李 胜，肖友程，黄福川，卢朝霞

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室， 广西 南宁 530004）

乙醇燃料发动机专用油的研制

李 胜，肖友程，黄福川，卢朝霞

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室， 广西 南宁 530004）

研究乙醇燃料发动机工作情况，综合分析乙醇燃料及其产物性质。应用BP神经网络模型和试验验证，对研制油试验配方进行筛选和配方目标优化。研制油具有优异的防腐蚀性、防锈性能、良好的粘温特性和低温流动性，可形成致密的保护膜，有效降低摩擦和减少磨损，延长了换油周期和发动机使用寿命，降低了成本。

乙醇燃料；发动机油；基础油；添加剂

21世纪以来，随着能源需求的不断增加和社会公众环境保护意识的不断提高，清洁可再生能源的开发与应用已大势所趋。由于乙醇做为燃料的生产原料来源广泛，可有效利用可再生资源，燃烧产物清洁，无需改变发动机的基本结构即可直接应用于汽油机上，同时能够保持原有发动机的基本总体性能。因此，国内外已经广泛开展乙醇燃料发动机技术的研究, 并逐步由乙醇汽油发动机向纯乙醇发动机方向发展。

与汽油、柴油等传统燃料相比，乙醇燃料具有以下优点[1-3]：首先，乙醇中含有氧基，碳氢比低，可以实现无烟燃烧，污染轻微，燃烧干净，能显著降低CO的排放；其次，乙醇辛烷值高，具有良好的抗爆性，可以通过提高压缩比来提高发动机热效率；再其次，乙醇的气化潜热大、蒸汽压力低，能降低缸内温度，减少发动机热负荷，降低NOx的排放；此外，乙醇蒸发速率远低于汽油，因此发生交通事故时，发生起火的危险性比汽油低，安全性高；最后，乙醇冰点较低，无需担心在低温条件下化油器中燃料结冰。

有关研究表明：虽然乙醇可以作为燃料直接应用在汽油机上；但是，由于乙醇燃料发动机的一些特性：如乙醇燃烧产物对普通汽油机油成焦量的影响较大；乙醇燃料的使用会导致汽油机油的高、低温分散系数减小；以及乙醇燃料导致发动机易成焦，加之发动机油膜易被乙醇破坏，造成气缸壁、活塞环、缸套、轴瓦、轴承、密封件等极易被磨损、腐蚀，导致失效。因此，普通的燃油型发动机油并不适用于乙醇燃料发动机油。

因为发动机运动零件较多，且经常处于高速运转状态下，如果发动机油性能达不到使用要求，容易造成发动机的运动零部件严重磨损，不能正常工作甚至导致危险事故发生。

所以，随着乙醇燃料的推广应用，研制专用于乙醇燃料发动机的环境友好的发动机油具有重要的现实意义。

1 乙醇燃料发动机的特点和润滑油性能要求

乙醇燃料在使用过程中，会遇到如下问题[2，4，5]：①因为乙醇气化潜热高，所以发动机内乙醇燃料燃烧周期长，导致发动机进气阀背面容易出现积碳；②乙醇在生产和燃烧过程中，会产生乙酸。乙酸的酸性远远强于汽油燃烧产物的酸性，会对发动机金属表面造成严重腐蚀；③乙醇燃料会因为蒸发过快而流入汽缸壁，乙醇的燃烧产物中会带有一定量的水分，上述两者都会对发动机油油膜产生冲刷作用，导致发动机油稀释，油膜强度和厚度降低。④含水乙醇会造成发动机油乳化，并伴随产生大量气泡，降低发动机油的冷却、润滑、密封、清洗、防锈作用，造成发动机零部件磨损加剧。⑤乙醇会把汽油机润滑油系统及燃油分配系统管路中的沉积物溶解、剥落下来，从而导致滤清器阻塞，降低其过滤能力。

根据以上所述乙醇燃料发动机的特点，所要研制的乙醇燃料发动机专用油不仅应具备合适的粘度、粘度指数、碱值，良好的氧化安定性、抗磨性、抗泡性；而且还应该具备以下特性：①能在发动机运动部件副形成一层致密的保护膜，以有效降低发动机运动副摩擦和减少磨损；②突出的清净分散性，能减少发动机油生成低温油泥和积炭，增溶使用过程中产生的氧化物，延长发动机的使用寿命；③防锈抗腐性能良好，能够减缓燃烧产物乙酸和水对发动机金属表面造成的腐蚀和锈蚀。

2 乙醇燃料发动机油组合物的研制

发动机油配方研究过程中，为了获得性能优异、能满足使用要求的配方，需要对基础油和添加剂进行各种复配试验来验证。如果单纯凭借经验和简单的线性关系来调整配方组成，就需要进行大量的试验，时间长且费效比低；同时由于不能全面考察各种影响因素，所得配方往往不是最佳配方。本发动机油研制过程中，采用 BP人工神经网模型[6,7]，建立发动机油性能指标与基础油、添加剂组成变量之间的数学模型，对乙醇燃料发动机油试验配方进行筛选和配方目标优化。

BP神经网络也称为误差反向传播算法，通过工作信号的正反向传播，基于最小均方差准则，对传播过程中的网络各个权值进行修正，直到误差达到预期水平。当第p个样本输入并产生输出时，均方误差应为各输出单元平方之和，即：

当所有样本都输入一次后，总误差为：

设wsp为网络中的一个连接权值，根据梯度下降法，批处理方式下的权值修正量为：

增量方式下的权值修正量为：

通过MATLAB软件中的BP神经网络建立润滑油性能预测数学模型，以发动机油的热氧化安定性、防锈性、抗腐蚀性、清净分散性和酸中和能力为主要输出参数，以基础油和各个添加剂为输入矢量，构建一种多输入多输出的映射关系。最终在允许误差范围内，根据发动机油各项性能预测值指导润滑油配方设计。

2.1 基础油的选择

由于占发动机油 80%以上的基础油是影响润滑油整体性能的决定性因素；因此选取具有良好特性的基础油成为研制油的关键之一[8]。通过对乙醇燃料发动机各零部件及相关系统工况的综合考察，同时调研分析评估各类基础油的基本性能，笔者认为：对于单一种类的矿物油、醚类油、聚α-烯烃、酯类合成油，都难以满足乙醇燃料发动机的使用条件。与单一基础油相比，复合的基础油具有更好的抗氧化稳定性、黏温性等，适用于燃烧工况更为苛刻、复杂的环境。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复合作为基础油。

我国可再生物质资源丰富，选择以蓖麻油为原料制取的癸二酸二辛酯作为基础油组分之一，不仅制备工艺简单、成本低廉，可以减小因石油资源紧缺而带来的压力，对社会可持续发展具有重要意义；而且癸二酸二辛酯性能优异，具有倾点低、粘度指数高、使用温度范围宽、蒸发损失小、结焦少；具有良好的高低温性能、润滑性能以及添加剂感受性，优异的热氧化安定性能和抗剪切能力，出色的防腐蚀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点[9]。其典型理化指标见表1。

季戊四醇酯由于酯基较多，极性强。因此不仅具有良好的润滑性能、优异的氧化安定性、热稳定性、低温流动性和优良的粘温特性，而且蒸发损失和倾点低，生物降解性高，对添加剂的溶解分散性强。相关研究表明，与菜籽油等其他植物油相比，季戊四醇脂的抗磨性能、耐磨性能更为良好[10]。不仅如此，季戊四醇脂添加抗氧剂后，其氧化稳定性甚至优于矿物油，且混溶性能好。同时，未经分离的产品由于也具有良好的耐热性能, 可作为成本较低的调配油使用。

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

2.2 添加剂的选择

因为乙醇发动机技术的不断发展成熟，对其所用发动机油性能要求也越来越高，仅仅依靠基础油所具有的特性已不能满足其润滑要求；同时，现代润滑油添加剂配方技术日趋复杂和种类的增加，使得过去在实验室内进行逐一测试，寻找合适配方的方法己不能满足新配方开发的需要。所以，通过建立 BP人工神经网络模型，借助转弹氧试验、四球试验机、成焦板、硫酸盐灰分、碱值保持性、剪切稳定性、低温启动性试验、曲轴箱模拟试验方法和汽油机油高温氧化和磨损评定法等进行试验验证，分析基础油和各种添加剂之间的感受性和协同性，对清净分散剂、抗氧防腐剂、抗氧化剂、防锈剂、油性剂、摩擦改进剂、粘度指数改进剂、降凝剂、金属减活剂、抗泡剂等添加剂进行筛选和配比，提高和改善乙醇燃料发动机油的热氧化安定性、防锈性、抗腐蚀性、清净分散性和酸中和能力等性能，以满足乙醇燃料发动机的苛刻工况的需求。

2.2.1 抗氧剂的选择

由于发动机油长时间处于高温状态，在曲轴箱中接触到空气并受到搅动，因此良好的抗氧化性是对发动机油的一个重要要求[11]。此外，发动机工作时，处于高温工况下的发动机的金属(含有色金属合金)表面及其零部件，往往成为发动机油氧化反应的催化剂。发动机油与其接触后，极易发生氧化反应，形成聚合胶状物；进一步反应后会生成油泥和积炭，导致油品变质。因此，采用质量比40%～60%的2、6-二叔丁基对甲酚和 60%～40%二烷基二苯胺复合作为抗氧剂，以便更好地提高发动机油的氧化安定性。

2.2.2 清净分散剂剂的选择

乙醇燃料气化潜热值高，发动机工作时喷油量会增加，进而引起瞬态温度下降，导致燃烧相位后移，燃烧持续周期延长，最终造成发动机进气阀背面极易产生积碳和发动机油成焦。乙醇燃烧产物中的水分与发动机油接触后，会导致油泥和胶状沉积物的形成。形成的沉积物和油泥被发动机油带至滤网或滑油系统内，这不仅会阻碍油液的流动和沉积于管道中，而且会加剧发动机金属表面的生锈和轴承的腐蚀以及加速油泵的磨损。

清净分散剂的主要作用是通过中和发动机油中的有机酸、无机酸、氧化中间产物，增溶和洗涤积碳和漆膜等小颗粒, 以阻止已生成的胶状物质进一步缩合而生成漆膜、油泥和积炭；同时减少积炭的硬度，保持发动机内部的清洁。考虑到乙醇燃料自身具有一定的腐蚀性和酸性，及其燃烧产物对发动机造成的影响，需要选择合适的清净分散剂，增溶腐蚀性物质和中和酸性物质，缓解和降低发动机的腐蚀情况。本研制油加入的清净剂是采用高碱值磺酸钙、硫化烷基酚钙和低碱值磺酸钙复合；分散剂采用高氮、低氮聚异丁烯丁二酰亚胺和硼化聚异丁烯丁二酰亚胺三者复合。这不仅可以增溶发动机中沉积物和积碳质等物质，以便过滤清除，中和酸性物质，保护发动机油的清洁性和可过滤性，而且可以控制油品氧化变质，延长了油品的换油期，提高了发动机油经济性。

2.2.3 防锈剂的选择

通常，工业生产的乙醇燃料会含有微量的酸性物质。当与空气或细菌接触后被氧化发酵也会产生少量的有机酸。此外，乙醇燃料燃烧过程中也会产生乙酸等对金属有腐蚀性的物质。虽然，当前发动机连杆、活塞环和轴承采用巴氏合金作为主要材料，有较强的抗腐蚀防锈性。但是，在高温下，同时有酸性物质和水分的存在，依然会对发动机造成严重的腐蚀影响，导致锈蚀现象的发生。不仅如此，乙醇也会吸收以及其本身燃烧产生的水分，会对缸壁上油膜产生稀释作用，减少油膜厚度，加速锈蚀的发生。

防锈剂是一类阻止、延缓腐蚀和锈蚀的物质。常用的防锈剂有防锈剂有十二烯基丁二酸盐、金属碘酸盐、咪唑啉化合物、胺类等。考虑到乙醇燃料自身及其燃烧产物的特殊性，本研制油选用质量比40%～60%石油磺酸钡和60%～40% N-油酰肌氨酸十八胺型复合作为防锈剂。

2.2.4 抗氧防腐剂的选择

发动机的腐蚀和腐蚀磨损主要起因于水或水与润滑油严重降解后形成的产物的共同作用以及燃烧形成的腐蚀性终产物[11]。由于乙醇含氧量较高，因此燃烧产物中不仅含有乙酸，而且还含有水分。乙酸、水分和空气相互接触后，会严重严重腐蚀气缸、轴瓦、活塞环等发动机部件。乙醇燃料在生产过程中，一般会含有酸性物质，且乙醇燃料燃烧后也会生成乙酸，酸性物质的存在加剧润滑油的变质和发动机零部件的腐蚀。

为了延缓发动机油的高温氧化速度，防止发动机内零件被腐蚀，实验室采用旋转氧弹实验方法对抗氧防腐剂进行考察，并综合平衡了各因素，最终采用硫磷双辛基碱性锌盐和二硫代氨基甲酸钼作为抗氧防腐剂。

2.2.5 油性剂的选择

油性剂是一类能使润滑油在摩擦表面上形成定向吸附膜，从而改善摩擦性能，起到润滑作用的添加剂[12]。由于乙醇燃料的蒸发潜热大，容易发生发动机内部因气化不良而导致燃料流入汽缸壁的现象，致使发动机润滑油油膜被冲洗而造成润滑油的稀释，增加发动机零部件的摩擦和磨损，尤其以活塞环和汽缸壁的磨损和腐蚀特别严重。因此，本研制油选择苯三唑脂肪酸胺盐作为油性剂，在发动机运动部件副形成一层致密的保护膜，可以有效降低发动机运动副摩擦和减少磨损，以弥补和提高发动机油的润滑性能。

3 研制油理化指标

采用蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯复合作为基础油，运用人工神经网络模型作为指导，通过利用转弹氧试验、四球试验机、曲轴箱模拟试验方法、汽油机油高温氧化和磨损评定法等方法进行试验验证，选择和复配适当的清净分散剂、防锈剂、抗氧化剂和油性剂剂等作为添加剂，用以研制蓖麻基乙醇燃料发动机专用油。研制的蓖麻基乙醇燃料发动机专用油理化指标见表2。

4 结 论

（1）以蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯复合作为基础油，不仅具有良好的高低温性能、冷却性、润滑性、密封性、清洗性、添加剂感受性和可降解性，而且制备工艺简单、成本低廉、环境友好。

（2）通过应用人工神经网络模型，利用转弹氧试验、四球试验机、曲轴箱模拟试验方法、汽油机油高温氧化和磨损评定法等方法进行试验验证，筛选添加剂，所研制的蓖麻基乙醇燃料发动机专用油具有优异的防腐蚀性、防锈性能、良好的粘温特性和低温流动性。

表2 乙醇燃料发动机专用油理化指标Table 2 The physical and chemical properties of oil for ethanol fuel engines

（3）本研制油选用适当的抗氧防腐剂、防锈剂、清净分散剂、油性剂剂等作为添加剂，抗氧化性能突出，可形成致密的保护膜，有效降低摩擦和减少磨损，延长了换油周期和发动机使用寿命，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

李胜（1990-），男，广西南宁人，硕士研究生，研究方向：绿色能源及石化产品研究。E-mail：262584782@qq.com。

黄福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化能源及产品研发。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。