文|李伯陵

编辑 |李伯陵

前言

能源的利用极大促进了人类社会和经济的发展，随着国家经济的快速发展，近年石油消费持续攀升，我国能源消耗占全球近三分之一，而能源特点呈 “富煤、少气、缺油” 状况。

汽车保有量持续保持增长，汽油柴油使用占据石油消耗的一半以上，交通对石油的依赖程度日益增加，环境污染和能源紧张日益加剧， 推行车用燃料多元化， 是我国解决能源危机的重大战略举措。

为了在柴油机上使用甲醇燃料，国内外主要措施有 助燃法、乳化法、直接压燃法、DMCC等， 目前主要有 直接压燃法和100%甲醇直喷， 见图1、图2。

制造 甲醇原材料丰富价格相对低廉， 并且 燃烧热力学性能，符合发动机的动力性能， 产生的废气符合国家最新标准，甲醇的能量热值合适，存储安全方便，还有发动机结构无需较大改动。

工信部启动五年为周期的甲醇汽车，试点工作结束，全面验证甲醇汽车的适应性、可靠性、经济性、安全性和环保性，其理化性质和燃烧特性见表1。

相对传统常规的汽油柴油而言，甲醇作为燃料具有以下优点： 结构简单，理论抗燃比低， 分子式中含有氧元素，有利于甲醇混合气充分燃烧，燃烧产物的有害排放少，排放污染物均低于法规限值，有余量。

甲醇热值虽然为汽油柴油热值的50%左右，但是单位质量的甲醇热效率，和汽油柴油的热效率相差无几，甲醇本身的燃烧具有 “自供养” 效应， 热效率和动力性都较强。

甲醇的辛烷值，比常规的燃油要高， 具有很高的抗爆震性， 甲醇具有较宽的可燃极限，燃烧速度快，在混合比较稀的情况，仍能保持相对较高的火焰传播速度。

但目前甲醇发动机需要攻克甲醇 燃烧技术、排放技术、润滑油技术、低温启动技术 等一系列关键技术，结合燃料本身特点，以及燃烧后产物对润滑油的影响，甲醇发动机 需要专用润滑油。

我们通过使用天然气双燃料机油，在1款燃料 由CNG改型为M100甲醇发动机上， 进行台架试验，该油品已经在柴油发动机的道路测试，达到13万千米的换油周期，柴油发动机的台架可达1200h。

该油品具有长换油周期性能，使用该油品应用于甲醇发动机，表现如何，需要我们通过油样取样，分析润滑油理化特性、水分、元素等来判断。

这次试验，也可以作为研究商用甲醇发动机的润滑油特性，获取的检测结果，为后期M100甲醇发动机的润滑油更换周期的确定，和润滑油的优化提供数据支撑。

本次试验对象为，商用的K11N发动机，改成的 M100甲醇发动机， 结构为直列6缸、四冲程、水冷、增压中冷、电控燃油喷射、ECR系统、理论空燃比燃烧控制、点燃式发动机。

YCK11400N-60国六气体发动机的基本参数，以及试验甲醇发动机，见表2和图3。

我们在本次试验中，采用玉柴马石油开发的双燃料机油10W-40，其理化数据见表3

我们将M100甲醇发动机台架安装后， 设定一般条件的保护值， 进气系统，采用装车用的标准进气系统，排气系统背压采用阀门控制，配置水温控制系统和油温控制系统，台架测试系统见图4。

试验过程要求：试验前进行发动机磨合性能测试，获取发动机性能试验数据，以便考察试验前后发动机性能的变化。

磨合完取油样、试验过程按照特定的循环变工况， 全负荷进行， 可靠性试验前机油耗取油样，及可靠性试验中每100h取一次油样， 抽样数量约250mL左右， 添加新机油根据游标尺的刻度来决定，并做好记录，试验后对发动机进行拆解分析。

油品的运动黏度、酸值、碱值、金属元素指标，以及斑点检测方法，见表4。

甲醇燃料发动机运行下不同时间，采集的润滑油样品的颜色，如图5所示，我们可以看出，甲醇燃料发动机 运行初始，润滑油为黄色透明液体状。

随着运转时间的增加，润滑油颜色逐渐加深， 运行100h，润滑油颜色为暗黑色，运行350h时，润滑油颜色为黑中发棕色，沿试管壁面上有明显棕色印记，并在试管底部有黄色稠状物质。

润滑油在工作过程中， 洗涤零部件上的积炭等沉积物， 同时甲醇燃料在燃烧高温氧化过程中，会产生甲酸等有机物。

甲酸与甲醇发生反应， 生成黏度更大的酯类物质， 这些大分子酯类，与气缸壁面上的润滑油互溶，造成润滑油黏度增加，影响润滑油的流动性和散热性。

甲醇流入发动机油底壳，会与润滑油进一步 发生氧化缩聚反应， 形成一种黏性化合物，该物质与润滑油在洗涤过程中，产生的固体颗粒、炭黑、磨损金属粒子等物质，黏结在一起形成棕色油泥。

运动黏度是油品关键指标之一，反映油品流动过程中，内部分子剪切力的大小，油品运动黏度小，一方面 有利于发动机的节约能耗， 另一方面太小导致油膜形成不良， 强度下降，零部件磨损增大。

运动黏度大，油品的油膜强度大，可以为发动机部件，提供更好承载保护，尤其在轴瓦部位形成油楔子， 防止发动机部件磨损。

但运动黏度过大，却会影响油品的低温泵送速度，在低温冷启动状态，发动机不能及时将机油泵，送到需要润滑的发动机部位， 造成低温冷启动异常磨损。

机油运动黏度会随着使用过程， 增大或者变小， 黏度变化反映其氧化衰变程度、添加剂的高温热分解，以及黏度指数改进剂、降凝剂的受力剪切、热裂解缩合等变化情况。

因发动机摩擦副之间的高速运转，将油品内增黏剂、降凝剂等碳氢大分子化合物， 剪切成小分子，从而造成油品运动黏度变小。

因油品高温氧化、硝化、硫化反应，造成分子交联反应，生成大分子聚合物，而 使油品运动黏度增大； 常见的有发动机高温，油品被氧化。

发动机漏气严重，积碳烟尘污染机油；发动机油运动黏度的变化情况，一定程度上可以反映发动机油的衰变情况，我们结合 燃油稀释，或者水分 等其他指标，掌握发动机运行是否正常。

高温氧化结焦黏度变大， 也是甲醇发动机容易出现的一个现象，润滑油乳化物、甲醇燃烧产物、甲醇和润滑油添加剂、磨损颗粒、固体杂质、水分及润滑油，被氧化变质指挥的产物，随润滑油泵，进入到各个运动副表面，这些物质停留在轴承上时加剧磨损、影响散热。

覆盖在凸轮轴上时，由于燃烧室以上区域，温度相对较高，润滑油混合物中，较轻组分蒸发，重组分等杂质留在凸轮轴上，造成 凸轮轴出现结焦现象， 特别是当甲醇添加剂含量，控制不当时，会加剧以上现象的发生。

试验过程油品的100℃运动黏度，随着试验时间的变化见图6。

我们分析燃烧甲醇生成的水蒸气，以及发动机中水的凝结，会造成润滑油中有水分存在，会造成润滑油乳化变质生成油泥。

同时也加速润滑油氧化作用，使其氧化变质，产生不溶性物质和有机酸，破坏润滑系统油膜，腐蚀金属部件，水分随时间的变化见图7。

我们从图7可以看出，台架运行到100h，油品含水分达到0.2%，之后有所降低，在0.14%～0.15%范围变化，整个试验下来，水分均不大于参考换油标准0.2%。

我们使用 PQ铁谱仪 测量油液中，总的铁磁性颗粒质量，通过对油液的无量纲的PQ值，进行检测，能对设备故障进行预判，防止重大事故发生，仪器不受磨损铁屑的尺寸限制。

如果 PQ指数较高， 那么我们判定是存在大颗粒，排除<5μm碎片（典型的腐蚀磨损颗粒），然后用显微镜观察样品，检查大颗粒情况，PQ指数随时间的变化见图8。

我们从图8总可以看出，发动机前期还处在磨合期，导致PQ指数在100h时很大，说明在这个时期，有大的铁颗粒产生。

经过一段时间运行后， PQ指数趋于平缓，均未超过PQ指数30 的限值，说明台架发动机的各个摩擦副之间运行正常。

发动机部件 磨损及腐蚀， 都会导致使用油品的金属含量增高，因此我们通过油液，监测金属元素含量的变化情况，可以了解和掌握发动机的磨损情况。

发动机状态正常，油品中磨损金属元素， 会呈平稳上升趋势， 如果金属元素含量一旦 出现急剧增加， 则表明发动机 发生了明显的磨损， 试验过程中油品铁、铅、铜含量变化见图9。

酸碱值主要监测油品中，金属清净剂功能的消耗情况，及油品的老化程度，由于甲醇燃烧生成的 甲酸、甲醛、水 等液态残余物的酸性，大大 高于传统燃料燃烧所产生的酸性物质。

这些酸性物质，会随着甲醇燃料窜人润滑油中，导致 油品碱值迅速降低， 酸值增加，而油品产生大量的酸性物质，会促使机油变质，生成油泥，对发动机造成一定程度腐蚀。

同时在金属的催化作用下，继续加速油品老化状况，影响发动机的正常运行，试验过程中，油品的酸碱值随着试验时间的变化情况，见图10。

我们在台架试验过程中，发生的一系列复杂的物理化学变化，主要表现在油品被燃烧产物污染，以及油品自身，因为接触发动机高温氧化和硝化、添加剂的老化降解，以及与燃料产物的反应等等。

油品高温氧化后，生成酸性化合物，会腐蚀发动机硬件、加速发动机部件的磨损，而氧化产物的进一步氧化缩合，则 生成大分子胶状物质， 使油品黏度不断增大。

最终因低温流动性能恶化，而导致发动机故障，油品的硝化物，是产生油泥的主要来源之二，试验过程中油品的氧化值和硝化值，随着试验时间的变化情况，见图11。

油斑吸滤试验，用于鉴定过多引擎烟尘、评价润滑油分散性、检测发动机曲轴箱内润滑油，是否存在乙二醇、燃油和其他污垢物。

润滑油分散测试仪，如图12所示，我们可以在读取油斑时，避免个人主观判断，影响实验结果可靠性。

仪器测试项目包括分散性指标（MD）、污染指数（IC）、加权评分（DP），功能介绍如表5，分别取经过12万千米的油品滴到滤纸上，如图12所示。

燃烧室中，甲醇受热氧化，及正常燃烧的产物中， 均含有甲酸成分， 甲酸与甲醇反应生成高黏度酯，与气缸壁上的润滑油互溶，使汽缸壁上的润滑油变稠，影响润滑油流动及散热性。

如果甲醇进人油底壳中，将会 与润滑油进一步氧化缩聚， 形成一种黏性物质，此物质将固体颗粒、燃料、水、炭黑、磨损金属粒子，以及曲轴箱内的润滑油的氧化物，黏合在一起形成油泥。

而甲醇本身 具有很强的吸水性， 某种程度上，水经冷凝之后又加速油泥的生成，如果冷启动时，或者启动初期使用甲醇燃料时，发动机更易出现低温油泥。

油品经过350h之后，质量整体还是很好，结论试验证明， 双燃料机油产品， 在甲醇燃料发动机上，完成350h的台架试验，试验中油品各项指标变化， 平稳且正常，油品性能表现良好。

我们使用双燃料机油在清净分性、破乳化性、抗氧化性、抗腐蚀性，可 有效缓解甲醇发动机润滑油泥、乳化、结焦等现象， 明显 延长零部件和发动机使用寿命。

与此同时，我们在试验中发现，以甲醇为燃料的发动机， 具有自己的燃烧特性， 跟甲醇接触的发动机金属、橡胶管零部件的不匹配问题。

我们仅通过 提高润滑油性能， 不能完全解决发动机中，产生的油泥、乳化、结焦以及零部件的磨损、腐蚀等问题，还需要对发动机各系统作出 相应硬件调整。