甲醇汽油甲醛排放及其對(duì)潤(rùn)滑油性能影響試驗(yàn)研究

楊超

摘 要 對(duì)于兩輛燃燒甲醇汽油的車輛進(jìn)行8萬(wàn)公里試驗(yàn)運(yùn)行，期間對(duì)車輛的甲醛排放以及更換的潤(rùn)滑油進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。結(jié)果表明：分別燃用M15甲醇汽油和93號(hào)汽油時(shí)，尾氣中都有甲醛排放，M15甲醇汽油甲醛排放高于93號(hào)汽油，兩者處于同一數(shù)量級(jí)。隨著行駛里程的增加，兩輛車輛所更換的潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度變化率均在20%范圍內(nèi)，酸值增加量都小于0.5mgKOH/g，水分含量都小于0.2%，滿足換油指標(biāo)的規(guī)定，可以得出M15甲醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油性能劣化影響較小。

關(guān)鍵詞 M15甲醇汽油 甲醛排放 潤(rùn)滑油

0前言

近年來(lái)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2013年，汽車產(chǎn)銷量均達(dá)到2200萬(wàn)輛，連續(xù)四年位于全球第一，機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.5億輛，這必然會(huì)導(dǎo)致汽車石油消耗量持續(xù)增大，加劇我國(guó)的石油資源短缺。與此同時(shí)，汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)使得汽車尾氣排放造成的城市環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重，因此開(kāi)發(fā)和研究合適的新型清潔石油替代能源是緩解石油資源短缺、改善大氣污染的有效手段。

“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)目前的能源現(xiàn)狀，煤炭資源豐富以及煤炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的政策導(dǎo)向?yàn)樾滦颓鍧嵤吞娲茉吹陌l(fā)展提供了基礎(chǔ)和方向，將煤炭轉(zhuǎn)化為甲醇，大力發(fā)展甲醇燃料，符合我國(guó)的能源資源現(xiàn)狀，是解決我國(guó)石油資源短缺的重要途徑。甲醇與汽油具有相似的理化性質(zhì)，在汽車上使用低比例的甲醇汽油時(shí)不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)與調(diào)整，只有大比例摻燒甲醇時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油控制系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，使用較為方便。但是汽車燃用甲醇燃料也存在非常規(guī)污染物甲醛排放以及對(duì)金屬的腐蝕和橡膠的溶脹等問(wèn)題，制約著甲醇汽油的推廣。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甲醇汽油的排放以及腐蝕性進(jìn)行了較多的研究，但是很少有對(duì)車輛長(zhǎng)期燃用甲醇汽油后的甲醛排放和腐蝕性進(jìn)行研究。本文對(duì)兩輛燃用M15甲醇汽油的車輛進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)8萬(wàn)公里的試驗(yàn)運(yùn)行，運(yùn)行期間定期測(cè)量車輛的甲醛排放，同時(shí)更換93#汽油進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并且定期對(duì)車輛的潤(rùn)滑油進(jìn)行更換，對(duì)更換潤(rùn)滑油的三個(gè)主要劣化指標(biāo)粘度、酸度和水分進(jìn)行試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)M15甲醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的影響。

1試驗(yàn)裝置和方法

本試驗(yàn)選擇市場(chǎng)上較為普遍的兩款排量分別為1.6L朗逸和2.0T帕薩特的汽油車進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行，試驗(yàn)車輛道路運(yùn)行8萬(wàn)公里，其中：前1萬(wàn)公里運(yùn)行時(shí)車輛燃料為93號(hào)汽油，完成試驗(yàn)車輛的磨合；從第一萬(wàn)公里開(kāi)始，車輛燃用M15甲醇汽油運(yùn)行，運(yùn)行里程為7萬(wàn)公里，運(yùn)行期間分別對(duì)車輛的甲醛排放和潤(rùn)滑油性能進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1甲醛排放試驗(yàn)方法

目前，國(guó)標(biāo)中沒(méi)有對(duì)汽車尾氣中甲醛排放測(cè)試方法進(jìn)行規(guī)定，只能以現(xiàn)有的《公共場(chǎng)所空氣中甲醛測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)作為參考。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車尾氣中甲醛排放測(cè)試中應(yīng)用較多的測(cè)試方法主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、酚試劑分光光度法等，色譜法存在儀器設(shè)備昂貴、使用成本高以及對(duì)試驗(yàn)操作人員要求也較高等缺點(diǎn)，因此本次試點(diǎn)中甲醛排放測(cè)試采用基于酚試劑分光光度法的快速甲醛測(cè)試儀，同時(shí)基于自行開(kāi)發(fā)的尾氣采樣系統(tǒng)對(duì)兩輛試驗(yàn)車輛的甲醛排放進(jìn)行測(cè)量。道路運(yùn)行中，車輛行駛里程數(shù)分別達(dá)到1萬(wàn)、4萬(wàn)和8萬(wàn)公里時(shí)，分別測(cè)試車輛燃燒93#汽油和M15甲醇汽油的甲醛排放。

本試驗(yàn)中利用甲醛可以與水任意互溶的特性來(lái)收集汽車尾氣中的甲醛，圖1為汽車甲醛排放測(cè)試儀的系統(tǒng)原理圖，汽車尾氣通過(guò)采樣泵進(jìn)入到采樣系統(tǒng)中進(jìn)行冷卻，再通過(guò)水分離器除去尾氣中的水蒸汽，而后通過(guò)流量計(jì)進(jìn)入到混合器中與一定流量的大氣混合，然后通入甲醛吸收裝置得到反應(yīng)溶液，最后通過(guò)甲醇分析儀可以讀出試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試儀器采用快速甲醛測(cè)試儀，儀器的甲醛濃度測(cè)量范圍為0-1.00mg/m3，儀器的測(cè)量精度為0.01mg/m3。

1.2潤(rùn)滑油性能檢測(cè)試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒甲醇汽油時(shí)會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)生影響，而潤(rùn)滑油的三個(gè)主要性能劣化指標(biāo)分別是運(yùn)動(dòng)粘度、酸度和水分，因此需要對(duì)更換的潤(rùn)滑油的三個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。運(yùn)行中車輛燃料為M15甲醇汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油型號(hào)為5W-40，未使用時(shí)其理化指標(biāo)如表1所示，每隔5000公里對(duì)車輛進(jìn)行檢查和維護(hù)，保證其良好的行駛性能，同時(shí)更換潤(rùn)滑油、機(jī)油濾芯、汽油濾芯等，對(duì)更換后的潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣，分析其理化指標(biāo)。

2甲醛排放結(jié)果分析

由圖中可以看出可知，在怠速（900r/min）以及高怠速（2500r/min）工況下，試驗(yàn)車輛上使用的M15甲醇汽油和使用93#汽油相比，甲醛排放量高于93號(hào)汽油的排放量。這是由于車輛燃燒甲醇汽油時(shí)，燃料中的甲醇不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生甲醛排放；同時(shí)甲醛作為一種燃燒的中間產(chǎn)物普遍存在于碳?xì)浠衔锶紵^(guò)程中，因此在車輛燃燒93號(hào)汽油時(shí)排氣中也有甲醛的存在。并且怠速工況下甲醛排放高于高怠速工況，這是由于高怠速工況下缸內(nèi)溫度較高，高溫不利于甲醛的生成，在較高溫度下，HC和甲醛可能完全氧化生成CO2和H2O。

同時(shí)隨著行駛里程的增加，朗逸在怠速工況下甲醛排放呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢(shì)，而高怠速工況下呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)；帕薩特在怠速和高怠速工況下都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，怠速工況下增大明顯。原因可能是隨著車輛行駛里程的增加，從1萬(wàn)公里的磨合狀態(tài)到8萬(wàn)公里的逐漸老化狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化導(dǎo)致上述的甲醛排放變化。同時(shí)由于兩輛試驗(yàn)車輛性能差異以及帕薩特為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣溫度較高，因此兩輛試驗(yàn)車輛甲醛排放趨勢(shì)有差異。

由于M15中甲醇含量較少，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，燃燒較為充分，因此燃用M15時(shí)甲醛的生成量比較低的，與燃用汽油時(shí)的生成量處于同一數(shù)量級(jí)。

3潤(rùn)滑油試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1粘度試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)動(dòng)粘度是潤(rùn)滑油的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，運(yùn)動(dòng)粘度的大小影響潤(rùn)滑油在摩擦副中形成的油膜強(qiáng)度以及其流動(dòng)性的大小。通常情況下，由于氧化作用、燃料油的稀釋、潤(rùn)滑油中輕組分的揮發(fā)以及機(jī)械剪切等都會(huì)造成潤(rùn)滑油粘度的變化，粘度過(guò)大會(huì)增加機(jī)械的動(dòng)力損耗，并且粘度過(guò)大會(huì)造成潤(rùn)滑油泵送困難，潤(rùn)滑油難以在摩擦副間形成充足的潤(rùn)滑油膜，粘度過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致摩擦副間油膜厚度過(guò)小，機(jī)械磨損增加，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)的拉缸。

在此試驗(yàn)中，分別測(cè)量40℃和100℃運(yùn)動(dòng)粘度，并且計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度變化率，試驗(yàn)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到潤(rùn)滑油粘度隨行駛里程的變化關(guān)系，如圖5、6所示。

從圖中可以看出，隨著試驗(yàn)車輛行駛里程的增加，兩輛車所更換的潤(rùn)滑油在相同溫度下的粘度都會(huì)有隨之增高的趨勢(shì)，并且朗逸較帕薩特相比增高趨勢(shì)明顯，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒甲醇汽油時(shí)，甲醇及其燃燒產(chǎn)物甲酸的可能會(huì)流入到曲軸箱中，會(huì)與潤(rùn)滑油中的添加劑反應(yīng)導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度增加；同時(shí)隨著行駛里程的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)緩慢老化，導(dǎo)致燃料竄入到曲軸箱的機(jī)率增加，所以其粘度會(huì)有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)；同時(shí)，兩臺(tái)試驗(yàn)車輛所更換的潤(rùn)滑油粘度與未使用的潤(rùn)滑油粘度相比，變化很小。

圖7為潤(rùn)滑油100℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率隨行駛里程的變化關(guān)系，根據(jù)國(guó)標(biāo)中關(guān)于機(jī)油換油指標(biāo)的規(guī)定，100℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率最大不能超過(guò)20%，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩輛試驗(yàn)車輛所使用潤(rùn)滑油在100℃時(shí)的粘度變化率均在20%范圍內(nèi)，因此可知，M15甲醇汽油對(duì)潤(rùn)滑油的粘度影響很小。

3.2酸值試驗(yàn)結(jié)果分析

潤(rùn)滑油的酸值變化主要原因是氧化變質(zhì)和污染變質(zhì)，酸值主要影響零件的腐蝕性，若酸值過(guò)高就會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件產(chǎn)生腐蝕作用。潤(rùn)滑油在使用中由于水分存在、甲醇及其燃燒產(chǎn)物甲醛、甲酸等的竄入等都會(huì)使?jié)櫥脱趸饔眉觿?，加速?rùn)滑油的老化，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì)。潤(rùn)滑油酸值較大會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件造成腐蝕，并且與金屬部件相互作用還會(huì)使?jié)櫥偷睦匣铀?，?huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成較大的損害。圖8和9為酸值以及增加量隨行駛里程的變化關(guān)系。

由上圖可知：潤(rùn)滑油酸值有隨著試驗(yàn)車輛行駛里程的增加而增大的趨勢(shì)，并且朗逸較帕薩特相比增高趨勢(shì)較大，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒甲醇汽油時(shí)，氣缸中的甲醇及其燃燒產(chǎn)物可能會(huì)流入曲軸箱中，加劇了潤(rùn)滑油的氧化老化，酸值增加；從圖5.5中可以看出總體酸值增加較小，都小于0.5mg，均低于2.0mg的換油限值，這表明M15甲醇汽油對(duì)潤(rùn)滑油的酸值影響很小。

3.3水分試驗(yàn)結(jié)果分析

燃燒中生成的水蒸氣以及環(huán)境中的水的凝結(jié)會(huì)造成潤(rùn)滑油中有水分存在，這容易造成潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)產(chǎn)生油泥，同時(shí)也增加了潤(rùn)滑油的氧化作用，使其氧化變質(zhì)產(chǎn)生不溶性物質(zhì)和有機(jī)酸，破壞潤(rùn)滑系統(tǒng)油膜，腐蝕金屬部件，因此需要避免潤(rùn)滑油中過(guò)多水分的存在。

潤(rùn)滑油水分試驗(yàn)結(jié)果為：兩臺(tái)車輛所更換的潤(rùn)滑油含水量過(guò)小，很難精確測(cè)量出，均低與國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.2%，因此可以得出結(jié)論試驗(yàn)車輛燃燒M15甲醇汽油對(duì)潤(rùn)滑油水分含量基本無(wú)影響。

4結(jié)論

（1）兩輛試驗(yàn)車輛分別燃油M15甲醇汽油和93號(hào)汽油時(shí)，排氣中都有甲醛排放，M15甲醇汽油甲醛排放高于93號(hào)汽油，兩者甲醛排放量都較低，處于同一數(shù)量級(jí)；對(duì)于兩種燃料怠速工況下的甲醛排放要高于高怠速工況下的甲醛排放。

（2）隨著試驗(yàn)車輛行駛里程的增加，兩輛試驗(yàn)車輛所更換的潤(rùn)滑油在相同溫度下的粘度都會(huì)有隨之增高的趨勢(shì)，100℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度變化率均在20%范圍內(nèi)；潤(rùn)滑油酸值有隨著試驗(yàn)車輛行駛里程的增加而增大的趨勢(shì)，酸值增加量都小于0.5mgKOH/g；潤(rùn)滑油中水分含量均低于0.2%，可以得出M15甲醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油性能劣化影響較小。

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