng)價(jià)內(nèi)容

2.3.1 試驗(yàn)過程

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以防止不同油品之間混用帶來的不良影響，試驗(yàn)開始之前，在熱態(tài)下將3臺(tái)試驗(yàn)車輛里的舊機(jī)油全部排空，加注LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油試驗(yàn)油至油標(biāo)尺3/4液面與高液面之間(如圖9)進(jìn)行清洗2次，每次怠速運(yùn)轉(zhuǎn)清洗15 min，然后放盡清洗油并更換機(jī)油濾清器、空氣濾清器，最后加注試驗(yàn)機(jī)油到油標(biāo)尺3/4液面處開始行車試驗(yàn)。

當(dāng)行車試驗(yàn)進(jìn)行到采樣里程時(shí)，按照Q/SH 303 0618-2013標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范要求進(jìn)行采樣分析和補(bǔ)加新油。

圖9 油標(biāo)尺示意

2.3.2 油品分析檢測(cè)

在行車試驗(yàn)過程中，分別對(duì)每臺(tái)試驗(yàn)公交車輛的在用機(jī)油進(jìn)行分階段采樣分析，并對(duì)油品進(jìn)行性能指標(biāo)的檢測(cè)。油品性能檢測(cè)項(xiàng)目包括常規(guī)理化指標(biāo)、紅外光譜和金屬元素含量三個(gè)方面，其中，常規(guī)理化指標(biāo)主要包括油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、酸值、水分及戊烷不溶物；紅外指標(biāo)分析包括氧化值、硝化值；金屬含量分析包括磨損金屬元素Fe、Cu、Al和Cr等以及污染元素Si的分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化情況

黏度是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油最基本的性能指標(biāo)，合適的黏度是保證燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好潤滑的關(guān)鍵。黏度過高，機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)阻力變大，流動(dòng)性差，在冷啟動(dòng)時(shí)難以及時(shí)達(dá)到各摩擦副表面，甚至冷啟動(dòng)失效，造成拉缸和燒瓦等事故；黏度太小，機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副表面難以形成有效油膜，導(dǎo)致磨損急劇增加，同時(shí)還造成油壓偏低而供油不良和密封變差等。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，機(jī)油黏度的變化受多種因素的影響。如機(jī)油中的輕組分被蒸發(fā)、機(jī)油高度氧化、油泥生成以及不溶物的增加等都會(huì)導(dǎo)致黏度上升；多級(jí)機(jī)油中黏度指數(shù)改進(jìn)劑受機(jī)械或熱的剪切使分子斷裂成小分子，增黏作用下降，使機(jī)油黏度降低。因此，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油黏度的變化應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，一般為新油的±20%，若超出此范圍就應(yīng)更換新油，以免發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)故障。試驗(yàn)機(jī)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢(shì)如圖10。

圖10 100℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)

從圖10可以看出，行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在前期出現(xiàn)了緩慢下降而后又逐漸上升的趨勢(shì)。其主要是因?yàn)閯偧幼⒌男聶C(jī)油受發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的高速剪切作用，使機(jī)油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑由大分子被剪切成小分子，致使機(jī)油黏度下降。隨著行車試驗(yàn)里程的增加，在苛刻的發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件下，機(jī)油會(huì)發(fā)生氧化并生成大分子膠質(zhì)和沉積物，導(dǎo)致機(jī)油黏度上升。在整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，機(jī)油的黏度變化幅度較小，還處在原來的SAE黏度等級(jí)范圍之內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯的下降或上升現(xiàn)象，說明試驗(yàn)機(jī)油具有優(yōu)異的剪切安定性、高溫氧化安定性和黏度保持能力，沒有出現(xiàn)過度氧化而造成的機(jī)油黏度劇增現(xiàn)象。

3.2 堿值變化情況

氧化變質(zhì)是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑失效最重要的原因之一，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度較高，更容易導(dǎo)致機(jī)油氧化變質(zhì)。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油在使用過程中會(huì)因機(jī)油氧化產(chǎn)生一些有機(jī)酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)金屬部件的酸性腐蝕和磨損，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。為中和機(jī)油氧化生成的有機(jī)酸性物質(zhì)以及燃料燃燒產(chǎn)物中的無機(jī)酸性物質(zhì)，機(jī)油必須具備一定的堿值。發(fā)動(dòng)機(jī)油堿值可間接表示其所含清凈分散劑的多少，同時(shí)也反映了機(jī)油抑制氧化和中和酸性物質(zhì)能力的強(qiáng)弱。在機(jī)油的使用過程中，堿性添加劑會(huì)被不斷的消耗，機(jī)油的堿值會(huì)逐漸下降，當(dāng)堿值下降到一定程度時(shí)，機(jī)油就會(huì)失去中和酸性物質(zhì)的能力，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生酸性腐蝕和磨損，一般要求在用油機(jī)油的堿值不低于新油的50%。試驗(yàn)機(jī)油堿值的變化趨勢(shì)如圖11。

圖11 堿值變化趨勢(shì)

從圖11可以看出，行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油的堿值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，其主要原因是中和機(jī)油因高溫氧化而產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使得油品的堿值逐漸下降，但其下降值未超出新油堿值的50%，說明在行車試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)機(jī)油仍然具有一定的堿值以中和酸性物質(zhì)，同時(shí)也說明試驗(yàn)機(jī)油具有良好的堿值保持能力。

3.3 酸值變化情況

在用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的酸值變化情況是反映其抗氧化、抗硝化能力的主要指標(biāo)，同時(shí)也反映了基礎(chǔ)油的氧化衰變情況、相關(guān)功能添加劑的消耗情況以及機(jī)油的老化程度。其主要來源于如下3個(gè)方面：①高溫下的降解氧化生產(chǎn)的有機(jī)酸；②氧化硝化反應(yīng)生成的酸性物質(zhì)；③燃料燃燒生成的酸性物質(zhì)。一般發(fā)動(dòng)機(jī)油會(huì)添加性能良好的抗氧劑來延緩機(jī)油的氧化速度，同時(shí)，堿性添加劑會(huì)中和酸性物質(zhì)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的酸性腐蝕磨損。在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油使用過程中，如果酸值增加過快過大，說明產(chǎn)生了較多的氧化物、硝化物等酸性物質(zhì)，會(huì)加快堿性添加劑的消耗，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)油的氧化變質(zhì)與老化，影響機(jī)油的潤滑性和發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，因此，要監(jiān)測(cè)在用機(jī)油的酸值。當(dāng)在用機(jī)油的酸值增加值超過2.5 mgKOH/g時(shí)，就要進(jìn)行換油處理，避免酸值過大而引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障。試驗(yàn)機(jī)油酸值的變化趨勢(shì)如圖12。

圖12 酸值變化趨勢(shì)

從圖12可以看出，行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油因高溫下的氧化硝化作用產(chǎn)生了一定的酸性物質(zhì)，致使機(jī)油的酸值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。但在行車試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，酸值增加值沒有超過2.5 mgKOH/g，處于合理范圍內(nèi)，同時(shí)也說明試驗(yàn)機(jī)油具有良好的抗氧化、抗硝化能力和高溫?zé)岱€(wěn)定性。

3.4 正戊烷不溶物變化情況

正戊烷不溶物是反映機(jī)油容納污染物能力的一個(gè)指標(biāo)，在用機(jī)油正戊烷不溶物主要來源于機(jī)油氧化及添加劑分解產(chǎn)物、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的金屬磨粒、外來的污染物如粉塵等。當(dāng)在用機(jī)油的正戊烷不溶物含量達(dá)到一定值后，會(huì)導(dǎo)致機(jī)油黏度增大、流動(dòng)性變差。此外，機(jī)油中正戊烷不溶物的聚集成團(tuán)會(huì)堵塞機(jī)油過濾網(wǎng)和油道，造成發(fā)動(dòng)機(jī)供油不暢而發(fā)生機(jī)械故障。試驗(yàn)機(jī)油正戊烷不溶物含量的變化趨勢(shì)如圖13。

圖13 正戊烷不溶物變化趨勢(shì)

從圖13可以看出，隨著試驗(yàn)里程的增加，試驗(yàn)機(jī)油中的戊烷不溶物含量呈現(xiàn)逐步增大的變化趨勢(shì)，但一直處在非常小的范圍內(nèi)，試驗(yàn)機(jī)油表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫清凈分散性和抗氧化性能。

3.5 水分含量變化情況

在用機(jī)油中的水分與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件、車輛工況和車輛使用環(huán)境的濕度有較大關(guān)系，其來源主要是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)泄露、密封墊滲漏、車輛的頻繁啟動(dòng)或緊急停車造成潤滑油系統(tǒng)發(fā)生冷凝、曲軸箱或潤滑油箱通風(fēng)不足以及雨水侵入廢氣系統(tǒng)等。當(dāng)油品中水分較少時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較高，因此極少量的水有可能被蒸發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)危害不大；但隨著機(jī)油中水分的增加，機(jī)油中水分會(huì)破壞油膜形成及其強(qiáng)度，并導(dǎo)致添加劑因水解而失效。另外，較大的水分含量會(huì)引起機(jī)油乳化變質(zhì)，導(dǎo)致油泥增多，機(jī)油潤滑性能下降，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)銹蝕和磨損。試驗(yàn)機(jī)油水分的變化趨勢(shì)如圖 14。

圖 14 水分含量變化情況

從圖 14可以看出，在整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油中的水分含量最大為0.03%，處于痕跡水平，說明試驗(yàn)機(jī)油沒有受到水分的乳化污染，機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副之間形成的有效油膜強(qiáng)度，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供有效的潤滑保護(hù)。

3.6 氧化值及硝化值變化情況

在用發(fā)動(dòng)機(jī)油的氧化值、硝化值可以反映出試驗(yàn)油品被氧化、被硝化及受污染的程度。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，燃燒廢氣中的HC、CO、NOx等物質(zhì)，在一定條件下可反應(yīng)生成氧化物、硝化物等酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)零部件腐蝕、磨損等現(xiàn)象，故而對(duì)油品的使用造成不良影響，而發(fā)動(dòng)機(jī)油中的添加劑可以減緩或終止這類反應(yīng)，抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì)的生成，因此，利用紅外光譜監(jiān)測(cè)油品氧化值、硝化值的變化情況，可以反映油品的氧化衰變狀況，間接掌握油品中添加劑的消耗情況。目前我國還沒有關(guān)于利用紅外光譜法監(jiān)控在用機(jī)油的氧化值、硝化值的極限規(guī)定，一般結(jié)合其他理化指標(biāo)的變化情況來綜合判斷油品的性能狀態(tài)。試驗(yàn)機(jī)油氧化值和硝化值的變化趨勢(shì)如圖15、圖16。

圖15 氧化值變化趨勢(shì)

圖16 硝化值變化趨勢(shì)

從圖15、圖16可以看出，隨著試驗(yàn)里程的逐步增加，試驗(yàn)機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中不斷被氧化、被硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。行車試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)機(jī)油的氧化值、硝化值一直處于較低水平，且其他理化指標(biāo)正常，說明LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油具有優(yōu)異的抗氧化和抗硝化性能。

3.7 抗磨性能

車輛在運(yùn)營過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件都存在一定的磨損，機(jī)油中的煙炱含量、酸性物質(zhì)以及機(jī)油的氧化變質(zhì)也會(huì)加快發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的磨損。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損而言，其主要磨損件為缸套、曲軸、活塞和活塞環(huán)等。在用機(jī)油中的鐵元素能夠直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況，是汽缸套、凸輪/推桿、軸銷、活塞環(huán)和齒輪的典型磨損元素；銅元素是軸承以及潤滑油冷卻器和潤滑油管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的典型磨損元素，也是各種安裝材料的成分；鋁元素是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、滑動(dòng)軸承等的典型磨損元素；鉻元素是活塞環(huán)、閥桿、凸輪/推桿，以及其他發(fā)動(dòng)機(jī)合金部件的典型磨損元素。通過檢測(cè)分析機(jī)油中Fe、Cu、Al、Cr等磨損金屬元素含量，可用于評(píng)價(jià)油品的抗磨性能，并掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況。試驗(yàn)機(jī)油中Fe、Cu、Al、Cr磨損金屬元素含量的變化趨勢(shì)如圖17～圖20。

圖17 鐵含量變化趨勢(shì)

圖18 銅含量變化趨勢(shì)

圖19 鋁含量變化趨勢(shì)

圖20 鉻含量變化趨勢(shì)

從圖17～圖20可以看出，隨著試驗(yàn)里程的增加，試驗(yàn)機(jī)油中的鐵、銅、鋁、鉻等金屬元素含量呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。但在整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油中的鐵、銅、鋁和鉻元素的含量均處于較低水平，且呈規(guī)律性增加并穩(wěn)定在換油技術(shù)指標(biāo)的范圍內(nèi)，屬于正常的磨損。較低的磨損元素含量也說明試驗(yàn)機(jī)油良好的抗磨性能和潤滑性能，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副之間形成強(qiáng)度很高的極壓膜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)形成有效的保護(hù)，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3.8 污染元素硅

在用機(jī)油中的硅元素來源主要是吸入空氣中的塵沙，即使含量不大也會(huì)引起磨粒磨損。在用油中硅元素含量與車輛的行駛環(huán)境以及空氣濾清器的工作狀態(tài)有較大關(guān)系，當(dāng)車輛行駛于塵土飛揚(yáng)的惡劣環(huán)境中或空氣濾清器工作不正常時(shí)，都會(huì)造成油中硅含量的大量增加，引起發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨料磨損。一般當(dāng)機(jī)油中的硅含量達(dá)到30 mg/g時(shí)，就建議更換機(jī)油和空氣濾清器。試驗(yàn)機(jī)油中硅元素含量的變化趨勢(shì)如圖21。

圖21 硅含量變化趨勢(shì)

從圖21可以看出，試驗(yàn)機(jī)油中出現(xiàn)了少量的污染元素硅，這可能與車輛的空氣濾清器或行駛的環(huán)境較為惡劣有關(guān)，但在整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油中污染元素硅含量沒有超過10 mg/g，處于較低水平，說明在行車試驗(yàn)過程中車況較好，空氣濾清器工作正常。

4 結(jié)論與建議

(1)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有其獨(dú)特的工況特點(diǎn)，普通機(jī)油無法滿足其潤滑要求，應(yīng)使用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油，且適宜的灰分含量至關(guān)重要。

(2)研制生產(chǎn)的LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油，在整個(gè)產(chǎn)品性能驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)車輛均運(yùn)行平穩(wěn)，油壓穩(wěn)定，表現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合產(chǎn)品性能，完全滿足重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)長換油周期的潤滑需求。

(3)根據(jù)行車試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品性能的驗(yàn)證情況，LNG長壽命重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)專用油在城市道路工況下的推薦換油周期為37000～40000 km。