李 勝，肖友程，黃福川，盧朝霞

（廣西大學化學化工學院，廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室， 廣西 南寧 530004）

乙醇燃料發(fā)動機專用油的研制

李 勝，肖友程，黃福川，盧朝霞

（廣西大學化學化工學院，廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室， 廣西 南寧 530004）

研究乙醇燃料發(fā)動機工作情況，綜合分析乙醇燃料及其產物性質。應用BP神經網絡模型和試驗驗證，對研制油試驗配方進行篩選和配方目標優(yōu)化。研制油具有優(yōu)異的防腐蝕性、防銹性能、良好的粘溫特性和低溫流動性，可形成致密的保護膜，有效降低摩擦和減少磨損，延長了換油周期和發(fā)動機使用壽命，降低了成本。

乙醇燃料；發(fā)動機油；基礎油；添加劑

21世紀以來，隨著能源需求的不斷增加和社會公眾環(huán)境保護意識的不斷提高，清潔可再生能源的開發(fā)與應用已大勢所趨。由于乙醇做為燃料的生產原料來源廣泛，可有效利用可再生資源，燃燒產物清潔，無需改變發(fā)動機的基本結構即可直接應用于汽油機上，同時能夠保持原有發(fā)動機的基本總體性能。因此，國內外已經廣泛開展乙醇燃料發(fā)動機技術的研究, 并逐步由乙醇汽油發(fā)動機向純乙醇發(fā)動機方向發(fā)展。

與汽油、柴油等傳統燃料相比，乙醇燃料具有以下優(yōu)點[1-3]：首先，乙醇中含有氧基，碳氫比低，可以實現無煙燃燒，污染輕微，燃燒干凈，能顯著降低CO的排放；其次，乙醇辛烷值高，具有良好的抗爆性，可以通過提高壓縮比來提高發(fā)動機熱效率；再其次，乙醇的氣化潛熱大、蒸汽壓力低，能降低缸內溫度，減少發(fā)動機熱負荷，降低NOx的排放；此外，乙醇蒸發(fā)速率遠低于汽油，因此發(fā)生交通事故時，發(fā)生起火的危險性比汽油低，安全性高；最后，乙醇冰點較低，無需擔心在低溫條件下化油器中燃料結冰。

有關研究表明：雖然乙醇可以作為燃料直接應用在汽油機上；但是，由于乙醇燃料發(fā)動機的一些特性：如乙醇燃燒產物對普通汽油機油成焦量的影響較大；乙醇燃料的使用會導致汽油機油的高、低溫分散系數減小；以及乙醇燃料導致發(fā)動機易成焦，加之發(fā)動機油膜易被乙醇破壞，造成氣缸壁、活塞環(huán)、缸套、軸瓦、軸承、密封件等極易被磨損、腐蝕，導致失效。因此，普通的燃油型發(fā)動機油并不適用于乙醇燃料發(fā)動機油。

因為發(fā)動機運動零件較多，且經常處于高速運轉狀態(tài)下，如果發(fā)動機油性能達不到使用要求，容易造成發(fā)動機的運動零部件嚴重磨損，不能正常工作甚至導致危險事故發(fā)生。

所以，隨著乙醇燃料的推廣應用，研制專用于乙醇燃料發(fā)動機的環(huán)境友好的發(fā)動機油具有重要的現實意義。

1 乙醇燃料發(fā)動機的特點和潤滑油性能要求

乙醇燃料在使用過程中，會遇到如下問題[2，4，5]：①因為乙醇氣化潛熱高，所以發(fā)動機內乙醇燃料燃燒周期長，導致發(fā)動機進氣閥背面容易出現積碳；②乙醇在生產和燃燒過程中，會產生乙酸。乙酸的酸性遠遠強于汽油燃燒產物的酸性，會對發(fā)動機金屬表面造成嚴重腐蝕；③乙醇燃料會因為蒸發(fā)過快而流入汽缸壁，乙醇的燃燒產物中會帶有一定量的水分，上述兩者都會對發(fā)動機油油膜產生沖刷作用，導致發(fā)動機油稀釋，油膜強度和厚度降低。④含水乙醇會造成發(fā)動機油乳化，并伴隨產生大量氣泡，降低發(fā)動機油的冷卻、潤滑、密封、清洗、防銹作用，造成發(fā)動機零部件磨損加劇。⑤乙醇會把汽油機潤滑油系統及燃油分配系統管路中的沉積物溶解、剝落下來，從而導致濾清器阻塞，降低其過濾能力。

根據以上所述乙醇燃料發(fā)動機的特點，所要研制的乙醇燃料發(fā)動機專用油不僅應具備合適的粘度、粘度指數、堿值，良好的氧化安定性、抗磨性、抗泡性；而且還應該具備以下特性：①能在發(fā)動機運動部件副形成一層致密的保護膜，以有效降低發(fā)動機運動副摩擦和減少磨損；②突出的清凈分散性，能減少發(fā)動機油生成低溫油泥和積炭，增溶使用過程中產生的氧化物，延長發(fā)動機的使用壽命；③防銹抗腐性能良好，能夠減緩燃燒產物乙酸和水對發(fā)動機金屬表面造成的腐蝕和銹蝕。

2 乙醇燃料發(fā)動機油組合物的研制

發(fā)動機油配方研究過程中，為了獲得性能優(yōu)異、能滿足使用要求的配方，需要對基礎油和添加劑進行各種復配試驗來驗證。如果單純憑借經驗和簡單的線性關系來調整配方組成，就需要進行大量的試驗，時間長且費效比低；同時由于不能全面考察各種影響因素，所得配方往往不是最佳配方。本發(fā)動機油研制過程中，采用 BP人工神經網模型[6,7]，建立發(fā)動機油性能指標與基礎油、添加劑組成變量之間的數學模型，對乙醇燃料發(fā)動機油試驗配方進行篩選和配方目標優(yōu)化。

BP神經網絡也稱為誤差反向傳播算法，通過工作信號的正反向傳播，基于最小均方差準則，對傳播過程中的網絡各個權值進行修正，直到誤差達到預期水平。當第p個樣本輸入并產生輸出時，均方誤差應為各輸出單元平方之和，即：

當所有樣本都輸入一次后，總誤差為：

設wsp為網絡中的一個連接權值，根據梯度下降法，批處理方式下的權值修正量為：

增量方式下的權值修正量為：

通過MATLAB軟件中的BP神經網絡建立潤滑油性能預測數學模型，以發(fā)動機油的熱氧化安定性、防銹性、抗腐蝕性、清凈分散性和酸中和能力為主要輸出參數，以基礎油和各個添加劑為輸入矢量，構建一種多輸入多輸出的映射關系。最終在允許誤差范圍內，根據發(fā)動機油各項性能預測值指導潤滑油配方設計。

2.1 基礎油的選擇

由于占發(fā)動機油 80%以上的基礎油是影響潤滑油整體性能的決定性因素；因此選取具有良好特性的基礎油成為研制油的關鍵之一[8]。通過對乙醇燃料發(fā)動機各零部件及相關系統工況的綜合考察，同時調研分析評估各類基礎油的基本性能，筆者認為：對于單一種類的礦物油、醚類油、聚α-烯烴、酯類合成油，都難以滿足乙醇燃料發(fā)動機的使用條件。與單一基礎油相比，復合的基礎油具有更好的抗氧化穩(wěn)定性、黏溫性等，適用于燃燒工況更為苛刻、復雜的環(huán)境。因此，本研制油采用以蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯復合作為基礎油。

我國可再生物質資源豐富，選擇以蓖麻油為原料制取的癸二酸二辛酯作為基礎油組分之一，不僅制備工藝簡單、成本低廉，可以減小因石油資源緊缺而帶來的壓力，對社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義；而且癸二酸二辛酯性能優(yōu)異，具有傾點低、粘度指數高、使用溫度范圍寬、蒸發(fā)損失小、結焦少；具有良好的高低溫性能、潤滑性能以及添加劑感受性，優(yōu)異的熱氧化安定性能和抗剪切能力，出色的防腐蝕性能以及抗乳化性能，并具有很好的可降解性和油溶性等特點[9]。其典型理化指標見表1。

季戊四醇酯由于酯基較多，極性強。因此不僅具有良好的潤滑性能、優(yōu)異的氧化安定性、熱穩(wěn)定性、低溫流動性和優(yōu)良的粘溫特性，而且蒸發(fā)損失和傾點低，生物降解性高，對添加劑的溶解分散性強。相關研究表明，與菜籽油等其他植物油相比，季戊四醇脂的抗磨性能、耐磨性能更為良好[10]。不僅如此，季戊四醇脂添加抗氧劑后，其氧化穩(wěn)定性甚至優(yōu)于礦物油，且混溶性能好。同時，未經分離的產品由于也具有良好的耐熱性能, 可作為成本較低的調配油使用。

表1 癸二酸二辛酯的典型理化指標Table 1 The typical physical and chemical properties of dioctyl sebacate

2.2 添加劑的選擇

因為乙醇發(fā)動機技術的不斷發(fā)展成熟，對其所用發(fā)動機油性能要求也越來越高，僅僅依靠基礎油所具有的特性已不能滿足其潤滑要求；同時，現代潤滑油添加劑配方技術日趨復雜和種類的增加，使得過去在實驗室內進行逐一測試，尋找合適配方的方法己不能滿足新配方開發(fā)的需要。所以，通過建立 BP人工神經網絡模型，借助轉彈氧試驗、四球試驗機、成焦板、硫酸鹽灰分、堿值保持性、剪切穩(wěn)定性、低溫啟動性試驗、曲軸箱模擬試驗方法和汽油機油高溫氧化和磨損評定法等進行試驗驗證，分析基礎油和各種添加劑之間的感受性和協同性，對清凈分散劑、抗氧防腐劑、抗氧化劑、防銹劑、油性劑、摩擦改進劑、粘度指數改進劑、降凝劑、金屬減活劑、抗泡劑等添加劑進行篩選和配比，提高和改善乙醇燃料發(fā)動機油的熱氧化安定性、防銹性、抗腐蝕性、清凈分散性和酸中和能力等性能，以滿足乙醇燃料發(fā)動機的苛刻工況的需求。

2.2.1 抗氧劑的選擇

由于發(fā)動機油長時間處于高溫狀態(tài)，在曲軸箱中接觸到空氣并受到攪動，因此良好的抗氧化性是對發(fā)動機油的一個重要要求[11]。此外，發(fā)動機工作時，處于高溫工況下的發(fā)動機的金屬(含有色金屬合金)表面及其零部件，往往成為發(fā)動機油氧化反應的催化劑。發(fā)動機油與其接觸后，極易發(fā)生氧化反應，形成聚合膠狀物；進一步反應后會生成油泥和積炭，導致油品變質。因此，采用質量比40%～60%的2、6-二叔丁基對甲酚和 60%～40%二烷基二苯胺復合作為抗氧劑，以便更好地提高發(fā)動機油的氧化安定性。

2.2.2 清凈分散劑劑的選擇

乙醇燃料氣化潛熱值高，發(fā)動機工作時噴油量會增加，進而引起瞬態(tài)溫度下降，導致燃燒相位后移，燃燒持續(xù)周期延長，最終造成發(fā)動機進氣閥背面極易產生積碳和發(fā)動機油成焦。乙醇燃燒產物中的水分與發(fā)動機油接觸后，會導致油泥和膠狀沉積物的形成。形成的沉積物和油泥被發(fā)動機油帶至濾網或滑油系統內，這不僅會阻礙油液的流動和沉積于管道中，而且會加劇發(fā)動機金屬表面的生銹和軸承的腐蝕以及加速油泵的磨損。

清凈分散劑的主要作用是通過中和發(fā)動機油中的有機酸、無機酸、氧化中間產物，增溶和洗滌積碳和漆膜等小顆粒, 以阻止已生成的膠狀物質進一步縮合而生成漆膜、油泥和積炭；同時減少積炭的硬度，保持發(fā)動機內部的清潔?？紤]到乙醇燃料自身具有一定的腐蝕性和酸性，及其燃燒產物對發(fā)動機造成的影響，需要選擇合適的清凈分散劑，增溶腐蝕性物質和中和酸性物質，緩解和降低發(fā)動機的腐蝕情況。本研制油加入的清凈劑是采用高堿值磺酸鈣、硫化烷基酚鈣和低堿值磺酸鈣復合；分散劑采用高氮、低氮聚異丁烯丁二酰亞胺和硼化聚異丁烯丁二酰亞胺三者復合。這不僅可以增溶發(fā)動機中沉積物和積碳質等物質，以便過濾清除，中和酸性物質，保護發(fā)動機油的清潔性和可過濾性，而且可以控制油品氧化變質，延長了油品的換油期，提高了發(fā)動機油經濟性。

2.2.3 防銹劑的選擇

通常，工業(yè)生產的乙醇燃料會含有微量的酸性物質。當與空氣或細菌接觸后被氧化發(fā)酵也會產生少量的有機酸。此外，乙醇燃料燃燒過程中也會產生乙酸等對金屬有腐蝕性的物質。雖然，當前發(fā)動機連桿、活塞環(huán)和軸承采用巴氏合金作為主要材料，有較強的抗腐蝕防銹性。但是，在高溫下，同時有酸性物質和水分的存在，依然會對發(fā)動機造成嚴重的腐蝕影響，導致銹蝕現象的發(fā)生。不僅如此，乙醇也會吸收以及其本身燃燒產生的水分，會對缸壁上油膜產生稀釋作用，減少油膜厚度，加速銹蝕的發(fā)生。

防銹劑是一類阻止、延緩腐蝕和銹蝕的物質。常用的防銹劑有防銹劑有十二烯基丁二酸鹽、金屬碘酸鹽、咪唑啉化合物、胺類等?？紤]到乙醇燃料自身及其燃燒產物的特殊性，本研制油選用質量比40%～60%石油磺酸鋇和60%～40% N-油酰肌氨酸十八胺型復合作為防銹劑。

2.2.4 抗氧防腐劑的選擇

發(fā)動機的腐蝕和腐蝕磨損主要起因于水或水與潤滑油嚴重降解后形成的產物的共同作用以及燃燒形成的腐蝕性終產物[11]。由于乙醇含氧量較高，因此燃燒產物中不僅含有乙酸，而且還含有水分。乙酸、水分和空氣相互接觸后，會嚴重嚴重腐蝕氣缸、軸瓦、活塞環(huán)等發(fā)動機部件。乙醇燃料在生產過程中，一般會含有酸性物質，且乙醇燃料燃燒后也會生成乙酸，酸性物質的存在加劇潤滑油的變質和發(fā)動機零部件的腐蝕。

為了延緩發(fā)動機油的高溫氧化速度，防止發(fā)動機內零件被腐蝕，實驗室采用旋轉氧彈實驗方法對抗氧防腐劑進行考察，并綜合平衡了各因素，最終采用硫磷雙辛基堿性鋅鹽和二硫代氨基甲酸鉬作為抗氧防腐劑。

2.2.5 油性劑的選擇

油性劑是一類能使?jié)櫥驮谀Σ帘砻嫔闲纬啥ㄏ蛭侥?，從而改善摩擦性能，起到潤滑作用的添加劑[12]。由于乙醇燃料的蒸發(fā)潛熱大，容易發(fā)生發(fā)動機內部因氣化不良而導致燃料流入汽缸壁的現象，致使發(fā)動機潤滑油油膜被沖洗而造成潤滑油的稀釋，增加發(fā)動機零部件的摩擦和磨損，尤其以活塞環(huán)和汽缸壁的磨損和腐蝕特別嚴重。因此，本研制油選擇苯三唑脂肪酸胺鹽作為油性劑，在發(fā)動機運動部件副形成一層致密的保護膜，可以有效降低發(fā)動機運動副摩擦和減少磨損，以彌補和提高發(fā)動機油的潤滑性能。

3 研制油理化指標

采用蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯復合作為基礎油，運用人工神經網絡模型作為指導，通過利用轉彈氧試驗、四球試驗機、曲軸箱模擬試驗方法、汽油機油高溫氧化和磨損評定法等方法進行試驗驗證，選擇和復配適當的清凈分散劑、防銹劑、抗氧化劑和油性劑劑等作為添加劑，用以研制蓖麻基乙醇燃料發(fā)動機專用油。研制的蓖麻基乙醇燃料發(fā)動機專用油理化指標見表2。

4 結 論

（1）以蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯復合作為基礎油，不僅具有良好的高低溫性能、冷卻性、潤滑性、密封性、清洗性、添加劑感受性和可降解性，而且制備工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好。

（2）通過應用人工神經網絡模型，利用轉彈氧試驗、四球試驗機、曲軸箱模擬試驗方法、汽油機油高溫氧化和磨損評定法等方法進行試驗驗證，篩選添加劑，所研制的蓖麻基乙醇燃料發(fā)動機專用油具有優(yōu)異的防腐蝕性、防銹性能、良好的粘溫特性和低溫流動性。

表2 乙醇燃料發(fā)動機專用油理化指標Table 2 The physical and chemical properties of oil for ethanol fuel engines

（3）本研制油選用適當的抗氧防腐劑、防銹劑、清凈分散劑、油性劑劑等作為添加劑，抗氧化性能突出，可形成致密的保護膜，有效降低摩擦和減少磨損，延長了換油周期和發(fā)動機使用壽命，降低了成本。

［1］ 張永光，羅格梅．21 世紀汽車代用燃料的發(fā)展方向[J].石油商技, 2002 , 20(2) : 1-5．

［2］ 周奇，倪計民．乙醇燃料在我國應用前景的研究與展望[J].上海汽車，2002(2)：32-36．

［3］ 張永光.乙醇作為車用燃料的可行性及發(fā)展趨勢[J].石油商技, 2001, 19(5): 16-19．

［4］ 郭瑞蓮，鮑曉峰，岳欣，等.車用乙醇汽油對發(fā)動機進氣系統沉積物的影響[J].汽車工程，2007,29（8）：642-644.

［5］ 鄧元望，劉放浪，劉學英.乙醇燃料及其在發(fā)動機中的應用[J].小型內燃機與摩托車，2005,34（1）：28-30．

［6］ 馬林才，候仲淼.BP神經網絡在潤滑油摩擦改進劑復配性研究中的應用[J].河北理工學院學報，2004,26（1）：43-47．

［7］ 季順成，刁建民，鄔國英.人工神經網絡方法預測潤滑油基礎油的抗氧性[J].潤滑油，1996,11（6）：41-43．

［8］ 唐興中,粟滿榮,黃福川,等.工程機械專用抗磨液壓油的研制與應用[J].當代化工，2013,42（6）：725-729．

［9］ 李普慶，關子杰，耿英杰，等.合成潤滑劑及其應用[M]. 北京:中國石化出版社, 2006．

［10］陳啟明, 郭嘉, 陳金芳, 安雅婷.油酸季戊四醇酯的合成及性能研究[J].武漢工程大學學報，2007,29（3）：4-7．

［11］劉峰璧.設備潤滑技術基礎[M].廣州：華南理工大學出版社,2012．

［12］王毓民，王恒.潤滑材料與潤滑技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005．

［13］李宏君.遺傳算法結合人工神經網絡優(yōu)化潤滑油配方的研究[D].南寧：廣西大學，2013．

［14］ 黃福川.多燃料多級環(huán)保內燃機油的研制[D].成都：西南石油學院，2005．

Development of Special Oil for Ethanol Fuel Engines

LI Sheng,XIAO You-cheng,HUANG Fu-chuan,LU Zhao-xia

（Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004，China）

Working conditions of ethanol fuel engine were studied; ethanol fuel and its product properties were analyzed. Screening and optimization of the formula of special oil for ethanol fuel engines were carried out by BP neural network model and test verification. The results show that developed oil has good properties，such as excellent anti-corrosive and anti-rust, good temperature-viscosity and low temperature fluidity；it can form a dense protective film to reduce the friction and wear effectively, to achieve the goal of prolonging the service life and engine oil change cycle, reducing the cost.

Ethanol fuel; Engine oil; Base oil; Additive

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）03-0493-04

2014-09-26

李勝（1990-），男，廣西南寧人，碩士研究生，研究方向：綠色能源及石化產品研究。E-mail：262584782@qq.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化能源及產品研發(fā)。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。