CNG发动机润滑油更换周期研究

近年来，公交汽油车均已改装为使用压缩天燃气（CNG），其发动机部件异常磨损较快，润滑油早期变质严重等诸多问题困扰营运，尤其是保养维修的问题。因此，必须针对天燃气车特殊的工况条件，合理的换油周期作专题研究，以便寻求延长天燃气发动机寿命和提高经济效益的措施。

    1 CNG发动机润滑油存在的问题

    以重庆第二公交公司营运压缩天燃气车为例，其主要是由东风EQ6100 型解放CA6102 型改装而成。长期以来，两种车型使用同一牌号润滑油（40SD/CC），并且在同一机械保养周期（二级保养）强制更换，没有一个准确合理的换油周期，也没有进行有关的试验研究，这将出现两个问题：若过早的更换润滑油，未超过理化指标，将造成浪费；若过迟更换润滑油，则早已超过理化指标，将造成发动机的异常磨损。

    因此，要解决以上问题，就必须更进一步探讨和明确这三个问题：

    （1）天燃气发动机换油周期与哪些因素的影响有关？

    （2）汽油发动机改装为使用天燃气后，对润滑油的技术条件有何特殊要求?

    （3）如何规范换油技术，使两种机型的换油周期与机械保养周期有机的结合？

    2 两种不同类型的发动机换油周期试验

    我们在重庆公交二公司营运车中随机选定6辆天燃气车（其中东风EQ6100 型4辆，解放CA6102型2辆），确定同一种机油（40SD/CC），按每2000km 间隔里程，根据多次采集油样检测数据，逐步淘汰超过换油指标的车辆。试验结果归纳见表1。

    从表1的数据可得出：公交公司天燃气营运车，使用的40SD/CC 级通用润滑油，合理的换油周期（取下限值）：东风EQ6100 型发动机换油里程小于15000km；解放CA6102 型发动机换油里程小于9000km；从以上结论可看出，两种车型使用同一种机油，换油周期是不同的，若在同一机械保养周期（最新的保养制度：一级保养为7000km，二级保养为27000km）换油，都将造成润滑油的浪费或发动机的异常磨损，显然是不合理的。

    3 影响天燃气发动机换油周期的因素

    从以上试验结论和采集的数据资料表明，发动机换油周期与其类型、使用环境、工况条件、润滑油的质量、维护保养等都有密切关系。

    所以，确定换油周期是一个非常重要而复杂的问题。在天燃气车辆的实际运行、维修、保养的过程中也发现，天燃气发动机比使用汽油为燃料的发动机，其轴瓦、活塞环、气缸、气门等机件异常磨损更快，润滑油变质速率增大，劣化变质程度更严重。通过分析研究后，认为影响天燃气车换油周期与汽油车相比的特殊原因如下：

    3.1 高热负荷的影响

    天燃气是一种含碳量较少的碳氢燃料，化学性质较稳定，加之天燃气的燃点（650℃）比汽油的燃点（427℃）高，在燃烧过程中诱导期增长，主燃期火焰传播速度比汽油慢25%。所以，天燃气在气缸中燃烧后，比汽油多15%～20% 的热量滞留在燃烧室内，过多的热量不断积累，温度不断升高，并传导给气缸壁、活塞、连杆、气门等机件，使之承受较高的热力负荷。

    由于公交天燃气车是由原汽油车改造而成，对发动机的结构参数未作改动，因而不能充分发挥天燃气的特点，存在许多不适应、不匹配之处，如果发动机的功率下降15%，则扭矩下降13%。为弥补燃用天燃气造成的动力下降问题，经技术改造已将压缩比提高10%～13%。虽然使动力性有所提高，但却促使发动机燃烧室温度和压力进一步升高，加剧了工况条件的恶化程度。

    在上述高热负荷状态下，机件强度和硬度下降，受热膨胀变形，使运动付配合间隙破坏，润滑油粘度下降，油膜厚度减小，甚至不能形成油膜，造成润滑失效和机件的加速磨损。据有关文献资料表明，温度每升高10℃，润滑油的氧化速度将增加1倍。所以，润滑油在高温下过快氧化、变质、结胶，生成积炭和各种沉积物，从而导致活塞环失去密封作用，轴瓦烧熔，油路堵塞以及由此而产生的一系列恶果。

    3.2 高氮氧化物的影响

    根据燃烧化学理论可知：氮氧化物的生成与温度和压力有关，在密闭的容积内，一定压力下，温度每提高10%，氮氧化物的生成速度则会增加12 倍。因此，天燃气发动机比燃用汽油更容易生成大量氮氧化物气体，其危害是污染大气环境，还促使机油硝化、变质，形成一种黑色糊状物的油泥，堵塞油路或形成漆膜覆盖在轴瓦表面，活塞环槽内，破坏正常的润滑条件，加快机件的磨损。

    3.3 其它“难润滑”部位的影响

    汽油发动机中的汽油是以小液滴与空气混合进入汽缸，对气门及座圈工作面可起到一定的润滑、冷却作用，而天燃气混合气无润滑作用，这将使气门及座圈更容易产生异常磨损和烧蚀。另外，在原汽油机结构上，增大压缩比，发动机各运动部件将承受由气压力产生的更大机械负荷。这就使活塞与气缸壁工作面，轴与轴瓦结合面，齿轮与齿轮啮合面等，产生更高的压缩应力，单位面积上的载荷增大，间隙缩小，因无法充分供油，难以形成合适厚度的油膜，很容易形成干摩擦和半干摩擦，增大异常磨损的可能性。并且产生更高的摩擦热，使润滑油温度升高，加速其劣化变质的速度。

    同时，凸轮、摇臂轴衬套及摇臂工作面，连杆衬套等，本身的工作状况就处于边界润滑，难以形成油膜，在过高的温度和机械负荷作用下粘度下降，润滑油变质，更使润滑条件恶化，加剧磨损。

    4 汽油发动机改装为使用天燃气对润滑油的技术条件要求

    润滑油的主要性能有粘度、粘温性、热氧化安定性、清洁分散性、抗腐蚀性,总碱值和总酸值，闪点和燃点等。这些性能的好坏，反映了润滑油的质量水平。天燃气车发动机根据其工作条件的特殊性，对润滑油的性能提出不同的、更高的要求：

    （1）较高温度下有更好的抗氧化能力、抗硝化安定性能。

    （2）具有抗高温、抗磨损、抗擦伤的良好性能，对“难润滑”部位有保护和更良好的润滑作用。

    （3）为减少各种沉积物，避免生成油泥，保证油路畅通，要求润滑油有更强的清洁分散性能。

    （4）混入机油中的天燃气不完全燃烧物、积炭、沉积物、金属磨粒，灰尘、水分等污染物，在高温、高压环境中，容易生成具有酸性腐蚀性物质，要求润滑油有更强的抗酸、抗腐蚀性能。

    5 新品牌润滑油的选用试验及更换周期的确定

    从以上所述天燃气车发动机对润滑油性能技术条件的要求表明，公交天燃气车所使用的40SD/CC通用润滑油的性能指标，根本无法满足天燃气车较高的特殊要求。所以，为减少发动机磨损，延长换油周期，提高经济效益，建议使用比SD 级高一至二个档次的SE 或SF 级润滑油。

    我们选定三种不同厂家和牌号的SF级润滑油，在重庆公交二公司的天燃气车上进行了多次换油周期的比较性试验（共12辆车）。采用一种牌号的润滑油选定不同型号的车型各两辆，按每2000km 里程，分阶段取样检测，直至润滑油指标超标报废为止，确定其最高换油行驶间隔里程，见表2。

    从表2试验比较数据中可得出：牌号为SF15W/40 的润滑油，在公交天然气发动机换油周期最长，可作为首选品牌。两种类型的发动机换油周期与最新的保养作业规范，机械二级保养周期27000km基本相符合。

    SF15W/40 润滑油是“中国石化重庆一坪润滑油公司”根据公交天燃气车发动机特殊的工况条件和润滑特点生产的专用润滑油。通过对其性能和技术指标的考查，以及结合试验过程进行综合分析评定后一致认为，这种牌号润滑油除具有一般SF 级润滑油应具有的油品质量和润滑性能指标外，还在此基础上加入各种无灰、金属和独特保护功能等新型专用添加剂，在原有性能和技术指标上有所加强和扩展。基本能满足改装天然气车对发动机润滑油的技术要求。

    目前，重庆公交二公司根据实验报告，通过成本核算，可行性论证研究决定，全公司所有CA6102型和EQ6100型的发动机，改装成压缩天然气，近1000 辆营运车均淘汰40SD/CC 级润滑油，选用“重庆一坪润滑油公司”生产的SF15W/40润滑油。并确定CA6102 型发动机换油周期为27000km，EQ6100型发动机换油周期为28000km，统一在二级保养周期换油。对工况条件较为恶劣的CA6102型发动机车辆，仍需进一步跟踪调查，酌情调整，以便确定一个更切合实际的换油周期。