淺談氣體燃料發動機的潤滑

吳郡

(歐陸寶（天津）新材料科技有限公司，天津301800)

面對汽車排放對大氣污染的日益嚴重，使用清潔燃料逐漸受到重視并大力推廣。使用氫氣、太陽能等雖然比較理想，但是到實用階段仍舊需要很長的一段時間，而使用氣體燃料僅需對現有的汽油發動機和柴油發動機做局部改造即可應用，得以實現清潔燃料的實用階段，因而有很大的現實價值和巨大的社會經濟效益。

1 氣體燃料的組成及優點

與汽油或柴油等液體燃料相比，氣體燃料的優勢在于能夠大幅度減少車輛尾氣排放，同時可在一定程度上降低燃料成本。常用的氣體燃料有三種：壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、液化石油氣（LPG）[1]。天然氣的主要組成為甲烷、乙烷、丙烷，所以其用作發動機燃料有如下優點：燃燒產物中氮氧化物（NO）及HC含量大大低于以汽油或柴油為燃料時的排放含量；經濟性好，氣體燃料的熱值低于汽油，在同等功率下燃料消耗比為汽油∶氣體=1∶1.2，但價格比為50%。

2 天然氣發動機與汽油或柴油發動機的區別

天然氣發動機的結構、燃料及工況等方面與汽油或柴油發動機明顯不同，對油品的清凈性、分散性、抗氧化性及抗磨性的側重點明顯不同。氣體燃料組成的復雜性及應用領域及環境的差異，對天然氣發動機油的要求各不相同，但共性更多。天然氣發動機的燃氣溫度和排氣溫度較高，固定式天然氣發動機更是長周期不間斷運行，對油品的抗氧化硝化及抗腐蝕性的要求高很多；氣體燃料通常燃燒比較完全，燃料中硫含量比較低，對油品的高溫清凈性及酸中和作用就相對較低。反而要求控制潤滑油的灰分來減少沉積物的形成[2]。

例：用一臺GM5.7 L 雙燃料發動機按照ⅢE條件用CG-4/SH 潤滑油做對比實驗，結果表明：1）在油泥生成上，用氣體燃料的更好；其他沉積物相比用無鉛汽油的更好。2）磨損上，主軸承失重，用氣體燃料的好很多，其他部位磨損相似。3）抗氧化性能方面，用無鉛汽油的氧化更明顯，潤滑油粘度增長較快。4）用無鉛汽油的TAN 和TBN變化曲線交叉點在24h，而用氣體燃料的在48h，說明用氣體燃料時潤滑油的降解要緩慢一些。實驗說明，天然氣發動機潤滑油應當具備良好的抗氧化硝化性能、適當的硫酸鹽灰分、良好的高溫清凈性、良好的防腐蝕性能及控制沉積物的生成能力，以及與催化劑的形容性良好。

3 天然氣發動機潤滑油的性能特點

3.1 良好的抗氧化硝化性能

天然氣發動機潤滑油的氧化劣化機理與汽油或柴油相似，但是氣體燃料有更高的比熱容，排氣溫度比柴油發動機高100～200℃，對潤滑油的抗氧化性能提出了更高的要求。受燃氣發動機潤滑油灰分的制約，清凈劑分散劑的添加量不能太高，對氧化劣化物的溶解及酸中和能力有限，只有延長“抗氧化”階段，才能提高潤滑油的壽命，所以對低灰或無灰型燃氣發動機潤滑油來說，抗氧化性能尤為重要[3]。

3.2 良好的清凈性及沉積物控制能力

天然氣發動機潤滑油的TBN 用來中和各類酸性物質，TBN 過低，將會導致TAN 增大，潤滑油變質等問題加快。但是TBN 過高將會帶來沉積物的增加，引起粘環、拉缸等現象。由于氣體燃料中的硫含量通常較低，燃燒過程產生的酸性物質少，天然氣發動機潤滑油中清凈分散劑的主要作用除進行酸中和作用外，更強調潤滑油的高溫清凈能力。

3.3 適當的灰分

天然氣中硫含量比較低，燃燒后產生的酸性物質少，其對灰分（堿值）的需求主要是為了潤滑閥系和氣門部位。較低的灰分，可減少火花塞沉積物的生成，避免火花塞堵塞及發動機提前點火，較少排放污染。

3.4 良好的抗磨劑防腐蝕性能

燃氣發動機的凸輪-挺趕摩擦副及活塞上下止點附近等部位一般處于邊界潤滑，要求潤滑油具有良好的抗磨性能以降低發動機的磨損。特別是長時間滿負荷運轉的固定式燃氣發動機，要求潤滑油具備良好的抗磨劑防腐蝕性能，以保證發動機的正常有效工作。

3.5 防止三元催化器失效

天然氣發動機潤滑油低鋅、低磷，防止氧傳感器和催化器中毒失效。

綜上所述，由于燃氣發動機的結構、燃料性質及使用環境的多樣化，決定了燃氣發動機潤滑油的性能要求不同于普通的潤滑油。如若選用不當，將會縮短發動機的使用壽命并且造成維護維修成本不必要的增加。

4 天然氣發動機的常見故障

4.1 提前點火——進氣門處容易形成沉積物；

4.2 高溫——進氣門及火花塞使用壽命短、易損壞；

4.3 含硫——發動機零部件，特別是活塞和氣缸壁早期磨損和腐蝕嚴重；

4.4 灰分——灰分沉積造成氣閥關閉不嚴、漏氣，增加閥座磨損等。

5 CNG/LNG 專用潤滑油與普通柴機油的區別（見表1）

表1

5.1 排氣溫度比柴油發動機高100～200℃，要求潤滑油具備更高的抗氧化性和抗硝化性；

5.2 熱負荷高，要求潤滑油運動粘度不宜偏高，以保證良好的流動性和冷卻性能；

5.3 天然氣的硫含量比柴油的低，要求潤滑油采用低堿值；

5.4 采用熱傳感器，要求鋅、硫的含量＜300ppm，防止氧傳感器和催化器中毒失效；

5.5 綜合氣門潤滑和活塞積碳問題，天然氣發動機要求使用中低灰分的潤滑油[4]。

6 天然氣發動機的特點

6.1 CNG/LNG 燃燒產生高溫；

6.2 在高溫的作用下，普通潤滑油的高灰分添加劑極易形成沉積物；

6.3 氣門干澀容易引起氣門磨損及關閉不嚴；

6.4 排氣中含大量氮化物，促進普通潤滑油氧化硝化，生成大量油泥。

7 亂用潤滑油后的過敏

7.1 缺乏潤滑保護，引發發動機異常磨損及故障；

7.2 高灰分產生的沉積物導致發動機部件磨損、火花塞堵塞及氣門燒毀等；

7.3 氣門磨損、關閉不嚴，造成發動機功率下降或無法工作；

7.4 生成大量油泥，堵塞油路或生成漆膜等有害物質。

總之，如果將普通柴油發動機潤滑油用于天然氣發動機，雖然潤滑油成本下降了，但氣缸蓋翻新成本卻大幅度增加，推薦使用天然氣發動機專用潤滑油[5]。

8 CNG/LNG 重卡相比柴油重卡的明顯優勢

8.1 燃料成本

LNG 重卡售價大約在40 萬元/輛，比普通重卡貴8 萬元，但LNG 重卡行駛成本低，節約燃料費用30%以上，比柴油車型節省1.5 元/km，這樣一年就能回收多出的購車費用。

8.2 維修成本

由于天然氣燃燒充分，不產生積碳，可延長發動機壽命，減少車輛維修頻次，減緩了折舊速度。相同工況下，與柴油車相比維修保養成本降低10%以上，且動力性不比柴油車差。

8.3 滿足排放

天然氣卡車的環保性污染物排放量比柴油車降低90%以上，很容易滿足國四、國五、國六的排放標準要求。

8.4 與柴油加注時間相當

一般一次加注續航能力500km 以上（一個儲氣瓶）。

實際應用情況見表2：

表2

9 總結

全球天然氣需求量將從目前的2.6×1012m3增加到2022 年的5.1×1012m3；大約到2040 年，天然氣在一次能源中所占比例將達到51.1%，超過石油和煤炭成為最重要的能源形式。以CNG 和LNG 為燃料可以有效降低發動機污染物排放。隨著環境法律法規對大氣質量的控制及對發動機排放要求的日益嚴苛，以天然氣為主要替代燃料的天然氣發動機及相關技術將會成為大勢所趨，同時，天然氣發動機專用潤滑油將會越來越受到關注和青睞，為我們的經濟建設和藍天計劃保駕護航。