生物燃料的發展及其對發動機油性能的影響

秦曉東 徐惠昌 中村良知 楊道勝

摘要:介紹了近年來全球生物燃料的發展,統計了近年來燃料乙醇和生物柴油產量,并預測了今后生物燃料的發展趨勢。利用GFC氧化試驗、TEOST MHT-4和HTCBT等實驗室模擬試驗和Caterpillar 1N、Mack T-12發動機試驗及實際行車試驗考察了生物燃料對發動機油性能產生的各種影響,同時介紹了國際主要OEM對生物燃料所持的立場與態度。

關鍵詞:生物燃料;燃料乙醇;生物柴油;發動機油;性能

中圖分類號:TE626.32 文獻標識碼:A

The Development of Biofuels and Possible Impacts on Engine Oil Performance

QIN Xiao-dong1, CHUI William1, NAKAMURA Yoshitomo2, YANG Dao-sheng1

(1. Infineum Beijing Representative Office, Beijing 100004, China; 2. Infineum Japan Ltd. Co., Tokyo 1000011, Japan)

Abstract:The global development of biofuels is reviewed. The statistic productions of fuel ethanol and biodiesel in recent year are collected and the development trends of biofuels are predicted. Some bench tests and engine tests such as GFC oxidation test, TEOST MHT-4, HTCBT, Caterpillar 1N, Mack T-12 and field test are employed to evaluate the possible impacts of biofuels on engine oil performance. The positions and attitudes of some global OEMs on biofuels are also introduced.

Key words:biofuel; fuel ethanol; biodiesel; engine oil; performance

0 前言

進入21世紀后,隨著世界范圍內汽車的普及速度進一步加快,車用燃料的需求量也日益增長。近年來石油價格日益高漲,2008年上半年原油價格甚至已突破了100美元/桶。同時,石油作為不可再生資源,將會隨著人類的開采日益枯竭。并且石油燃燒的排放物給環境帶來污染,所生成的溫室氣體CO₂使全球變暖,破壞地球的生態平衡。為應對這些危機,近年來世界各國都加緊了對可再生能源的開發和利用。生物燃料作為石油燃料的替代品,具有清潔環保和可再生等特點,主要是指通過生物資源生產的燃料乙醇和生物柴油。大力發展生物燃料,對于減少石油依賴及保障國家能源安全具有很大的意義,對于減輕環境污染更有特殊的作用。因為生物燃料是“碳平衡”(Carbon Neutral) 燃料,可以降低因使用化石燃料帶來的溫室氣體(主要是CO₂)的過量排放。早在2003年歐洲議會通過了使用可再生能源指南,規定2005年要使其占消耗燃料的2%,2010年要達到5.7%,到2020年將達到10%[1-2]。美國2005年通過的“能源政策法案”規定2006年使用的可再生能源占全部燃料的2%左右,2012年將達到3.5%左右。2007年底更通過了“能源自主與安全法案”,要求通過使用生物燃料等手段在2017年減少以石油為來源的汽油用量的15%,并設定2022年的目標為17%左右[3]。由于石油價格的上漲使生物燃料在價格上可與之競爭,因此目前已成為全球可再生能源開發利用的重要方向。而隨著生物燃料的進一步推廣,使用生物燃料的汽車也越來越多,生物燃料對車用發動機油性能的影響也逐漸顯現。

1 生物燃料的發展狀況

1.1 燃料乙醇的發展狀況

燃料乙醇主要是指以農作物為原料,經發酵、蒸餾、脫水后加入變性劑制得的無水乙醇。燃料乙醇以一定比例與普通汽油混合后可得到車用乙醇汽油。這是本世紀初面市的傳統產品,因當時石油的大規模低成本開發,其經濟性未受重視。但自上世紀70年代中期以來四次較大的“石油危機”,特別是90年代以來排放規格的不斷變嚴及京都議定書對CO₂排放的要求使燃料乙醇工業在世界許多國家得到重視。巴西因其有豐富的生物乙醇資源從70年代初就大力推行燃料乙醇政策。美國在1995年推行新配方汽油,乙醇是其中選項之一。在2000年新配方汽油第二階段燃料乙醇的發展提上了日程[3]。近年來石油價格的飆升給生物乙醇也提供了大力發展的價格基礎。特別是2005年美國通過能源政策法案后,2006年美國的生物乙醇產量達到了1500萬t,比年初增長了25%,占其汽油總用量的3.5%。世界上其他一些國家也開始仿效,表1為近年來主要生產國及全球燃料乙醇的產量[4]。

從表1中可看出,目前美國是燃料乙醇生產的第一大國。乙醇年產量在2005年達到了1270萬t,比2001年產量已翻了一番,到2007年燃料乙醇產量達到了1950萬t。美國2007年《能源自主與安全法案》設定2022年單是傳統的玉米乙醇應達到4500萬t,如果加上其他從生物廢料生產的燃料乙醇將接近8500萬t,占汽油消耗量的20%左右[3]。但是如果燃料乙醇年產量超過3600萬t,美國各界對于“要糧食還是要燃料”的爭論將會十分激烈。巴西在發展燃料乙醇方面也處于領先地位,產量僅次于美國。2007年產量已達到1500萬t。據報道,巴西目前有320家乙醇生產廠,今后5年內還將增加50多家乙醇工廠。巴西目前使用的汽車燃料中兌有25%的乙醇,50%以上的汽車使用乙醇燃料,而該國生產的新一代汽車中越來越多的車輛可以完全使用乙醇為燃料。目前美國與巴西占據了全球燃料乙醇產量的75%以上。 中國也是燃料乙醇的重要生產國。2007年產量達到145萬t。目前全國有9個省全部或部分推廣使用乙醇汽油,據稱10年后中國燃料乙醇需求量保守估計每年也將達500萬t左右。歐盟也是燃料乙醇的主要生產國,其燃料乙醇主要是使用由生物乙醇制得的ETBE[5],在2008年預計生物乙醇將有很大的增長,產量將超過中國。

1.2 生物柴油的發展狀況

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物油脂以及動物油脂、餐飲回收油等為原料油通過酯交換工藝制成的脂肪酸甲酯(FAME)再生性柴油燃料。近年來出于節能減排的需要以及石油價格飛漲等原因,使得西方國家為發展生物柴油而制訂一系列積極政策和措施。近年來生物柴油的投資規模增大,開工項目增多,生產能力急劇增長。表2[6]列出了近年來歐盟、美國及全球的生物柴油年產量及生產能力,表3列出了全球各地區對生物柴油的需求量。

目前歐盟區是全球生物柴油最大的產地,主要以菜籽油為原料生產生物柴油,2007年已達到了550萬t,需求量為723萬t。預計2010年需求將達到1200萬t。亞太地區產量與需求量均居第二,其中日本與韓國生物柴油生產能力分別達到了40萬t和20萬t。泰國、馬來西亞等東南亞國家都在積極開發以棕櫚油和椰子油為原料的生物柴油。中國在2006年生物柴油產量接近15萬t,2008年有望達到20萬t,2020年計劃達到200萬t。美國近兩年生物柴油增長迅速,2006年產量達到83.2萬t,產能為其2.3倍;2007年產量為145萬t,產能為其4倍。2008年產量將達210萬t,而產能將急增為其5倍。目前全球對于生物柴油的需求也日益增加,在未來幾年內,增長非常迅速,預計到2010年對生物柴油的需求量將達到2000萬t左右,但是全球的生產能力預計2008年將是需求的2.5倍,而歐洲與北美占此產能的80%。

隨著產量的進一步擴大,生物燃料將會與糧食爭奪各種資源,矛盾將進一步突出。特別是近來糧食價格飛漲與生物燃料過分擴張有一定的關系。因此開發不與糧食爭奪資源的新一代生物燃料技術將受到歡迎,如使用農作物下腳料的第二代燃料乙醇[4]及使用生物沼氣制油的BTL技術,也有考慮使用非食用油料作物如海藻、麻風籽等[7]制取生物柴油。

2 生物燃料對發動機油性能的影響

隨著生物燃料的進一步推廣,使用生物燃料的汽車也越來越多。生物燃料的性能與原來傳統的汽油和柴油的理化性質都不太一樣,甚至使用不同生物原料生產的生物燃料之間性質也不盡相同,所以其對發動機油性能影響也與傳統燃料有所不同。

2.1 燃料乙醇對發動機油的影響

燃料乙醇目前直接混入汽油中一般加入5%~10%,如以生物乙醇制得的乙基丁基醚(ETBE)混入汽油可以加到15%[5]。對現有的發動機和發動機油影響不大,但是提高添加比例的呼聲越來越高。歐洲主要發展生物乙醇制得的ETBE[5],而美國則大力發展乙醇直接混入的E85。這就不得不考慮其對發動機和發動機油的影響。

首先是燃料對潤滑油的稀釋問題。對于燃料乙醇來說,它是單沸點且蒸發潛熱更高,所以液體乙醇更容易到達氣缸壁然后被活塞環刮入潤滑油中。而且乙醇易與水完全混合,未燃燒的乙醇冷凝后與水混合后進入潤滑油將可能導致油品乳化或與油相分離。這樣可能影響到潤滑油中添加劑的溶解性和性能。此外,乙醇燃燒后將產生比普通汽油多1/3的水,這也使得情況變得更差。

其次是乙醇汽油對發動機油氧化性能的影響。潤英聯公司聯合福特公司與巴西石油公司幾年前也進行了相關研究[8]。巴西是目前乙醇汽油應用最廣的國家。大部分汽車是使用含25%乙醇的E25汽油,也有一部分車使用E85和純乙醇E100作為燃料(這部分車的發動機是專門設計的,稱為靈活燃料汽車(FFV),既能使用E85或E100,也可以使用普通汽油)。當時研究發現[8],在一些操作條件苛刻的四沖程小排量發動機中(1000 mL),使用E25燃料時發動機油常出現油泥較多的問題。據分析,油泥的形成起始于進入潤滑油中燃料的部分氧化產物。而巴西的汽油中烯烴含量較高,容易被氧化,這也加速了潤滑油中油泥的形成。當時設計了發動機試驗來研究該油泥問題。研究中使用了1.0 L四沖程發動機,在高竄氣比的類似程序Ⅴ的操作條件下,所用燃料為含25%乙醇的汽油E25,試驗潤滑油為API SL粘度SAE 20W-50礦物油,試驗時間200 h以上。在前100 h內,按照試驗條件:高竄氣比、低水溫、油溫和充分怠速,導致潤滑油粘度下降。100 h之后,粘度和戊烷不溶物均上升。在試驗結束時潤滑油總酸值TAN和鐵含量都很高。但是換用含更多抗氧劑的API SM油的話,情況卻大有改善,比API SL油有更好控制油泥生成的能力。

燃料乙醇的另一個問題是腐蝕[9]。它不僅使燃料系統腐蝕而且不完全燃燒后產生的乙醛和乙酸對發動機的各部件腐蝕性也增加。ETBE也有同樣問題只是比乙醇輕而已。因此有必要在燃料及發動機油中額外加入抗腐蝕劑[10]。

目前OEM對使用燃料乙醇的態度不盡相同。美國三大汽車公司十分積極推出能使用E85的耐腐蝕的靈活燃料汽車(FFV),2007年末美國已經擁有600多萬輛靈活燃料汽車。三大汽車公司于2008年3月末聯合發出倡議,希望在2012年美國的FFV或能使用E85的汽車保有量達到50% 。美國目前允許含乙醇10%的E10使用在普通汽車上。 而歐洲大多數OEM仍然堅持只允許E5的使用,而且主要是發展ETBE。日本OEM則相對保守,多數OEM只允許3%的乙醇E3使用,對于燃料乙醇或ETBE直接混入汽油尚在爭論,日本國內也缺少相關資源。即使是在美國的日本OEM也只有尼桑少量生產FFV。

2.2 生物柴油對發動機油的影響

生物柴油比普通柴油密度與表面張力要高,餾分更重、更窄、揮發度更高,特別是粘度比普通柴油要更大。生物柴油粘度一般為3.5~5.0 mm2/s,比普通柴油2.0~3.5 mm2/s的粘度高出約15%~75%[9-10]。因此從燃料噴嘴霧化時將形成更大的小液滴,使霧化變差。李博士[11]使用菜籽油甲酯與0#柴油比較其燃燒霧化效果,發現生物柴油霧化的效果只有0#柴油的一半。這表明液滴直徑變大與空氣的霧化變差。因此使用生物柴油,將更容易出現不完全燃燒現象。加之生物柴油的餾程在320~350 ℃,比普通柴油高且餾程很窄,因此未燃燒的生物柴油進入潤滑油后更容易在油底殼保留并累積。潤滑油實際被燃料稀釋的程度一般取決于操作條件、發動機設計和燃料性質。一般來說,直接噴射柴油機比間接噴射柴油機的燃料稀釋問題要嚴重,因為后者相對來說更少地依賴于燃料的霧化程度。對于一些老式的直噴柴油機,如果使用純生物柴油將出現很嚴重的燃料稀釋問題。據報道[12-13],早在上世紀80年代,Siekmann和Blackburn都發現,使用純生物柴油B100的直噴柴油發動機,發動機油被燃料稀釋比高達20%,導致油品變質加速,需要大幅度降低換油周期。即使是新一代發動機縮小了氣缸間隙仍然有相當嚴重的燃料稀釋問題。Thomos Sem[14]在2004年使用B100的大豆油甲酯在Yanmar 2.1 L直噴柴油機上進行實驗,400 h后油底殼中含生物柴油8%,粘度下降了3 mm2/s,而使用普通柴油粘度卻沒有下降。Sadeghi-Jorabci[15]使用含菜籽油甲酯的生物柴油在巴士上進行實際行車實驗,在16000 km時油中含17.3%的生物燃料,粘度由14 mm2/s降到8.7 mm2/s,且含有鉻和鉛金屬元素。而使用普通柴油只有5%的燃料稀釋, 粘度降到13.3 mm2/s后恒定。

因此使用生物柴油將不可避免會帶來燃料稀釋,由于生物柴油主要是含有不飽和脂肪酸的酯類,很容易被氧化。透過活塞環進入油底殼被氧化后將進一步促進潤滑油的氧化,形成油泥、不溶物和酸性物質,從而使油品粘度、TAN增加和TBN下降,活塞積炭增多,清凈性降低[14]。

如果燃料稀釋程度高的話將降低油品粘度和油膜厚度,導致出現磨損。同時,對于生物柴油來說,其中的自由脂肪酸和甘油將會導致燃料噴射系統的腐蝕。生物柴油降解產生的羧酸產物也將增加腐蝕。之前有一些研究報道[16-18],在使用生物柴油后,機油被燃料稀釋,導致粘度大幅下降,機油中的金屬含量也有一定程度的上升[19],但性能優異的發動機油對生物柴油的負面影響有所減輕[20]。

2.2.1 關于生物柴油對發動機油影響的實驗[21]

潤英聯公司使用了目前最新模擬實驗,發動機實驗和行車實驗全面地考察了生物柴油對不同性能級別發動機油的氧化安定性、低溫流動性、清凈性、腐蝕與磨損等影響。

2.2.1.1 模擬實驗

(1)GFC氧化試驗

它是歐洲工業界用來評價發動機油氧化安定性的方法。試驗條件如下:300 mL油,溫度170 ℃,無催化劑,通以10 L/h流量的空氣,時間為144 h和188 h。試驗結束后進行分析。試驗油樣分別采用純發動機油、純機油分別混入10%B0(即普通柴油)、10%B50(生物柴油和普通柴油各占50%)和10%的B100(純生物柴油)。同時采用兩種發動機油進行試驗,一種為中檔油(滿足ACEA A3-02,B3-98性能要求),另一種為高檔油(滿足ACEA E6-04,MB p228.51性能要求)。圖1是GFC氧化試驗后粘度增長結果,圖2是其總酸值TAN增長結果。

從圖1可以看出,經過144 h氧化后,加入10%各種柴油的中檔油40 ℃粘度均增加,且隨著生物柴油的比例增大而增大,B100最大至30.8 mm2/s。且在188 h試驗后,全部中檔油的樣品幾乎成了固體,無法流動。與此相對照的是,高檔油在加入10%各種柴油進行試驗后,其40 ℃粘度增長也是隨其中生物柴油的比例增大而增長,但總的來說增長幅度較小。經188 h后,僅加入10%B100的高檔油樣成了固體,其他樣品仍能流動。這一點也可以從圖2得到佐證。加入各種柴油的中檔油其總酸值TAN均大幅增加,尤以加入純生物柴油B100的增加幅度最大。而高檔油其總酸值雖然也有所增長,但增幅相對較小。

(2)TEOST MHT-4試驗

TEOST MHT-4試驗是API SL及SM規格中用于評價發動機油生成沉積物傾向的。使用的油樣除取消加入純生物柴油B100外其余同GFC實驗。圖3為TEOST MHT-4試驗結果。從圖3可以看出,加有普通柴油的實驗與發動機油本身結果接近,但加入生物柴油B50的中檔發動機油其沉積物增幅最大,而高檔油的沉積物增長幅度相對較小。

(3)HTCBT高溫腐蝕模擬試驗

HTCBT(高溫腐蝕模擬試驗)是目前ACEA E7和API CI-4、CJ-4規格中測定腐蝕的試驗。結果見圖4與圖5。

從圖中可以看出,發動機油中混入10%普通柴油,其HTCBT試驗銅、鉛與純發動機油試驗結果相比幾乎沒有變化。但混入10%B50和B100的話,對于性能稍差的中檔油,試驗后銅、鉛含量都大幅度升高。而對于性能優異的高檔油,試驗后銅、鉛含量變化不大。這說明發動機油中混入生物柴油,確實會對銅、鉛金屬產生一定的腐蝕。而發動機油性能的高低對于減少其腐蝕具有重要的作用。性能好的發動機油能控制生物柴油帶來的腐蝕,在一定程度上保護了發動機部件。

潤英聯公司也考查了不同原料生產的生物柴油對發動機油腐蝕方面的影響,仍然采用HTCBT試驗,其結果見圖6和圖7。

從圖6和圖7可以看出,原料不同影響差別也較大。以棕櫚油為原料的生物柴油對銅、鉛的腐蝕相對較小,而以大豆油為原料的生物柴油對銅、鉛的腐蝕相對較大,菜籽油居中,目前歐洲生物柴油主要是以菜籽油為原料,美國則主要用大豆油,而東南亞國家的生物柴油主要來源于棕櫚油。

(4)不同原料生物柴油對發動機油低溫性能的影響

采用15W-40發動機油不加與加入10%各類不同來源的生物柴油(菜籽油、大豆油和棕櫚油)及普通柴油測定其-20 ℃的CCS和-25 ℃的MRV。結果表明,在CCS的測定中各種柴油加入發動機油后粘度均比不加時降低60%以上,只有棕櫚油只降低30%左右。MRV測定表明只有棕櫚油不降反而升高6%,其余均降低70%以上。所以棕櫚油甲酯只適合在熱帶使用,且最好只用單級油,因為多級油若粘度指數改進劑選擇不當,則使用后的油可能出現無法泵送的情況。

2.2.1.2 發動機實驗

所有實驗均使用含大豆油甲酯30%的B30生物柴油與普通柴油對比。

(1)Caterpillar 1N清凈性試驗(CJ-4規格油使用)

使用符合CJ-4規格與ACEA E6規格的兩個發動機油,結果如表4。

從表4可見,使用B30與普通柴油相比對CJ-4油的清凈性沒有影響,均通過。對清凈性更好的E6油也是如此。只有在E6油中混入生物柴油使其含量達5%時出現嚴重的頂環岸重炭以及頂環槽充炭不合格,但活塞清凈性仍然合格。可見生物柴油對CJ-4和E6這樣高性能的發動機油影響不大。

(2)Mack T-12發動機試驗

Mack T-12是CJ-4規格中帶廢氣循環(EGR)的發動機試驗,用于評定由煙炱引起的軸瓦及缸套磨損、油耗與氧化性能。此處也使用CJ-4試驗油,燃料為B30生物柴油與普通柴油進行實驗對比。

表5 Mack T-12生物柴油試驗結果

從表5可見生物柴油使潤滑油中的鉛含量增加而超標,但其余指標與普通柴油類似。

2.2.1.3 潤英聯的生物柴油行車實驗

潤英聯在美國的River Valley進行了生物柴油行車試驗。車隊包括11臺裝有Mack E7 314 kW(427 hp)發動機和10臺裝有Cummins ISX 331 kW(450 hp)發動機的重型卡車。 在一直用2#柴油燃料運行了14個月和約22.53萬km(14萬mile)后,將卡車切換使用含20%生物柴油的燃料。所用機油為API CJ-4發動機油。圖8和圖9為行車試驗后廢油分析。圖10和圖11為試驗性能。

從結果來看,兩種發動機使用普通柴油和20%的生物柴油,廢油中鐵含量相差并不大,銅含量也無異常,但鉛含量均大幅升高。但從圖10來看發動機軸瓦實際運行狀況仍然良好。所以廢油中鉛并非來自軸瓦而有可能來自燃料油箱。兩種發動機使用生物柴油后,機油的氧化度均有一定程度的升高,其中Mack發動機升幅相對較大。但圖10來看油泥并未增加。但是圖11的冠岸重炭兩車均上升。這也說明生物柴油的引入將在一定程度上加劇機油的氧化。但由于CJ-4油的性能水平高,所以一定程度上抵消了生物柴油帶來的負面影響。 2.2.2 主要OEM對生物柴油的立場[22](見表6)

大多數OEM均接受B5,但對更高用量的生物柴油均持謹慎態度。

3 結論

(1)近年來,由于節能減排的要求以及石油價格的高漲,歐美均出臺了許多鼓勵使用生物燃料的政策。因此包括燃料乙醇和生物柴油在內的生物燃料發展迅速,全球生物燃料的產量和需求量及生產能力都不斷增長。在未來幾年里,這一增長趨勢仍將繼續。但隨著需求的擴張與糧食爭奪資源加劇,急需開發新的生物燃料來源和技術。

(2)生物燃料與普通石化燃料的性質有所不同,其添加比例較低時,對發動機油性能的影響較為有限,但以高比例加入石化燃料中使用時,對發動機油的影響逐漸顯現。

(3)生物燃料對潤滑油的稀釋程度比石化燃料要高,這將導致機油粘度降低,帶來發動機磨損問題。同時,生物燃料的引入帶來發動機油的污染造成腐蝕、氧化、油泥和沉積物使發動機油性能變差。

(4)潤英聯公司所進行的模擬試驗、發動機試驗和行車試驗表明,大比例添加量的生物柴油對潤滑油的氧化、腐蝕及低溫性能存在一定程度的負面影響。性能優異的發動機油在很大程度上能降低生物柴油帶來的各方面負面的影響。

(5)當前發動機和汽車OEM對生物燃料的應用問題比較關注。對低比例生物燃料,大多數OEM都能批準用于目前未經改造的普通發動機。但對高比例調合的生物燃料,大多數OEM目前都持謹慎態度。

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收稿日期:2008-08-06。

作者簡介:秦曉東(1975-),男,碩士,2001年畢業于中國石油大學(北京)化學工程與工藝專業,潤英聯北京市場技術服務代表,主要從事潤滑油添加劑的技術研究及推廣工作,已公開發表論文數篇。