满足国Ⅵ排放的重负荷燃气发动机油研制及应用

赵正华，马文全,张勤，焦军平，金鹏

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060;2.中国石油兰州润滑油厂，甘肃 兰州 730060)

0 引言

2018年6月，生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布了《重型柴油车污染物排放限值及车辆方法(中国第六阶段)》[1]，该标准可适用于天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车及其发动机所排放的气态污染物的排放限值及测量方法。要求整车进行实际道路车载法排放试验，达到以下排放限值，具体限值见表1。

表1 整车试验排放限值 mg/kW·h

注：*为PN限值从6b阶段开始实施。

而今年7月1日期，北京地区的重型燃气车必须满足国Ⅵb阶段要求，NOx和PM将比国Ⅴ阶段降低60%以上，并增加了颗粒物粒数(PN)限值要求，该排放标准的实施将有利于提升机动车排放水平，进一步减少污染排放，促进空气质量改善。

1 国Ⅵ重型燃气发动机的性能特点

目前，天然气发动机的工作方式主要有两种，第一种是点燃式，与传统汽油机工作方式类似，天然气和空气在进气冲程行车均质混合气，由火花塞点火引燃天然气空气均质混合气；第二种工作方式为压燃式，由于天然气着火温度非常高，天然气不易被压燃，天然气由缸内直喷的柴油引燃。

点燃式天然气发动机按照混合气浓度可以分为当量燃烧和稀薄燃烧两种方式，混合气的形成方式通常有进气道喷射以及缸内直喷的方式。采用当量燃烧的天然气发动机是目前应用的主要型式，因为采用当量燃烧可以使三元催化器具备很高的转化效率[2]，THC和NOx几乎可以100%的转化，同时降低THC、CO和NOx排放，达到降低排气污染物，很容易达到国Ⅵ排放要求，而稀薄燃烧的燃气发动机的NOx排放水平则难以达到国Ⅵ排放要求，需要增加SCR技术，造成成本大幅度提高。

根据发动机设计特点，国Ⅵ阶段重负荷燃气发动机油的主要要求如下：

(1)更高的抗氧化能力，满足发动机高温工况、热负荷增大的使用要求，抑制润滑油品在使用过程中出现过度氧化导致的酸性物质和黏度增加。

(2)更优异的高温清净性，有效抑制活塞环黏结、活塞沉积物、积炭的生成，保持发动机清洁；

(3)更佳的抗磨损能力，防止发动机在使用过程中阀系、缸套、活塞环等部件磨损，大大提升发动机运行可靠性；

(4)更稳定的黏度保持性，保障发动机在运转过程中，活塞、缸套等部件间的优良润滑，减少发动机部件磨损；

(5)适宜的硫酸盐灰分、硫、磷含量，避免大量沉积物积累导致阀门熔损，燃烧室及活塞沉积物衬里磨损和提前点火。

2 国Ⅵ重负荷燃气发动机油的研制

根据国Ⅵ重负荷燃气发动机油的具体要求，选择性能优异的金属清净剂、无灰分散剂和抗氧剂、抗磨剂，通过添加剂复配规律研究，在性能优异的加氢基础油中进行氧化性能、抗磨和高温清净性评价，具体情况见表2。

表2 国Ⅵ重负荷燃气发动机油方案考察

根据成焦板、热管，磨斑直径等模拟数据，综合来看，3号方案表现出更好的抗氧化性能、高温清净性和抗磨损性能，因此，初步确定3号方案为10W-40 国Ⅵ重负荷燃气发动机油的定型方案，研制的10W-40 国Ⅵ重负荷燃气发动机油，其主要理化分析数据见表3。

表3 国Ⅵ重负荷燃气发动机油主要理化数据

由于国内外燃气发动机油目前没有统一的标准和标准发动机台架试验，油品公司往往与发动机厂商(OEM )合作，通过使用试验，开发满足特定OEM用油要求的产品，并获得其认证[3-4]。油品研发过程中一般采用Cat.1M-PC和CRC L-38发动机试验来评价油品的高温清净性、抗氧化性和抗磨损性，本研究对研制的油品进行了Cat.1M-PC和CRC L-38发动机台架试验，其结果见表4。

表4 国Ⅵ重负荷燃气发动机油发动机台架试验数据

表4(续)

由表3和表4可见，研制的国Ⅵ重负荷燃气发动机油基本理化数据满足质量指标要求，并通过了Cat.1M-PC和CRC L-38台架试验，表明该油品具有优异的黏度保持性、高温清净性、抗氧化性和抗磨损性。

3 国Ⅵ重负荷燃气发动机油在重型燃气发动机的应用

将研制的国Ⅵ重负荷燃气发动机油应用到某重型燃气发动机进行性能评价，并对油品的黏度、酸值、氧化值、硝化值和主要磨损金属元素铁含量进行了跟踪评价，具体结果见图1～图4。

图1 油品100 ℃运动黏度的变化趋势

图2 油品酸值的变化趋势

图3 油品主要磨损金属元素Fe含量的变化趋势

图4 油品氧化值、硝化值的变化趋势

由图1～图4可以看出，在整个试验过程中，油品黏度变化平缓，具有优异的黏度保持性；油品的酸值变化值经过1000 h的考核，没有出现明显的上升，说明油品没有出现过度氧化后酸性物质的增加；油品的氧化值和硝化值随着试验时间的延长，呈现了增加的趋势，但增势缓慢，抗氧化性能优异；主要磨损金属元素含量处于较低范围内，说明发动机磨损小，油品润滑性能和抗磨损性能优良。

4 小结

(1)国Ⅵ重负荷燃气发动机油对润滑油在抗氧化性、高温清净性、抗磨损性等方面提出了更加苛刻的要求；

(2) 研制的国Ⅵ重负荷燃气发动机油通过了Cat.1M-PC和CRC L-38台架试验，并经过重型燃气发动机考核试验表明，油品具有优异的黏度保持性、高温清净性、抗氧化性和抗磨损性。