生物柴油對發動機潤滑油性能的影響

【日】 土橋敬市

0 前言

目前，作為生物柴油被廣泛使用的燃料是脂肪酸甲酯（FAME）。各國所采用的FAME 原料種類都各不相同，而不同原料的FAME 組分、特性及混合比例也各有差異，從而導致這些FAME 燃料在應用時對發動機的影響也不相同，研究人員正在對這些現象加以研究。歐洲的一些國家使用菜籽油甲酯（RME）原料，泰國、印度尼西亞及馬來西亞等國使用棕櫚油甲酯（PME）原料，美國使用大豆油甲酯原料，而日本則使用進口的FAME 燃料，同時在京都等地區也在使用以廢棄食用油甲酯（UME）為原料的FAME 燃料。FAME 的利用主要采用與柴油混合的方式，大部分國家都采用FAME 混合比例為5%（B5）的混合燃料。如圖1 所示，日本由于受2005年前后原油價格上漲的影響，柴油價格也隨之上升，因而在燃用FAME 混合燃料時，多數采用B5或FAME比例超過B5 的燃料。但當時也有報告稱，因燃用FAME 燃料而導致發動機系統出現故障[1，2]。另一方面，在歐洲，正在為提高FAME 混合比例而開展EN 規格修訂等相關研討工作。此外，作為“日本汽車燃油規劃”中的一部分，研究人員正在對FAME比例超過B5燃料的混合燃料對發動機的影響開展相關的調查研究。從FAME混合燃料的影響來看，主要有對發動機性能及排放的影響，以及對排氣后處理系統和燃油系統的影響[3，4]，還有包括發動機潤滑油品質在內的對潤滑系統的影響[5]等，本文介紹了FAME混合燃料對柴油機潤滑油特性及潤滑系統零部件的影響。

1 從市場回收的發動機潤滑油及其特性分析

作為日本國內市場FAME 混合燃料對發動機潤滑油影響的調研實例，表1 給出了從燃用UME混合燃料的車輛上回收的發動機潤滑油特性調研結果。樣本A 和樣本B 是從配備了柴油顆粒過濾器（DPF）的車輛上回收的發動機潤滑油，樣本C 是從未配備DPF的車輛上回收的潤滑油。另外，潤滑油樣本的回收和特性調查也是發動機故障原因調查的環節之一，因而各被試車輛至少都有1年左右燃用UME燃料的經歷。

調研結果表明，發動機潤滑油動黏度的變化有2種情況：受燃料稀釋的影響，動黏度明顯降低（樣本A 和樣本C）；受發動機潤滑油老化的影響，動黏度明顯增加（樣本B）。同樣，總酸值和總堿值的變化也存在超出使用限度和在容許范圍內2種情形。另一方面，從發動機潤滑油中的水分含量來看，3種樣本均處于相對較高的水平。由于發動機潤滑油中的添加劑可能會發生加水分解等現象，因此認為，潤滑油中的水分含量也應予以關注。另外，利用{[1-（A 方法的不溶解成分/B 方法的不溶解成分）]×100}得出的離散指數處于相對較低的水平。一旦離散指數過低，發動機潤滑油中的不溶解成分就會沉積在發動機內部零部件的表面，并導致零部件表面的清潔度惡化。此外，不溶解成分也有可能會在零部件的滑動部位析出，引起油膜破裂等現象，所以，離散指數也極為重要。

表1 回收的發動機潤滑油特性

圖2為出現故障的發動機吸油濾清器的外觀。由圖2可見，由于發動機潤滑油的離散指數降低，潤滑油中的不溶解成分沉積下來，并形成淤泥狀。該實例是燃用UME B100燃料的情形，但即使燃用不同的FAME或FAME 混合柴油，也有可能會出現同樣的現象，因此認為在這種情況下，必須對發動機進行適當的檢修與保養。

2 發動機潤滑油中的柴油及UME殘留率比較

前文已介紹了從燃用UME 燃料的車輛上回收的發動機潤滑油特性調研結果，已經明確，無論是否配備DPF，都存在動黏度大幅降低的情況。

動黏度降低的原因可歸結為是受到了黏度指數改進劑（聚合物）剪切效應的影響，以及受因燃料混人而導致潤滑油被稀釋的影響。針對燃用FAME或FAME混合柴油的車輛，在研究燃料對發動機潤滑油稀釋的影響時，必須要掌握柴油及FAME 的蒸發 特 性。圖3 為JIS 2 號 柴 油、UME B100 與 發 動機潤滑油（10W-30）的蒸發溫度比較。結果表明，UME的蒸發溫度高于柴油的，并接近于潤滑油的水平。

根據這一情況，可推測當UME 混人發動機潤滑油中時，潤滑油中積聚的UME 量會比柴油的量相對多一些。為確認上述推測，參考用于確認發動機潤滑油性能的方法，即氮氧化物冒泡試驗法，利用吹人空氣的方法，研究了上述2 種燃料的UME 殘留率。發動機潤滑油的試驗溫度為100℃和120℃，試驗時間為24 h。圖4為試驗結果。當發動機潤滑油溫度為100℃時，UME 不會蒸發，幾乎全部殘留在發動機潤滑油中。另一方面，當發動機潤滑油溫度為120℃時，UME 的蒸發率約為10%，殘留在潤滑油中的量約為柴油的2倍。

綜上所述，在燃用FAME 或FAME 混合柴油的車輛上，當燃料混人發動機潤滑油中時，潤滑油中的FAME濃度會比柴油的濃度相對高一些，并且這一現象與溫度也有一定關系。根據上述分析可知，在發動機潤滑油溫度相對較低的情況下，有可能會發生因FAME 的混人導致發動機潤滑油動黏度降低，以及發動機油壓降低等現象的發生。

3 燃料稀釋對發動機潤滑油特性的影響

為驗證上述觀點，在發動機新品潤滑油中混人柴油及FAME，研究了發動機潤滑油的特性變化情況。試驗用燃料樣本為JIS 2號柴油和RME B100。試驗用發動機潤滑油的黏度等級為10W-30和15W-40。對于黏度等級為10W-30的發動機潤滑油，比較了混人柴油及RME后對其動黏度及總堿值的影響。對于黏度等級為15W-40的發動機潤滑油，則調研了與10W-30潤滑油相比，燃料稀釋對動黏度影響的緩和效果。圖5 為100℃下動黏度變化的比較。圖5中的動黏度變化顯示了相對10W-30潤滑油初期動黏度（n＝3的平均值）的相對值。如圖5所示，由于RME的混人，10W-30潤滑油動黏度降低的程度幾乎與柴油的情況相同。另外，在采用15W-40潤滑油的情況下，當柴油稀釋率為10%時，潤滑油的動黏度與10W-30潤滑油的初期值相同。

圖6表示燃料稀釋與鈣（Ca）含量及總堿值的關系。發動機潤滑油中添加的堿性清凈劑濃度與燃料稀釋率成正比地降低。另外，隨著堿性清凈劑濃度的降低，總堿值也成比例地降低。在JIS 2號柴油和RME B100中都存在這一關系，這是添加劑對燃料稀釋的影響。

根據以上分析可知，發動機潤滑油中混人的FAME具有與混人柴油同等程度的影響，包括會降低發動機潤滑油的動黏度，以及降低添加劑的濃度并改變其特性，而在使用15W-40潤滑油的情況下，則能保持相對較高的動黏度。

4 發動機試驗

下面介紹使用4 L 排量發動機，以及以柴油、PME及RME混合柴油為燃料進行耐久試驗時所獲得的結果[5]。耐久試驗時間是以全負荷運轉300 h，包括節假日停機在內，試驗共持續40天。

試驗條件有2種：（1）將相當于發動機潤滑油總量5%的試驗用燃料，每天1次添加到發動機潤滑油中，即5%燃料添加條件；（2）不添加試驗用燃料。

試驗用發動機潤滑油的黏度等級為10W-30，對發動機潤滑油要在規定間隔時間內采樣，分析總堿值、總酸值、動黏度、酸濃度，以及對部件的磨損等數據。

4.1 燃料稀釋對發動機油壓的影響

為確認燃料稀釋對發動機油壓的影響，利用PME B20燃料，以5%燃料添加量為前提條件，研究了在耐久試驗中監測到的發動機油壓與潤滑油樣本在100℃下動黏度的關系。圖7為研究結果。結果顯示，發動機油壓的降低與潤滑油動黏度的降低大致成正比。在這一區域內，發動機潤滑油的動黏度降低及發動機油壓的降低均起因于發動機潤滑油中積聚的燃料的稀釋作用。

另一方面，隨著耐久試驗時間的推移，發動機潤滑油中的碳粒及老化物等開始增加，動黏度也隨之增加，發動機油壓同樣也呈升高的趨勢。在這一區域，發動機潤滑油的動黏度增加及發動機油壓的升高均起因于發動機潤滑油的老化影響。由此認為，在發動機潤滑油中混人燃料后會出現以下2 種情況：（1）因燃料稀釋作用，對發動機油壓產生明顯的影響；（2）因發動機潤滑油的老化而產生的影響。根據使用的發動機潤滑油品質（添加劑配方）、黏度等級、發動機運轉條件及發動機油溫等參數的不同，上述因素對發動機油壓的影響程度也會各不相同。

如果因燃料稀釋的影響而導致發動機油壓低于一定水平，則會對發動機氣門機構零部件的潤滑油供給量、用于活塞冷卻的冷卻液噴射量，以及軸承部位的油膜厚度等帶來不利影響，所以，日常使用中必須進行適當的檢修和保養。

4.2 對總堿值及總酸值的影響

圖8為在上述5%燃料添加量和采用PME B20燃料的條件下，經耐久試驗后得出的總堿值和總酸值變化。此外，總酸值用以初期值為基準的增量（總酸值增量）來表示。在超過240 h的時間點，總堿值大致降低到1 mg KOH/g，并與總酸值增量的曲線交叉。而經過該交叉點之后，總堿值呈急劇降低的趨勢，總酸值增量呈急劇增加的趨勢。根據這一情況，可以認為在本試驗條件下，試驗用發動機潤滑油的使用極限約為240 h。

為了調研引起總堿值及總酸值增量急劇變化的原因，研究了發動機潤滑油中抗氧劑濃度的變化。圖9為研究結果，所使用的2種抗氧劑在200 h后消失?；谶@一情況，可認為總堿值及總酸值增量的急劇變化應歸因于發動機潤滑油中抗氧劑性能的降低。因此，考慮到FAME 混人對抗氧劑性能所產生的影響，必須對抗氧劑的類型及添加量予以優化。

4.3 對不溶解成分濃度的影響

上述抗氧劑的消失也會影響發動機潤滑油中不溶解成分的濃度。圖10為相關研究結果。直至殘留有抗氧劑的200 h 為止，殘留碳的增量與耐久試驗時間成比例緩慢增加。但是，在抗氧劑完全消失的240 h 以后，殘留碳的增量的增加相對更快。此外，戊烷不溶解成分的增加也在240 h 以后相對更快，具有與殘留碳的增量同等的增加速度。另一方面，甲苯不溶解成分的增加速度相對較慢。根據上述情況，可認為由于發動機潤滑油中抗氧劑的消失，導致潤滑油快速氧化老化，并生成了溶解于甲苯的老化物。另外，在該試驗中，并沒有報告如表1所列的離散指數降低，以及發動機的內部污染等情況。

4.4 對酸濃度的影響

研究了在5%燃料添加量及采用PME B20燃料的條件下發動機潤滑油中的酸濃度。圖11 的研究結果表明，硫酸離子濃度與耐久試驗時間呈正比增加。硝酸離子濃度則顯示出拋物線狀的增加趨勢，并在約200 h的時間點達到峰值。硝酸離子濃度轉為減少趨勢是在抗氧劑消失之后，但在這一時期，同時生成了硝酸酯。硝酸離子濃度降低的原因之一可認為是發動機潤滑油中硝酸離子與源自PME 的酯發生反應的緣故。另一方面，發動機潤滑油中的甲酸濃度能在約40 h內達到峰值，隨后呈緩慢減少趨勢，但在抗氧劑消失之后，甲酸濃度則轉為增加趨勢。根據以上研究結果，可認為發動機潤滑油的抗氧劑性能對無機酸及有機酸的變化也會產生影響。

4.5 對軸承材料的影響

在相同的試驗條件下，研究了發動機潤滑油中的銅（Cu）和鉛（Pb）的濃度。圖12為研究結果。Pb濃度在抗氧劑消失的200 h后快速增加。此外，Cu濃度也從200 h 后稍有增加，認為這是受到了源自PME的有機酸及發動機潤滑油老化的影響。在全新開發的發動機上，已開始實施軸承材料的無鉛化措施，但對已售的舊型號發動機，就有必要在發動機潤滑油方面采取相應的技術措施。

也有文獻報道，可以通過改變發動機潤滑油中添加劑的配方，抑制Cu 和Pb 的析出。在高濃度FAME混合柴油的相關研究中，必須高度關注發動機潤滑油的品質。

4.6 對活塞環及氣缸套磨損的影響

為了研究對活塞環及氣缸套磨損的影響，進行前文所述的耐久試驗，并給出了在以下2種條件下的結果：（1）采用PME燃料和C 類潤滑油，在5%燃料添加量的條件下進行耐久試驗；（2）使用RME 燃料、柴油及A 類潤滑油，在不添加燃料的條件下進行耐久試驗[5]。圖13 為研究結果?；钊h磨損是指與氣缸套接觸的活塞環外圓面磨損。氣缸套磨損則是指在活塞上止點處與第1道活塞環接觸的氣缸壁滑動面磨損。圖13顯示的磨損量均為以柴油試驗所獲得的磨損量平均值為基準的相對值。在燃料不稀釋的條件下，如果增加RME 的混合比例，則活塞環磨損呈增加趨勢。另一方面，在5%燃料添加量的條件下，燃用PME B20的活塞環磨損與燃用PME B5的活塞環磨損相比略有減輕，而在5%燃料添加量的條件下對其影響并不明顯。但據報道，利用排量8 L的發動機燃用PME燃料，并且在不添加燃料的條件下進行耐久試驗得出的結果表明，活塞環的磨損呈增加趨勢。在該試驗中，沒有實施發動機潤滑油的燃料稀釋研究，但在增加FAME 的混合比例后，檢測出潤滑油在100℃下的動黏度呈下降趨勢，所以認為，實質上是存在燃料稀釋的現象。根據以上分析得出，隨著發動機潤滑油中混人的FAME 混合柴油的形態不同，其對活塞環磨損的影響程度也可能不同。從氣缸套的磨損來看，無論是否添加燃料，以及在任何FAME 混合比例下，FAME 混合柴油的影響均不明顯。為了提高燃料稀釋影響的檢測精度，有必要通過DPF 用的后噴射，并基于燃料稀釋及長時間耐久試驗進行相關驗證。

5 結語

以市場回收的發動機潤滑油研究結果及發動機耐久試驗結果為例，證實燃用FAME 或FAME 混合柴油時，燃料對發動機潤滑油及潤滑系統零部件的影響程度有可能相對增大，因而必須對發動機進行適當的檢修和保養。發動機潤滑油中混人的FAME較難蒸發，并會積聚在發動機潤滑油中，同時，潤滑油中的添加劑等會降低其自身的動黏度，并改變總堿值等潤滑油特性參數，其結果是對發動機油壓及發動機潤滑油性能產生負面影響。