【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(dǎo)致這些FAME 燃料在應(yīng)用時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響也不相同，研究人員正在對(duì)這些現(xiàn)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(jìn)口的FAME 燃料，同時(shí)在京都等地區(qū)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(jià)格上漲的影響，柴油價(jià)格也隨之上升，因而在燃用FAME 混合燃料時(shí)，多數(shù)采用B5或FAME比例超過B5 的燃料。但當(dāng)時(shí)也有報(bào)告稱，因燃用FAME 燃料而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)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(guī)格修訂等相關(guān)研討工作。此外，作為“日本汽車燃油規(guī)劃”中的一部分，研究人員正在對(duì)FAME比例超過B5燃料的混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響開展相關(guān)的調(diào)查研究。從FAME混合燃料的影響來看，主要有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響，以及對(duì)排氣后處理系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的影響[3，4]，還有包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油品質(zhì)在內(nèi)的對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的影響[5]等，本文介紹了FAME混合燃料對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油特性及潤(rùn)滑系統(tǒng)零部件的影響。

1 從市場(chǎng)回收的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油及其特性分析

作為日本國內(nèi)市場(chǎng)FAME 混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油影響的調(diào)研實(shí)例，表1 給出了從燃用UME混合燃料的車輛上回收的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油特性調(diào)研結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，樣本C 是從未配備DPF的車輛上回收的潤(rùn)滑油。另外，潤(rùn)滑油樣本的回收和特性調(diào)查也是發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因調(diào)查的環(huán)節(jié)之一，因而各被試車輛至少都有1年左右燃用UME燃料的經(jīng)歷。

調(diào)研結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油動(dòng)黏度的變化有2種情況：受燃料稀釋的影響，動(dòng)黏度明顯降低（樣本A 和樣本C）；受發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油老化的影響，動(dòng)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(nèi)2種情形。另一方面，從發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的水分含量來看，3種樣本均處于相對(duì)較高的水平。由于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的添加劑可能會(huì)發(fā)生加水分解等現(xiàn)象，因此認(rèn)為，潤(rùn)滑油中的水分含量也應(yīng)予以關(guān)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(shù)處于相對(duì)較低的水平。一旦離散指數(shù)過低，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的不溶解成分就會(huì)沉積在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件的表面，并導(dǎo)致零部件表面的清潔度惡化。此外，不溶解成分也有可能會(huì)在零部件的滑動(dòng)部位析出，引起油膜破裂等現(xiàn)象，所以，離散指數(shù)也極為重要。

表1 回收的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油特性

圖2為出現(xiàn)故障的發(fā)動(dòng)機(jī)吸油濾清器的外觀。由圖2可見，由于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的離散指數(shù)降低，潤(rùn)滑油中的不溶解成分沉積下來，并形成淤泥狀。該實(shí)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(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，因此認(rèn)為在這種情況下，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z修與保養(yǎng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油特性調(diào)研結(jié)果，已經(jīng)明確，無論是否配備DPF，都存在動(dòng)黏度大幅降低的情況。

動(dòng)黏度降低的原因可歸結(jié)為是受到了黏度指數(shù)改進(jìn)劑（聚合物）剪切效應(yīng)的影響，以及受因燃料混人而導(dǎo)致潤(rùn)滑油被稀釋的影響。針對(duì)燃用FAME或FAME混合柴油的車輛，在研究燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油稀釋的影響時(shí)，必須要掌握柴油及FAME 的蒸發(fā) 特 性。圖3 為JIS 2 號(hào) 柴 油、UME B100 與 發(fā) 動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油（10W-30）的蒸發(fā)溫度比較。結(jié)果表明，UME的蒸發(fā)溫度高于柴油的，并接近于潤(rùn)滑油的水平。

根據(jù)這一情況，可推測(cè)當(dāng)UME 混人發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中時(shí)，潤(rùn)滑油中積聚的UME 量會(huì)比柴油的量相對(duì)多一些。為確認(rèn)上述推測(cè)，參考用于確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油性能的方法，即氮氧化物冒泡試驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的試驗(yàn)溫度為100℃和120℃，試驗(yàn)時(shí)間為24 h。圖4為試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油溫度為100℃時(shí)，UME 不會(huì)蒸發(fā)，幾乎全部殘留在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中。另一方面，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油溫度為120℃時(shí)，UME 的蒸發(fā)率約為10%，殘留在潤(rùn)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(dāng)燃料混人發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中時(shí)，潤(rùn)滑油中的FAME濃度會(huì)比柴油的濃度相對(duì)高一些，并且這一現(xiàn)象與溫度也有一定關(guān)系。根據(jù)上述分析可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油溫度相對(duì)較低的情況下，有可能會(huì)發(fā)生因FAME 的混人導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油動(dòng)黏度降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)油壓降低等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 燃料稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油特性的影響

為驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)新品潤(rùn)滑油中混人柴油及FAME，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的特性變化情況。試驗(yàn)用燃料樣本為JIS 2號(hào)柴油和RME B100。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的黏度等級(jí)為10W-30和15W-40。對(duì)于黏度等級(jí)為10W-30的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，比較了混人柴油及RME后對(duì)其動(dòng)黏度及總堿值的影響。對(duì)于黏度等級(jí)為15W-40的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，則調(diào)研了與10W-30潤(rùn)滑油相比，燃料稀釋對(duì)動(dòng)黏度影響的緩和效果。圖5 為100℃下動(dòng)黏度變化的比較。圖5中的動(dòng)黏度變化顯示了相對(duì)10W-30潤(rùn)滑油初期動(dòng)黏度（n＝3的平均值）的相對(duì)值。如圖5所示，由于RME的混人，10W-30潤(rùn)滑油動(dòng)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(rùn)滑油的情況下，當(dāng)柴油稀釋率為10%時(shí)，潤(rùn)滑油的動(dòng)黏度與10W-30潤(rùn)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(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(hào)柴油和RME B100中都存在這一關(guān)系，這是添加劑對(duì)燃料稀釋的影響。

根據(jù)以上分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中混人的FAME具有與混人柴油同等程度的影響，包括會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的動(dòng)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(rùn)滑油的情況下，則能保持相對(duì)較高的動(dòng)黏度。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

下面介紹使用4 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)，以及以柴油、PME及RME混合柴油為燃料進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)所獲得的結(jié)果[5]。耐久試驗(yàn)時(shí)間是以全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)300 h，包括節(jié)假日停機(jī)在內(nèi)，試驗(yàn)共持續(xù)40天。

試驗(yàn)條件有2種：（1）將相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油總量5%的試驗(yàn)用燃料，每天1次添加到發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中，即5%燃料添加條件；（2）不添加試驗(yàn)用燃料。

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的黏度等級(jí)為10W-30，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油要在規(guī)定間隔時(shí)間內(nèi)采樣，分析總堿值、總酸值、動(dòng)黏度、酸濃度，以及對(duì)部件的磨損等數(shù)據(jù)。

4.1 燃料稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的影響

為確認(rèn)燃料稀釋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)中監(jiān)測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)油壓與潤(rùn)滑油樣本在100℃下動(dòng)黏度的關(guān)系。圖7為研究結(jié)果。結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的降低與潤(rùn)滑油動(dòng)黏度的降低大致成正比。在這一區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的動(dòng)黏度降低及發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的降低均起因于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中積聚的燃料的稀釋作用。

另一方面，隨著耐久試驗(yàn)時(shí)間的推移，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的碳粒及老化物等開始增加，動(dòng)黏度也隨之增加，發(fā)動(dòng)機(jī)油壓同樣也呈升高的趨勢(shì)。在這一區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的動(dòng)黏度增加及發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的升高均起因于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的老化影響。由此認(rèn)為，在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中混人燃料后會(huì)出現(xiàn)以下2 種情況：（1）因燃料稀釋作用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓產(chǎn)生明顯的影響；（2）因發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的老化而產(chǎn)生的影響。根據(jù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油品質(zhì)（添加劑配方）、黏度等級(jí)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件及發(fā)動(dòng)機(jī)油溫等參數(shù)的不同，上述因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的影響程度也會(huì)各不相同。

如果因燃料稀釋的影響而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油壓低于一定水平，則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)零部件的潤(rùn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z修和保養(yǎng)。

4.2 對(duì)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(jīng)耐久試驗(yàn)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(zhǔn)的增量（總酸值增量）來表示。在超過240 h的時(shí)間點(diǎn)，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(jīng)過該交叉點(diǎn)之后，總堿值呈急劇降低的趨勢(shì)，總酸值增量呈急劇增加的趨勢(shì)。根據(jù)這一情況，可以認(rèn)為在本試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的使用極限約為240 h。

為了調(diào)研引起總堿值及總酸值增量急劇變化的原因，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中抗氧劑濃度的變化。圖9為研究結(jié)果，所使用的2種抗氧劑在200 h后消失。基于這一情況，可認(rèn)為總堿值及總酸值增量的急劇變化應(yīng)歸因于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中抗氧劑性能的降低。因此，考慮到FAME 混人對(duì)抗氧劑性能所產(chǎn)生的影響，必須對(duì)抗氧劑的類型及添加量予以優(yōu)化。

4.3 對(duì)不溶解成分濃度的影響

上述抗氧劑的消失也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中不溶解成分的濃度。圖10為相關(guān)研究結(jié)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(yàn)時(shí)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(duì)更快。此外，戊烷不溶解成分的增加也在240 h 以后相對(duì)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(duì)較慢。根據(jù)上述情況，可認(rèn)為由于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中抗氧劑的消失，導(dǎo)致潤(rùn)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(yàn)中，并沒有報(bào)告如表1所列的離散指數(shù)降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部污染等情況。

4.4 對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的酸濃度。圖11 的研究結(jié)果表明，硫酸離子濃度與耐久試驗(yàn)時(shí)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(shì)，并在約200 h的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到峰值。硝酸離子濃度轉(zhuǎn)為減少趨勢(shì)是在抗氧劑消失之后，但在這一時(shí)期，同時(shí)生成了硝酸酯。硝酸離子濃度降低的原因之一可認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中硝酸離子與源自PME 的酯發(fā)生反應(yīng)的緣故。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的甲酸濃度能在約40 h內(nèi)達(dá)到峰值，隨后呈緩慢減少趨勢(shì)，但在抗氧劑消失之后，甲酸濃度則轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)。根據(jù)以上研究結(jié)果，可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的抗氧劑性能對(duì)無機(jī)酸及有機(jī)酸的變化也會(huì)產(chǎn)生影響。

4.5 對(duì)軸承材料的影響

在相同的試驗(yàn)條件下，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的銅（Cu）和鉛（Pb）的濃度。圖12為研究結(jié)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(rèn)為這是受到了源自PME的有機(jī)酸及發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油老化的影響。在全新開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，已開始實(shí)施軸承材料的無鉛化措施，但對(duì)已售的舊型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，就有必要在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

也有文獻(xiàn)報(bào)道，可以通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(guān)研究中，必須高度關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的品質(zhì)。

4.6 對(duì)活塞環(huán)及氣缸套磨損的影響

為了研究對(duì)活塞環(huán)及氣缸套磨損的影響，進(jìn)行前文所述的耐久試驗(yàn)，并給出了在以下2種條件下的結(jié)果：（1）采用PME燃料和C 類潤(rùn)滑油，在5%燃料添加量的條件下進(jìn)行耐久試驗(yàn)；（2）使用RME 燃料、柴油及A 類潤(rùn)滑油，在不添加燃料的條件下進(jìn)行耐久試驗(yàn)[5]。圖13 為研究結(jié)果。活塞環(huán)磨損是指與氣缸套接觸的活塞環(huán)外圓面磨損。氣缸套磨損則是指在活塞上止點(diǎn)處與第1道活塞環(huán)接觸的氣缸壁滑動(dòng)面磨損。圖13顯示的磨損量均為以柴油試驗(yàn)所獲得的磨損量平均值為基準(zhǔn)的相對(duì)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(huán)磨損呈增加趨勢(shì)。另一方面，在5%燃料添加量的條件下，燃用PME B20的活塞環(huán)磨損與燃用PME B5的活塞環(huán)磨損相比略有減輕，而在5%燃料添加量的條件下對(duì)其影響并不明顯。但據(jù)報(bào)道，利用排量8 L的發(fā)動(dòng)機(jī)燃用PME燃料，并且在不添加燃料的條件下進(jìn)行耐久試驗(yàn)得出的結(jié)果表明，活塞環(huán)的磨損呈增加趨勢(shì)。在該試驗(yàn)中，沒有實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的燃料稀釋研究，但在增加FAME 的混合比例后，檢測(cè)出潤(rùn)滑油在100℃下的動(dòng)黏度呈下降趨勢(shì)，所以認(rèn)為，實(shí)質(zhì)上是存在燃料稀釋的現(xiàn)象。根據(jù)以上分析得出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中混人的FAME 混合柴油的形態(tài)不同，其對(duì)活塞環(huán)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，F(xiàn)AME 混合柴油的影響均不明顯。為了提高燃料稀釋影響的檢測(cè)精度，有必要通過DPF 用的后噴射，并基于燃料稀釋及長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

5 結(jié)語

以市場(chǎng)回收的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油研究結(jié)果及發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)結(jié)果為例，證實(shí)燃用FAME 或FAME 混合柴油時(shí)，燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油及潤(rùn)滑系統(tǒng)零部件的影響程度有可能相對(duì)增大，因而必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z修和保養(yǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中混人的FAME較難蒸發(fā)，并會(huì)積聚在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中，同時(shí)，潤(rùn)滑油中的添加劑等會(huì)降低其自身的動(dòng)黏度，并改變總堿值等潤(rùn)滑油特性參數(shù)，其結(jié)果是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓及發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油性能產(chǎn)生負(fù)面影響。