船用甲醇发动机润滑油技术难点.pdf

第 45 卷（2023）第 3 期Vol.45（2023）No.3柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.03.004船用甲醇发动机润滑油技术难点韩旭1，牛志坚2，庞振龙3，姚安仁4（1.中国石油大连润滑油研究开发中心，大连 116032；2.淄柴机器有限公司，淄博 255000；3.淄柴动力有限公司，淄博 255000；4.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）摘要：针对普通柴油机润滑油不能完全满足甲醇发动机润滑需求的现状，基于现有的可商用的船用甲醇发动机技术，对火花点燃式以及压燃式甲醇发动机对润滑油产生的影响进行分析，提出甲醇船用发动机润滑油需要具有碱值保持能力以及抗乳化能力。甲醇发动机润滑油技术难点在于限制硫磷质量分数的同时保持抗氧抗腐能力，保持高碱值的同时又能避免产生活塞沉积物。关键词：船用甲醇发动机；润滑油；活塞 中图分类号：TK428.9文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）03-0020-06Technical Difficulties of Lubricating Oil for Marine Methanol EngineHAN Xu1，NIU Zhijian2，PANG Zhenlong3，YAO Anren4（1.PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute，Dalian 116032，China；2.Zichai Machine Co.，Ltd.，Zibo 255000，China；3.Zichai Power Co.，Ltd.，Zibo 255000，China；4.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：In response to the current situation that ordinary diesel engine lubricating oil can not fully meet the lubrication needs of methanol engines，based on commercially available marine methanol engine technology，the impact of spark ignition and compression ignition methanol engines on lubricating oil is analyzed，and it is proposed that methanol marine engine lubricating oil needs to have base number retention ability and anti-emulsification ability.The technical difficulty of methanol engine lubricating oil lies in limiting the mass fraction of sulfur and phosphorus while maintaining the anti-oxidation and anti-corrosion ability，maintaining a big base number while avoiding piston deposits.Key words：marine methanol engine；lubricating oil；piston 0引言水路运输具有极佳的成本优势，大宗商品的运输船舶具有不可替代的作用。目前柴油机占据船舶动力的主导地位，其燃料为化石能源。柴油机可靠性与热效率高，燃料成本低，然而2020年中国石油进口比例高达 74%，保障能源安全迫在眉睫。随着发动机热效率的提升，人们可以从石油燃料获得更多的有效功，但是也存在污染物排放2022年内燃动力碳中和与排放控制学术年会绿色船舶动力系统分会场专栏收稿日期：2022-08-25；修回日期：2022-08-262023 年 5 月 21 韩旭等：船用甲醇发动机润滑油技术难点升高等副作用。为此越来越严苛的排放法规相继出台，发动机技术出现经济性与排放难以协调的瓶颈。以甲醇为代表的新型替代燃料是一条新的减碳减排技术路径，被称作未来燃料。业界顾虑较多的是甲醇闪点仅为 11，远低于柴油的闪点55，对消防安全的要求较高。对此，国内外相继出台以甲醇作为替代燃料的法规1-2，甲醇作为新型船用燃料开始登上历史舞台。DNV预测未来航运业的燃料将从目前以石油为主，逐步转变为以甲醇与氨为代表的低碳或无碳燃料为主。国际甲醇协会进一步预测2050年甲醇将占全球船用燃料的 25%，甲醇需求量将达1.125 亿t/a。航运业将甲醇作为动力燃料，不但能够优化能源结构、缓解对进口石化能源的高度依赖、保障能源安全，也是助推实现“双碳”目标的重要手段。目前，船用甲醇发动机尚未大规模应用，船用甲醇发动机润滑油标准也尚未建立。本文对船用甲醇发动机不同的特点进行对比，并对润滑油的需求进行分析。1甲醇船机技术现状1.1甲醇燃料的特点甲醇在常态下为液体，在标准大气压、15 的环境中不会蒸发。甲醇与汽油、柴油的安全级别相同，闪点高于汽油、低于柴油，自燃点与汽油接近、远高于柴油。几种燃料特性对比见表1。甲醇不含硫，SOx排放较柴油（或其他燃料油）可降低近100%。甲醇分子只有一个碳，甲醇分子含氧并且不存在碳碳化学键，燃烧迅速、高效且不会产生黑烟，是一种优质清洁低碳燃料。甲醇原料来源广、产能足、运输体系成熟、加注存储方便，长期以来等热值甲醇价格远低于柴油。因此甲醇特别能够满足船舶对燃料的需求。甲醇燃料的应用也对发动机润滑油提出新的性能需求。1.2船用甲醇发动机分类甲醇作为发动机燃料存在诸多优点，易在小型发动机上实现点燃式应用，但是如要实现高效的压燃式应用，存在难蒸发、难压燃以及与柴油难混溶等工程应用难点。研究人员3-4设计出多种多样的技术方法将其应用于内燃机，多数方法存在甲醇使用率低、成本高、工程实现难度大，仅能作为实验室研究等问题。在船用发动机领域，实际可应用的甲醇燃用技术主要有3种。（1）以瑞典绿色领航艇项目为代表的甲醇预混点燃法（port fuel injection spark ignition，PFI-SI）以及甲醇直喷点燃法（direct injection spark ignition，DI-SI）等点燃式甲醇燃用技术。（2）以MAN与Wa rtsila 为代表，柴油甲醇缸内双喷引燃法（hight pressure dual fuel，HPDF）。发动机既可以运行于双燃料模式，也可以运行于柴油模式。（3）淄柴动力有限公司与天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室合作开发柴油甲醇二元燃料法5（diesel methanol dual fuel，DMDF）。甲醇在进气管喷射，与空气形成均质混合气，在气缸内由柴油引燃6。该方法对原型机改动较小、继承性好、热效率高、低负荷运行稳定，在特殊情况下可以纯柴油模式运行，特别适用于内河近海中表1几种燃料特性对比项目分子式C质量分数/%H质量分数/%O质量分数/%液相密度/（kgL）沸点/闪点/自燃点/低热值/（MJkg）辛烷值十六烷值可燃气体爆炸极限（体积分数）/%37 饱和蒸气压力/kPa汽油C5C12烃85.015.000.720.7830.0190.0-50-2042044.07097-151.105.9055.00103.00柴油C10C21烃86.014.000.820.86180.0360.05525042.5203040551.588.201.37天然气CH475.025.000.420.46-162.0-18865050.0130低5.0015.00-甲醇CH3OH37.512.5500.7964.71146519.5111356.0036.5031.60注：“-”代表无此项。第 45 卷第 3 期 22 柴 油 机高速发动机。以上几种发动机均以甲醇为主要燃料，但是燃料进气方式、工作循环、工作原理甚至是排气后处理方式完全不同（见表2），因此对润滑油的需求重点也不相同。船用甲醇发动机工作方式示意见图1。甲醇直喷型发动机，包括 DI-SI 和 HPDF，甲醇喷雾对气缸套造成冲洗效果。HPDF机型一般气缸直径比较大，如MAN B&W LGIM机气缸直径为500 mm，Wa rtsila Sulzer ZA40S 机气缸直径为 400 mm，对气缸套影响有限，然而13 L的DI-SI发动机气缸直径为 130 mm，甲醇喷雾容易喷至气缸套，对缸套和活塞影响较大。1.3燃烧主要产物评估PFI-SI和 DI-SI甲醇发动机热效率参照绿色领航艇公开的数据为33%38%，按平均值35.5%计算；纯柴油模式热效率按照40%计算；HPDF热效率按40%计算；DMDF热效率为40%45%，按平均值42.5%计算。各元素质量分数、热值等参数按照表1数据。基于以上数据对燃烧主要生成物进行计算，如图2所示。对燃烧主要产物进行评估，具体如下。（1）排气中水分的比较。DMDF模式水分的生成量大约是柴油模式的2倍，SI与HPDF模式水分的生成量约为柴油模式的4倍。（2）排气中二氧化碳的比较。SI模式产生的二氧化碳最多，这是由于奥托循环的热效率低于狄塞尔循环导致的，DMDF 模式产生二氧化碳最少，这是因为 DMDF 模式是介于传统的狄塞尔循环与高效的均质充量压燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）之间的一种工作模式，热效率高，排出二氧化碳较少。表2不同工作方式的船用甲醇发动机特点对比项目甲醇喷射位置甲醇混合气着火方式工作模式废气后处理启动方式适用范围发动机类型发动机工作方式PFI-SI进气道均质火花点燃奥托循环三元催化器汽油高速机单一燃料DI-SI气缸内分层火花点燃奥托循环三元催化器汽油高速机单一燃料HPDF气缸内分层柴油引燃狄塞尔循环废气再循环柴油中低速机双燃料DMDF进气道均质柴油引燃部分预混充量压燃燃油催化氧化柴油中高速机双燃料图1船用甲醇发动机工作方式图2不同工作模式CO2以及H2O生成总量估算2023 年 5 月 23 韩旭等：船用甲醇发动机润滑油技术难点（3）排气中主要污染物特点。在DMDF模式下使用甲醇燃烧后，NOx和颗粒物（particulate matter，PM）排放量很低，但是HC和CO的排放量会增加，须使用燃油催化氧化装置（diesel oxidation catalyst，DOC）消除，由于DOC中的稀有金属催化剂有中毒风险，因此须对润滑油中硫磷的量进行控制。SI模式需要三元催化器（threeway catalyst converter，TWC），并要避免催化剂中毒，HPDF 模式使用EGR后处理技术，对润滑油中的硫磷无严格要求。（4）排气中非常规污染物。甲醇预混型模式，包括PFI-SI以及DMDF。甲醇以气态进入气缸，对气缸套冲刷作用小，但是在火力岸处，即气缸套与活塞缝隙中的混合气热量会迅速传走导致局部温度低、部分甲醇不完全燃烧，同时含有少量甲醛、甲酸以及其他有机物7，部分HC会通过活塞与缸套间隙进入曲轴箱，造成润滑油污染。2甲醇船润滑油需求分析甲醇与柴油在性质上存在巨大差异，高比例甲醇燃料可能会对柴油发动机气缸润滑造成不良影响，造成发动机异常磨损。甲醇不完全燃烧产生的甲酸不但腐蚀金属零部件，对润滑油添加剂还有萃取作用。相比柴油机，甲醇发动机因为燃料的变化叠加排放对润滑油的需求8，润滑油的设计需要面对更加苛刻的条件。低硫酸盐、低磷和低硫润滑油是新的发展方向。船用柴油润滑油需要在酸中和能力、油泥分散力、抗氧化能力以及燃料润滑油的匹配度等方面更加契合。2.1对黏度的需求润滑油运动黏度的变化在一定程度上会反映油品的氧化程度。运动黏度变化主要有以下几方面原因。（1）甲醇分子式结构简单、分子质量小、分子含氧，有利于完全燃烧，但甲醇燃烧产生的水分也较多；另外，甲醇沸点为64，需要由柴油引燃，若部分小型船用甲醇发动机未安装预暖机和预润滑系统，启动时在缸内温度不高的情况下，缸内容易形成未燃烧冷甲醇。这些甲醇易进入润滑油中引起润滑油黏度下降，从而影响润滑油的润滑性能。（2）在发动机运行过程中，长期摩擦导致活塞与缸套间隙增大，未燃甲醇等易挥发的有机物进入油底壳的量增加，稀释发动机润滑油，造成油品黏度下降。（3）在一些极端工况运行时，发动机内部高温以及摩擦副之间相互作用，油品因氧化产生油泥9、胶质沥青质等，致使油品黏度上升10。综上所述，船用甲醇发动机润滑油要在基础油、黏度指数改进剂筛选等方面进行研发测试，以确保润滑油的黏度保持能力和使用寿命。2.2对抗乳化、分水的需求由于甲醇燃烧易产生水分，重型机车润滑油中的水分占比约为0.2%11。甲醇从分子式来看含有羟基，亲水性强，加之一些中小型船舶未安装分油机除水，所以相比于传统中速机润滑油，甲醇船用发动机润滑油需要具有更优的分水及抗乳化性能，要求对破乳剂、分散剂、基础油等进行筛选和配比，使油、水较好地分离，防止形成大量乳化层液体12，确保润滑油的润滑特性。SI型甲醇发动机燃烧产生的水更多，须更多地考虑水的影响。2.3对抗腐蚀的需求柴油对金属的腐蚀性较弱，但甲醇燃料在燃烧过程中会产生甲醛、甲酸、水等物质，甲酸酸性强于碳酸、醋酸及乙酸。由于甲醇含有活性氢氧根离子，在水溶液环境下甲酸会电离出 H+和COOH，对铜、铝等材质的零部件的腐蚀较强。这些有机酸会对船用发动机的气缸壁、气门、活塞环等部件产生不同程度的腐蚀。MAN B&W 公司的 ME-LGIM 型发动机在使用甲醇燃料时，在正常运行期间气缸油的供给率至少为0.6 g/（kW h）。在最新的气缸油指南中，推荐使用低碱值气缸油。气缸油不参与润滑油的循环系统。中高速船用发动机并不使用气缸油，而是使用系统的润滑油来润滑活塞及气缸套。中高速甲醇船用发动机润滑油要具备以下特点：（1）更优的防锈性能，防止金属部件产生锈蚀现象。（2）较好的碱值保持能力，用于中和酸性物质以及由于水分的产生导致润滑油的碱性下降等。甲醇船用油的研发要对防锈剂、清净分散剂进行配比筛选。2.4对氧化性、抗磨性的需求众所周知，抗磨性能是船用润滑油模拟评价的重要参考。一方面，由于润滑油要应对甲醇燃烧过程产生的甲酸、甲醛、水等物质，所以需要对清净剂进行重新筛选与配比，以确保船用甲醇润滑油具有更好的碱值保持力，但清净剂中钙元素的增加会引起气阀以及活塞环部件的磨损；另一方面，甲醇燃料的润滑性能较差，但燃烧更充第 45 卷第 3 期 24 柴 油 机分，发动机使用寿命延长。综上，要求船用甲醇润滑油具有更优的抗磨性能，更高的氧化性能，更长的换油周期。2.5特殊需求（1）对排气排放物后处理装置中催化剂催化活性保持的需求13。采用SI与DMDF模式的甲醇发动机为了消除废气中的碳氢，需要以稀有金属作为催化剂，这对润滑油中磷、硫的质量分数有苛刻的要求。过多的磷化物、硫化物易导致金属催化剂中毒，从而失去催化活性。（2）对灰分的需求。新的排放法规对PM排放进行限定，对润滑油也提出新的要求。柴油机工作模式为狄塞尔循环扩散燃烧，不会发生爆震。甲醇与空气均质混合物燃烧时有爆震倾向。活塞头部积炭会导致燃烧室点状热源产生，在早期引燃甲醇和空气的混合气。早燃被认为是爆震甚至爆轰的诱因。无疑灰分的减少会减少活塞积炭，有利于避免积炭形成炽热点，但是润滑油与爆震14的关联性尚无成熟理论指导，尤其是甲醇发动机，其机理有待深入研究。3船用甲醇发动机润滑油开发难点3.1船用甲醇发动机润滑油标准尚未形成船用甲醇发动机前景较好，但是目前商用规模小。实现商用的机型主要为MAN公司的二冲程甲醇发动机，点燃式高速甲醇发动机和二元燃料法中高速甲醇发动机尚处于试点推广阶段。二冲程发动机润滑系统与四冲程发动机润滑系统差异巨大，油品不能通用。目前还没有船用甲醇中高速发动机专用的润滑油产品，更未形成产品标准，须在现有船用发动机润滑油基础上，结合甲醇发动机特点开发新油品，并逐渐形成标准。3.2抗腐蚀与催化剂中毒的矛盾在新油品开发过程中的一个重要难点是要同时满足抗腐蚀和不使金属催化剂中毒这两个条件。为了保证油品的抗氧抗腐能力，在柴油机润滑油常用的抗氧抗腐剂中磷、硫的质量分数较高，但是正如前面提到的，高磷、硫不利于排气排放物催化装置运行。如何在保持油品抗氧抗腐能力的同时又保持较低的磷、硫质量分数是在油品研制过程中需要解决的问题15。柴油机润滑油国家标准16对润滑油的硫、磷质量分数并没有规定限值，但在针对柴油甲醇双燃料发动机研制的油品里必须对这些元素的质量分数有所规定，发动机润滑油换油周期等也应根据实际情况制定。API CJ-4级柴油机润滑油规格要求硫质量分数不大于 0.4%，磷质量分数不大于0.12%，灰分质量分数不大于1%17，船用柴油机润滑油对磷、硫和灰分提出限制要求可以参考此范围。3.3钙基添加剂问题润滑油使用含钙（Ca）添加剂18来控制总碱值，以中和燃烧产生的酸性物质。高钙润滑油导致活塞环与活塞间隙生成沉积物，沉积物可导致压缩比的改变，引起燃烧异常，也会引起燃料混合气的早燃。柴油中的多环芳烃超标会加重活塞积炭，引起燃烧不完全，燃烧产物进入柴油机润滑油会导致烟炱增加。上述两个问题均会加速柴油机润滑油的衰败、变质。未来润滑油的选用原则是既适应国内船用甲醇发动机的实际现状，能够中和柴油甲醇燃烧产生的酸性物质，延缓润滑油的衰败，实现较长的换油周期，同时也要满足排放升级要求，平衡灰分、高碱值对活塞沉积物的不利影响，避免出现燃烧不充分带来的一系列问题。4结论与展望船用甲醇发动机由于燃料的特殊性质，燃料的产物对润滑油的需求不同于柴油。不同工作方式的甲醇发动机对润滑油的需求不完全相同，因此须有针对性地提出解决方案。（1）与柴油机润滑油相比，甲醇发动机的润滑油对碱值保持能力、抗乳化能力的需求更高。相比火花点燃式甲醇发动机，柴油引燃式甲醇发动机对润滑油的需求更接近柴油机。（2）增加对催化氧化后处理装置催化剂活性保持的要求，须对润滑油硫、磷的质量分数进行限制，同时保持油品抗氧抗腐能力。（3）平衡灰分、高碱值对活塞沉积物的不利影响，既能有效中和燃烧产生的酸性物质，又能避免燃烧不充分所带来的一系列问题。（4）润滑油与爆震的关联性机理有待深入研究，如果能有量化的分析，将对润滑油灰分的限制有更好的指导作用。参考文献1 GILBERT P，WALSH C，TRAUT M，et al.Assessment of full life-cycle air emissions of alternative shipping fuelsJ.Journal of Cleaner Production，2018，172（1）：855-866.2023 年 5 月 25 韩旭等：船用甲醇发动机润滑油技术难点2 甘少炜，雷伟，周国强.甲醇：未来船用燃料 J.中国船检，2016（8）：90-94.3 王辉，辛强之，姚安仁，等.船用柴油机应用柴油甲醇二元燃料的性能特性研究J.柴油机，2019，41（1）：1-6，35.4 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