李 勝，肖友程，黃福川，盧朝霞

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004）

乙醇燃料發(fā)動機(jī)專用油的研制

李 勝，肖友程，黃福川，盧朝霞

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004）

研究乙醇燃料發(fā)動機(jī)工作情況，綜合分析乙醇燃料及其產(chǎn)物性質(zhì)。應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和試驗(yàn)驗(yàn)證，對研制油試驗(yàn)配方進(jìn)行篩選和配方目標(biāo)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(hù)膜，有效降低摩擦和減少磨損，延長了換油周期和發(fā)動機(jī)使用壽命，降低了成本。

乙醇燃料；發(fā)動機(jī)油；基礎(chǔ)油；添加劑

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

與汽油、柴油等傳統(tǒng)燃料相比，乙醇燃料具有以下優(yōu)點(diǎn)[1-3]：首先，乙醇中含有氧基，碳?xì)浔鹊?，可以?shí)現(xiàn)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(jī)熱效率；再其次，乙醇的氣化潛熱大、蒸汽壓力低，能降低缸內(nèi)溫度，減少發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷，降低NOx的排放；此外，乙醇蒸發(fā)速率遠(yuǎn)低于汽油，因此發(fā)生交通事故時(shí)，發(fā)生起火的危險(xiǎn)性比汽油低，安全性高；最后，乙醇冰點(diǎn)較低，無需擔(dān)心在低溫條件下化油器中燃料結(jié)冰。

有關(guān)研究表明：雖然乙醇可以作為燃料直接應(yīng)用在汽油機(jī)上；但是，由于乙醇燃料發(fā)動機(jī)的一些特性：如乙醇燃燒產(chǎn)物對普通汽油機(jī)油成焦量的影響較大；乙醇燃料的使用會導(dǎo)致汽油機(jī)油的高、低溫分散系數(shù)減?。灰约耙掖既剂蠈?dǎo)致發(fā)動機(jī)易成焦，加之發(fā)動機(jī)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(dǎo)致失效。因此，普通的燃油型發(fā)動機(jī)油并不適用于乙醇燃料發(fā)動機(jī)油。

因?yàn)榘l(fā)動機(jī)運(yùn)動零件較多，且經(jīng)常處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如果發(fā)動機(jī)油性能達(dá)不到使用要求，容易造成發(fā)動機(jī)的運(yùn)動零部件嚴(yán)重磨損，不能正常工作甚至導(dǎo)致危險(xiǎn)事故發(fā)生。

所以，隨著乙醇燃料的推廣應(yīng)用，研制專用于乙醇燃料發(fā)動機(jī)的環(huán)境友好的發(fā)動機(jī)油具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 乙醇燃料發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)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?yàn)橐掖細(xì)饣瘽摕岣撸园l(fā)動機(jī)內(nèi)乙醇燃料燃燒周期長，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥背面容易出現(xiàn)積碳；②乙醇在生產(chǎn)和燃燒過程中，會產(chǎn)生乙酸。乙酸的酸性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于汽油燃燒產(chǎn)物的酸性，會對發(fā)動機(jī)金屬表面造成嚴(yán)重腐蝕；③乙醇燃料會因?yàn)檎舭l(fā)過快而流入汽缸壁，乙醇的燃燒產(chǎn)物中會帶有一定量的水分，上述兩者都會對發(fā)動機(jī)油油膜產(chǎn)生沖刷作用，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油稀釋，油膜強(qiáng)度和厚度降低。④含水乙醇會造成發(fā)動機(jī)油乳化，并伴隨產(chǎn)生大量氣泡，降低發(fā)動機(jī)油的冷卻、潤滑、密封、清洗、防銹作用，造成發(fā)動機(jī)零部件磨損加劇。⑤乙醇會把汽油機(jī)潤滑油系統(tǒng)及燃油分配系統(tǒng)管路中的沉積物溶解、剝落下來，從而導(dǎo)致濾清器阻塞，降低其過濾能力。

根據(jù)以上所述乙醇燃料發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)，所要研制的乙醇燃料發(fā)動機(jī)專用油不僅應(yīng)具備合適的粘度、粘度指數(shù)、堿值，良好的氧化安定性、抗磨性、抗泡性；而且還應(yīng)該具備以下特性：①能在發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件副形成一層致密的保護(hù)膜，以有效降低發(fā)動機(jī)運(yùn)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(jī)油生成低溫油泥和積炭，增溶使用過程中產(chǎn)生的氧化物，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命；③防銹抗腐性能良好，能夠減緩燃燒產(chǎn)物乙酸和水對發(fā)動機(jī)金屬表面造成的腐蝕和銹蝕。

2 乙醇燃料發(fā)動機(jī)油組合物的研制

發(fā)動機(jī)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(chǔ)油和添加劑進(jìn)行各種復(fù)配試驗(yàn)來驗(yàn)證。如果單純憑借經(jīng)驗(yàn)和簡單的線性關(guān)系來調(diào)整配方組成，就需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，時(shí)間長且費(fèi)效比低；同時(shí)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(jī)油研制過程中，采用 BP人工神經(jīng)網(wǎng)模型[6,7]，建立發(fā)動機(jī)油性能指標(biāo)與基礎(chǔ)油、添加劑組成變量之間的數(shù)學(xué)模型，對乙醇燃料發(fā)動機(jī)油試驗(yàn)配方進(jìn)行篩選和配方目標(biāo)優(yōu)化。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)則，對傳播過程中的網(wǎng)絡(luò)各個(gè)權(quán)值進(jìn)行修正，直到誤差達(dá)到預(yù)期水平。當(dāng)?shù)趐個(gè)樣本輸入并產(chǎn)生輸出時(shí)，均方誤差應(yīng)為各輸出單元平方之和，即：

當(dāng)所有樣本都輸入一次后，總誤差為：

設(shè)wsp為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)連接權(quán)值，根據(jù)梯度下降法，批處理方式下的權(quán)值修正量為：

增量方式下的權(quán)值修正量為：

通過MATLAB軟件中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立潤滑油性能預(yù)測數(shù)學(xué)模型，以發(fā)動機(jī)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(shù)，以基礎(chǔ)油和各個(gè)添加劑為輸入矢量，構(gòu)建一種多輸入多輸出的映射關(guān)系。最終在允許誤差范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)動機(jī)油各項(xiàng)性能預(yù)測值指導(dǎo)潤滑油配方設(shè)計(jì)。

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

由于占發(fā)動機(jī)油 80%以上的基礎(chǔ)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(chǔ)油成為研制油的關(guān)鍵之一[8]。通過對乙醇燃料發(fā)動機(jī)各零部件及相關(guān)系統(tǒng)工況的綜合考察，同時(shí)調(diào)研分析評估各類基礎(chǔ)油的基本性能，筆者認(rèn)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(jī)的使用條件。與單一基礎(chǔ)油相比，復(fù)合的基礎(chǔ)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(fù)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(fù)合作為基礎(chǔ)油。

我國可再生物質(zhì)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(chǔ)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(diǎn)低、粘度指數(shù)高、使用溫度范圍寬、蒸發(fā)損失小、結(jié)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(diǎn)[9]。其典型理化指標(biāo)見表1。

季戊四醇酯由于酯基較多，極性強(qiáng)。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(diǎn)低，生物降解性高，對添加劑的溶解分散性強(qiáng)。相關(guān)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(shí)，未經(jīng)分離的產(chǎn)品由于也具有良好的耐熱性能, 可作為成本較低的調(diào)配油使用。

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

2.2 添加劑的選擇

因?yàn)橐掖及l(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，對其所用發(fā)動機(jī)油性能要求也越來越高，僅僅依靠基礎(chǔ)油所具有的特性已不能滿足其潤滑要求；同時(shí)，現(xiàn)代潤滑油添加劑配方技術(shù)日趨復(fù)雜和種類的增加，使得過去在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，借助轉(zhuǎn)彈氧試驗(yàn)、四球試驗(yàn)機(jī)、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(yàn)、曲軸箱模擬試驗(yàn)方法和汽油機(jī)油高溫氧化和磨損評定法等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析基礎(chǔ)油和各種添加劑之間的感受性和協(xié)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(jìn)劑、粘度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑、金屬減活劑、抗泡劑等添加劑進(jìn)行篩選和配比，提高和改善乙醇燃料發(fā)動機(jī)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(jī)的苛刻工況的需求。

2.2.1 抗氧劑的選擇

由于發(fā)動機(jī)油長時(shí)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(jī)油的一個(gè)重要要求[11]。此外，發(fā)動機(jī)工作時(shí)，處于高溫工況下的發(fā)動機(jī)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(jī)油氧化反應(yīng)的催化劑。發(fā)動機(jī)油與其接觸后，極易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成聚合膠狀物；進(jìn)一步反應(yīng)后會生成油泥和積炭，導(dǎo)致油品變質(zhì)。因此，采用質(zhì)量比40%～60%的2、6-二叔丁基對甲酚和 60%～40%二烷基二苯胺復(fù)合作為抗氧劑，以便更好地提高發(fā)動機(jī)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(jī)工作時(shí)噴油量會增加，進(jìn)而引起瞬態(tài)溫度下降，導(dǎo)致燃燒相位后移，燃燒持續(xù)周期延長，最終造成發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥背面極易產(chǎn)生積碳和發(fā)動機(jī)油成焦。乙醇燃燒產(chǎn)物中的水分與發(fā)動機(jī)油接觸后，會導(dǎo)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(jī)油帶至濾網(wǎng)或滑油系統(tǒng)內(nèi)，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(jī)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(jī)油中的有機(jī)酸、無機(jī)酸、氧化中間產(chǎn)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(zhì)進(jìn)一步縮合而生成漆膜、油泥和積炭；同時(shí)減少積炭的硬度，保持發(fā)動機(jī)內(nèi)部的清潔。考慮到乙醇燃料自身具有一定的腐蝕性和酸性，及其燃燒產(chǎn)物對發(fā)動機(jī)造成的影響，需要選擇合適的清凈分散劑，增溶腐蝕性物質(zhì)和中和酸性物質(zhì)，緩解和降低發(fā)動機(jī)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(fù)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(fù)合。這不僅可以增溶發(fā)動機(jī)中沉積物和積碳質(zhì)等物質(zhì)，以便過濾清除，中和酸性物質(zhì)，保護(hù)發(fā)動機(jī)油的清潔性和可過濾性，而且可以控制油品氧化變質(zhì)，延長了油品的換油期，提高了發(fā)動機(jī)油經(jīng)濟(jì)性。

2.2.3 防銹劑的選擇

通常，工業(yè)生產(chǎn)的乙醇燃料會含有微量的酸性物質(zhì)。當(dāng)與空氣或細(xì)菌接觸后被氧化發(fā)酵也會產(chǎn)生少量的有機(jī)酸。此外，乙醇燃料燃燒過程中也會產(chǎn)生乙酸等對金屬有腐蝕性的物質(zhì)。雖然，當(dāng)前發(fā)動機(jī)連桿、活塞環(huán)和軸承采用巴氏合金作為主要材料，有較強(qiáng)的抗腐蝕防銹性。但是，在高溫下，同時(shí)有酸性物質(zhì)和水分的存在，依然會對發(fā)動機(jī)造成嚴(yán)重的腐蝕影響，導(dǎo)致銹蝕現(xiàn)象的發(fā)生。不僅如此，乙醇也會吸收以及其本身燃燒產(chǎn)生的水分，會對缸壁上油膜產(chǎn)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(zhì)。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。考慮到乙醇燃料自身及其燃燒產(chǎn)物的特殊性，本研制油選用質(zhì)量比40%～60%石油磺酸鋇和60%～40% N-油酰肌氨酸十八胺型復(fù)合作為防銹劑。

2.2.4 抗氧防腐劑的選擇

發(fā)動機(jī)的腐蝕和腐蝕磨損主要起因于水或水與潤滑油嚴(yán)重降解后形成的產(chǎn)物的共同作用以及燃燒形成的腐蝕性終產(chǎn)物[11]。由于乙醇含氧量較高，因此燃燒產(chǎn)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(yán)重嚴(yán)重腐蝕氣缸、軸瓦、活塞環(huán)等發(fā)動機(jī)部件。乙醇燃料在生產(chǎn)過程中，一般會含有酸性物質(zhì)，且乙醇燃料燃燒后也會生成乙酸，酸性物質(zhì)的存在加劇潤滑油的變質(zhì)和發(fā)動機(jī)零部件的腐蝕。

為了延緩發(fā)動機(jī)油的高溫氧化速度，防止發(fā)動機(jī)內(nèi)零件被腐蝕，實(shí)驗(yàn)室采用旋轉(zhuǎn)氧彈實(shí)驗(yàn)方法對抗氧防腐劑進(jìn)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侥ぃ瑥亩纳颇Σ列阅?，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(jī)內(nèi)部因氣化不良而導(dǎo)致燃料流入汽缸壁的現(xiàn)象，致使發(fā)動機(jī)潤滑油油膜被沖洗而造成潤滑油的稀釋，增加發(fā)動機(jī)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(yán)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(jī)運(yùn)動部件副形成一層致密的保護(hù)膜，可以有效降低發(fā)動機(jī)運(yùn)動副摩擦和減少磨損，以彌補(bǔ)和提高發(fā)動機(jī)油的潤滑性能。

3 研制油理化指標(biāo)

采用蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯復(fù)合作為基礎(chǔ)油，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為指導(dǎo)，通過利用轉(zhuǎn)彈氧試驗(yàn)、四球試驗(yàn)機(jī)、曲軸箱模擬試驗(yàn)方法、汽油機(jī)油高溫氧化和磨損評定法等方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇和復(fù)配適當(dāng)?shù)那鍍舴稚?、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(jī)專用油。研制的蓖麻基乙醇燃料發(fā)動機(jī)專用油理化指標(biāo)見表2。

4 結(jié) 論

（1）以蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯復(fù)合作為基礎(chǔ)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(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用轉(zhuǎn)彈氧試驗(yàn)、四球試驗(yàn)機(jī)、曲軸箱模擬試驗(yàn)方法、汽油機(jī)油高溫氧化和磨損評定法等方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，篩選添加劑，所研制的蓖麻基乙醇燃料發(fā)動機(jī)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(jī)專用油理化指標(biāo)Table 2 The physical and chemical properties of oil for ethanol fuel engines

（3）本研制油選用適當(dāng)?shù)目寡醴栏瘎?、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(hù)膜，有效降低摩擦和減少磨損，延長了換油周期和發(fā)動機(jī)使用壽命，降低了成本。

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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(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。