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首頁 > 化學論文 > > 長壽命出租車用燃氣發動機油應用分析
長壽命出租車用燃氣發動機油應用分析
>2024-05-20 09:00:01


節能、環保和延長換油周期是推動內燃機油更新換代的三大驅動力。根據國家“十二五”節能產業發展規劃的要求,減少廢舊潤滑油液的排棄量,延長潤滑油液使用壽命成為潤滑油發展的趨勢。同時,燃氣發動機以其清潔燃燒的特性和良好的經濟性受到了市場的高度關注[1 -2]。在國內一些主要城市,燃氣發動機已在出租車上得到了廣泛應用,2014年我國“油氣兩用”出租車已近72 萬輛,占當年出租車總保有量 137.01 萬輛的 52.55%。與此同時,國內很多省市還在大力推進公交車、出租車的“油改氣”工作。近年來,我國出租車市場以每年 3% 的速度增長,預計到 2020 年我國出租車保有量將達 160萬輛,出租車氣化率將達 90%。由此可見,應用于出租車的發動機油具有廣闊的市場前景。

隨著燃氣出租車市場的發展壯大,許多用戶對燃氣發動機油的換油周期和性能提出了更高的要求,以降低車輛維修保養頻率和運營成本。眾所周知,燃氣出租車相對普通汽油出租車工況更加惡劣[3 -4],主要體現在:\\(1\\)發動機燃燒室溫度更高,油品更容易氧化,產生積炭;\\(2\\)尾氣中的氮氧化物含量增加,會引發機油硝化,產生過量油泥;\\(3\\)壓縮天然氣\\(CNG\\)、液化石油氣\\(LPG\\)以氣態進入氣缸,無潤滑作用,易造成閥門磨損。此外,出租車經常處于長時間、超負荷運營,且工況復雜多變。在市區道路擁堵時,經常處于開開停停,頻繁剎車啟動,發動機的轉速變化頻繁;在市區外行駛時,發動機在高溫、高速持久狀態下工作。這些都會進一步加劇油品的氧化硝化,形成油泥積炭。國外發動機制造商制定的燃氣發動機油標準主要是針對重負荷燃氣發動機,如 Cummins CES20074、MAN 3271 - 1 等,且國內有一些關于燃氣發動機油在重負荷燃氣發動機上應用研究的報道[5 -6],重負荷燃氣發動機油的產品也相對較為成熟。而有關轎車用燃氣發動機油目前還沒有形成統一的標準,各廠家在生產過程中都是按照自己企業制定的標準來進行,國內僅中國石化潤滑油分公司開發了針對出租車的 LPG/CNG 轎車燃氣發動機油,并進行了 6000km 的行車試驗[7]。據筆者調研了解到,目前燃氣出租車普遍使用是轎車用汽油機油,且油品的質量等級偏低,出租車司機為了避免車輛故障,大多行駛 5000~ 7000 km 左右就更換機油,否則容易導致發動機油路堵塞,引發發動機缺油、過熱甚至卡死,而且會導致發動機部件磨損、摩擦阻力變大或增加燃油消耗等問題。

針對燃氣出租車的工況特點及用戶對長換油周期油品的實際需求,并考慮出租車司機對成本的訴求,我公司開發了出租車用長壽命燃氣發動機油,并通過行車試驗對長壽命燃氣發動機油在出租車上的應用情況進行了跟蹤,以確定最佳的換油周期。

1、試驗部分

1.1、試驗車輛

根據試驗目的,選擇了3 輛桑塔納出租車在安徽馬鞍山進行行車試驗,試驗車輛的相關信息如表1 所示。

表 1 試驗車輛概況

1.2、試驗油品

試驗用發動機油為我公司專門針對出租車燃氣發動機開發的長壽命發動機油 10W - 40,油品的主要理化指標如表 2 所示。

表2 試驗用長壽命燃氣發動機油10W -40 的主要理化數據

1.3、試驗過程

1.3.1、潤滑油更換

在熱機狀態下從油底殼放油塞處放凈發動機中的原用機油,并用試驗用油清洗發動機三次,每次怠速運轉5 ~10 min,從油底殼放油塞處放凈清洗油,然后更換機油濾清器和空氣濾清器,再加入試驗用機油,怠速運轉 5 min 后,從機油加注口用采樣器取出80 mL 油樣作為 0 km 油樣,并補加試驗油至機油尺上限,同時記錄所加入的試驗油總量及車輛行駛里程。

1.3.2、取樣及分析

根據出租車的苛刻工況以及維修人員和司機的經驗,分別于 4000 km、8000 km、10000 km 處熱車取樣 80 mL,并補加同等量的新油。試驗結束后,對采集的0 km、4000 km、8000 km、10000 km 試驗油樣分別進行運動黏度、閃點、水分、酸值、堿值、戊烷不溶物、氧化值、硝化值、元素含量等項目分析。

2、試驗結果及討論

2.1、運動黏度變化

發動機油的運動黏度是影響發動機潤滑性的一項重要指標。影響發動機油在使用過程中的黏度特性因素有很多,包括蒸發損失、聚合物的熱裂解和機械剪切、油品氧化縮合變稠、油品對煙炱和油泥的分散、燃油稀釋等。因此,發動機油運動黏度的變化基本反映油品氧化衰變程度、添加劑熱分解以及黏度指數改進劑受到剪切作用降解變化情況。3 臺試驗車輛用油品 100 ℃運動黏度變化情況如圖 1 所示。


圖 1 試驗油品 100℃運動黏度隨行駛里程的變化情況

由圖 1 可見,3 臺車輛經過 10000 km 行車試驗后油品 100 ℃運動黏度保持能力良好,且試驗油的100 ℃ 運動黏度變化率遠未達到 GB / T 8028 - 2010標準中的換油指標\\(超過 ± 20%\\)的要求,說明油品具有優良的抗剪切性能、抗氧化性和清凈分散性。

2.2、堿值變化

發動機油堿值的大小反映了油品中和酸性物質的能力,也間接地表示油品所含清凈分散劑的多少。發動機的堿值變化主要與其所用燃料油的硫含量及油品在使用過程中的氧化變質有關,反映了油品抑制氧化以及中和酸性物質的強弱。3 臺車輛試驗所用油品堿值的變化情況如圖 2 所示。


圖 2 試驗油品堿值隨行駛里程的變化情況

由圖 2 可以看出,在行車試驗過程中,3 臺車輛油品的堿值變化較小,遠低于 GB/T 8028 - 2010 標準中的換油指標\\(小于新油的 50%\\)的要求,表明試驗油品氧化變質緩慢,堿值保持性好,并具有良好的清凈分散性能,可有效中和試驗油中的酸性物質,防止其腐蝕發動機零部件。

2.3、戊烷不溶物變化

戊烷不溶物是潤滑油氧化產品、添加劑降解產物、發動機金屬磨損粉末、灰塵及積炭的總和,主要反映了油品氧化變質、油泥生成、發動機金屬磨損、添加劑消耗以及油品被污染的程度。一般來說,發動機油中戊烷不溶物的質量分數達到 1.5% 時,說明油品衰敗比較嚴重。本次行車試驗 3 臺車輛的油品戊烷不溶物隨行駛里程的變化如圖 3。


圖 3 試驗油品戊烷不溶物隨行駛里程的變化情況

由圖 3 可以看出,行車試驗結束后,試驗油的正戊烷不溶物含量不高,遠小于換油指標限值,說明試驗油品的衰變過程正常,能較好地抑制氧化產物的生成,具有良好的抗氧化性、抗磨性和清凈分散性。

2.4、氧化值和硝化值

在行車試驗過程中,發動機油會因氧化而形成酸性物質,導致發動機機件腐蝕以及發動機磨損加速,氫化產物進一步氧化縮合,則生成大分子胺狀物質,使發動機油運動黏度不斷增大,流動性能惡化;發動機油中的硝化物則是產生油泥的主要成分之一。燃氣發動機的活塞環槽溫度比普通汽油發動機高 20 ~30 ℃,更容易引起油品的氧化和硝化。通過檢測發動機在用油中的氧化物和硝化物的相對生產量,可以考察發動機油的氧化程度以及預測其在使用過程中的老化衰敗情況。因此,對于燃氣發動機油在用油的檢測比較關注氧化值和硝化值的變化。

一般來說,燃氣發動機油中氧化值大于 25 Abs/cm,硝化值大于 25 Abs/cm 時,說明油品衰敗比較嚴重,需要更換油品。行車試驗各油品的氧化值和硝化值隨行車里程的變化情況分別見圖4 和圖5。


圖 4 試驗油品的氧化值隨行駛里程的變化情況


圖 5 試驗油品的硝化值隨行駛里程的變化情況

從圖 4 和圖 5 可以看出,隨著行駛里程的增加,3 臺車輛所有油品的氧化值和硝化值始終未超過換油指標要求,說明油品具有優異的抗氧化和抗硝化能力,能夠滿足燃氣發動機的高溫潤滑要求。

2.5、元素含量分析

通過對試驗油品進行電感耦合等離子發射光譜\\(ICP\\)分析,可以掌握油品在使用過程中的大量信息,一方面可以監測其中的添加劑衰變情況\\(Ca,Zn,P 等元素\\),另一方面可以監控發動機部件的磨損情況\\(Fe,Cu,Cr,Al,Pb 等元素\\)。發動機油中的 Fe、Al、Cr等元素主要來源于缸套、活塞環和閥系磨損;Cu、Pb 元素主要來源于連桿軸瓦和主軸瓦的磨損;Si 等元素主要來源于外界沙塵的污染。試驗車輛用油品中的 Fe、Cu、Al、Si 元素的含量隨行駛里程的變化如圖 6 所示。



圖 6 試驗油品磨損金屬元素含量隨行駛里程的變化情況

根據 GB/T 8028 -2010 換油指標要求,當油品中鐵含量大于 70 mg/kg,銅含量大于 40 mg/kg,鋁含量大于 30 mg/kg 時,說明發動機存在異常磨損,需要更換油品。由圖 6 可見,3 臺車輛試驗油品中的鐵、銅、鉛元素含量均小于換油指標要求,說明試驗油品具有良好的抗磨性,在整個試驗過程中能對發動機各部件提供較好的潤滑保護作用。盡管 1 號車輛試驗經過 10000 km 后油品中的各磨損金屬含量較其他 2 臺車輛油品偏高,這可能是因該車輛行駛里程較長,發動機部件出現老化所致,但遠小于換油指標要求,并且從 1 號車輛油品中的 Si 含量最高值為 18 mg/kg,說明該車輛在試驗過程中油品受到外界沙塵的污染,這也會加劇發動機部件的磨損。

3、結論

根據行車試驗結果表明,長壽命出租車用燃氣發動機油 10W -40 完全可以實現燃氣出租車 10000km 的換油周期要求,并且在上述換油周期內,油品的運動黏度變化率、堿值下降率、戊烷不溶物、氧化值和硝化值以及磨損金屬元素含量等指標均在換油指標要求范圍內,且發動機工作正常,潤滑情況良好。由此可見,長壽命燃氣發動機油 10W -40 在實際應用中表現出了優異的高溫抗氧化性、清凈分散性、抗磨性和黏度保持能力,能為在城市道路下行駛的雙燃料出租車提供優異的潤滑保護,并有效延長換油周期,降低維修和保養成本。

參考文獻:
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