乙醇燃料发动机专用油的研制

4卷第3期2015年3月Contemporary Chemical IndustryMarch. 2015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)摘要: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,对硏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,降低了成本关键词:乙醇燃料;发动机油;基础油;添加剂中图分类号:TE624文献标识码:A文章编号:1671-0460(2015)03-0493-04Development of Special Oil for Ethanol Fuel EnginesLI Sheng. Xiao you-cheng. hUaNg Fu-chuan, LU Zhao-xia( Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology, School of Chemistry andChemical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 5Abstract: Working conditions of ethanol fuel engine were studied; ethanol fuel and its product propertiesanalyzed. Screening and optimization of the formula of special oil for ethanol fuel engines were carried out by BPneural network model and test verification. The results show that developed oil has good properties, such as excellentanti-corrosive and anti-rust, good temperature-viscosity and low temperature fluidity: it can form a dense protectivefilm to reduce the friction and wear effectively, to achieve the goal of prolonging the service life and engine oil change:le, reducing theKey words: Ethanol fuel; Engine oil; Base oil; Additive21世纪以来,随着能源需求的不断增加和社会最后,乙醇冰点较低,无需担心在低温条件下化油公众环境保护意识的不断提高,清洁可再生能源的器中燃料结冰。开发与应用已大势所趋。由于乙醇做为燃料的生产有关研究表明:虽然乙醇可以作为燃料直接应原料来源广泛,可有效利用可再生资源,燃烧产物用在汽油机上;但是,由于乙醇燃料发动机的一些清洁,无需改变发动机的基本结构即可直接应用于特性:如乙醇燃烧产物对普通汽油机油成焦量的影汽油机上,同时能够保持原有发动杋的基本总体性ε响较大;乙醇燃料的使用会导致汽油机油的高、低能。因此,国内外已经广泛开展乙醇燃料发动杋技温分散系数减小;以及乙醇燃料导致发动机易成焦术的硏究,并逐步由乙醇汽油发动机向纯乙醇发动加之发动机油膜易被乙醇破坏,造成气缸壁、活塞机方向发展。环、缸套、轴瓦、轴承、密封件等极易被磨损、腐与汽油、柴油等传统燃料相比,乙醇燃料具有蚀,导致失效。因此,普通的燃油型发动机油并不以下优点:首先,乙醇中含有氧基,碳氢比低,适用于乙醇燃料发动机油可以实现无烟燃烧,污染轻微,燃烧干净,能显著因为发动机运动零件较多,且经常处于高速运降低CO的排放;其次,乙醇辛烷值高,具有良好转状态下,如果发动机油性能达不到使用要求,容的抗爆性,可以通过提高压缩比来提高发动机热效易造成发动机的运动零部件严重磨损,不能正常工率;再其次,乙醇的气化潜热大、蒸汽压力低,能作甚至导致危险事故发生降低缸内温度,减少发动机热负荷,降低NO的排所以,随着乙醇燃料的推广应用,研制专用于放;此外,乙醇蒸发速率远低于汽油,因此发生交乙醇燃料发动机的环境友好的发动机油具有重要的通事故时,发生起火的危险性比汽油低,安全性高;现实意义。中国煤化工收稿日期:2014-09-26CNMHG作者简介: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元。-M10c204/cu,um通讯作者:黄福川(1963-),男,教授,博士,研究方向:石化能源及产品研发。E-mai:huangfuchuan@gxu.edu.cn。当代化工2015年3月1乙醇燃料发动机的特点和涧滑油性当所有样本都输入一次后,总误差为能要求E乙醇燃料在使用过程中,会遇到如下问题2:E①因为乙醇气化潜热高,所以发动机内乙醇燃料燃烧设w为网络中的一个连接权值,根据梯度下周期长,导致发动机进气阀背面容易出现积碳;2乙降法,批处理方式下的权值修正量为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cE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,上述两增量方式下的权值修正量为: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△w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,造成发动机零部通过 MATLAB软件中的BP神经网络建立润滑件磨损加剧。⑤乙醇会把汽油机润滑油系统及燃油分油性能预测数学模型,以发动机油的热氧化安定性配系统管路中的沉积物溶解、剥落下来,从而导致滤防锈性、抗腐蚀性、清净分散性和酸中和能力为主清器阻塞,降低其过滤能力。要输出参数,以基础油和各个添加剂为输入矢量,根据以上所述乙醇燃料发动机的特点,所要研构建一种多输入多输出的映射关系。最终在允许误制的乙醇燃料发动机专用油不仅应具备合适的粘差范围内,根据发动机油各项性能预测值指导润滑度、粘度指数、碱值,良好的氧化安定性、抗磨性、油配方设计下特性:①能在发动机21基础油的选择运动部件副形成一层致密的保护膜,以有效降低发由于占发动机油80%以上的基础油是影响润动机运动副摩擦和减少磨损;②突出的清净分散性滑油整体性能的决定性因素;因此选取具有良好特能减少发动机油生成低温油泥和积炭,增溶使用过性的基础油成为研制油的关键之一。通过对乙醇程中产生的氧化物,延长发动机的使用寿命;③防燃料发动机各零部件及相关系统工况的综合考察,锈抗腐性能良好,能够减缓燃烧产物乙酸和水对发同时调研分析评估各类基础油的基本性能,笔者认动机金属表面造成的腐蚀和锈蚀为: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2乙醇燃料发动机油组合物的研制件。与单一基础油相比,复合的基础油具有更好的发动机油配方研究过程中,为了获得性能优异、抗氧化稳定性、黏温性等,适用于燃烧工况更为苛能满足使用要求的配方,需要对基础油和添加剂进刻、复杂的环境。因此,本研制油采用以蓖麻油制行各种复配试验来验证。如果单纯凭借经验和简单取的癸二酸二辛酯和季戊四醇酯复合作为基础油。的线性关系来调整配方组成,就需要进行大量的试我国可再生物质资源丰富,选择以蓖麻油为原验,时间长且费效比低;同时由于不能全面考察各料制取的癸二酸二辛酯作为基础油组分之一,不仅种影响因素,所得配方往往不是最佳配方。本发动制备工艺简单、成本低廉,可以减小因石油资源紧机油研制过程中,采用BP人工神经网模型η,建缺而带来的压力对社会可持续发展具有重要意义;立发动机油性能指标与基础油、添加剂组成变量之而且癸二酸二辛酯性能优异,具有倾点低、粘度指间的数学模型,对乙醇燃料发动机油试验配方进行数高、使用温度范围宽、蒸发损失小、结焦少;具筛选和配方目标优化。有良好的高低温性能、润滑性能以及添加剂感受性BP神经网络也称为误差反向传播算法,通过工优异的热氧化安定性能和抗剪切能力,出色的防腐作信号的正反向传播,基于最小均方差准则,对传蚀性能以及抗乳化性能,并具有很好的可降解性和播过程中的网络各个权值进行修正,直到误差达到油溶性等特点。。其典型理化指标见表1预期水平。当第p个样本输入并产生输出时,均方季戊四醇酯由于酯基较多,极性强。因此不仅误差应为各输出单元平方之和,即具有良好的润显的氢化定性、热稳定性、低温流动中国煤化工且蒸发损失和倾点低,生CNMH§溶解分散性第44卷第3期李胜,等:乙醇燃料发动机专用油的硏制495强。相关研究表明,与菜籽油等其他植物油相比,会增加,进而引起瞬态温度下降,导致燃烧相位后季戊四醇脂的抗磨性能、耐磨性能更为良好。不移,燃烧持续周期延长,最终造成发动机进气阀背仅如此,季戊四醇脂添加抗氧剂后,其氧化稳定性面极易产生积碳和发动机油成焦。乙醇燃烧产物中甚至优于矿物油,且混溶性能妤。同时,未经分离的水分与发动机油接触后,会导致油泥和胶状沉积的产品由于也具有良好的耐热性能,可作为成本较物的形成。形成的沉积物和油泥被发动机油带至滤低的调配油使用网或滑油系统内,这不仅会阻碍油液的流动和沉积表1癸二酸二辛酯的典型理化指标于管道中,而且会加剧发动机金属表面的生锈和轴Table 1 The typical physical and chemical properties ofdioctyl seb承的腐蚀以及加速油泵的磨损。项目典型数据试验方法清净分散剂的主要作用是通过中和发动机油中运动粘度100℃/mm2·sASTM D445的有机酸、无机酸、氧化中间产物,增溶和洗涤积40℃(mmASTM D445粘度指数ASTM D2270碳和漆膜等小颗粒,以阻止已生成的胶状物质进倾点/℃ASTM DS950步缩合而生成漆膜、油泥和积炭;同时减少积炭的闪点/℃232ASTM D92硬度,保持发动机内部的清洁。考虑到乙醇燃料自生物降解性,%C-3193身具有一定的腐蚀性和酸性,及其燃烧产物对发动22添加剂的选择机造成的影响,需要选择合适的清净分散剂,增溶因为乙醇发动机技术的不断发展成熟,对其所腐蚀性物质和中和酸性物质,缓解和降低发动机的用发动机油性能要求也越来越高,仅仅依靠基础油腐蚀情况。本硏制油加入的淸净剂是采用髙碱值磺所具有的特性已不能满足其润滑要求;同时,现代酸钙、硫化烷基酚钙和低碱值磺酸钙复合;分散剂润滑油添加剂配方技术日趋复杂和种类的增加,使采用高氮、低氮聚异丁烯丁二酰亚胺和硼化聚异丁得过去在实验室内进行逐一测试,寻找合适配方的烯丁二酰亚胺三者复合。这不仅可以增溶发动机中方法已不能满足新配方开发的需要。所以,通过建沉积物和积碳质等物质,以便过滤清除,中和酸性立BP人工神经网络模型,借助转弹氧试验、四球物质,保护发动机油的清洁性和可过滤性,而且可试验机、成焦板、硫酸盐灰分、碱值保持性、剪切以控制油品氧化变质,延长了油品的换油期,提高稳定性、低温启动性试验、曲轴箱模拟试验方法和了发动机油经济性汽油机油高温氧化和磨损评定法等进行试验验证,2.2.3防锈剂的选择分析基础油和各种添加剂之间的感受性和协同性,通常,工业生产的乙醇燃料会含有微量的酸性物对清净分散剂、抗氧防腐剂、抗氧化剂、防锈剂、质。当与空气或细菌接触后被氧化发酵也会产生少量油性剂、摩擦改进剂、粘度指数改进剂、降凝剂、的有机酸。此外,乙醇燃料燃烧过程中也会产生乙酸金属减活剂、抗泡剂等添加剂进行筛选和配比,提等对金属有腐蚀性的物质。虽然,当前发动机连杆高和改善乙醇燃料发动机油的热氧化安定性、防锈活塞环和轴承采用巴氏合金作为主要材料,有较强的性、抗腐蚀性、清净分散性和酸中和能力等性能抗腐蚀防锈性。但是,在高温下,同时有酸性物质和以满足乙醇燃料发动机的苛刻工况的需求。水分的存在,依然会对发动机造成严重的腐蚀影响,22.1抗氧剂的选择导致锈蚀现象的发生。不仅如此,乙醇也会吸收以及由于发动机油长时间处于高温状态,在曲轴箱中其本身燃烧产生的水分,会对缸壁上油膜产生稀释作接触到空气并受到搅动,因此良好的抗氧化性是对发用,减少油膜厚度,加速锈蚀的发生。动机油的一个重要要求。此外,发动机工作时,处防锈剂是一类阻止、延缓腐蚀和锈蚀的物质。于高温工况下的发动机的金属(含有色金属合金)表面常用的防锈剂有防锈剂有十二烯基丁二酸盐、金属及其零部件,往往成为发动机油氧化反应的催化剂。碘酸盐、咪唑啉化合物、胺类等。考虑到乙醇燃料发动机油与其接触后,极易发生氧化反应,形成聚合自身及其燃烧产物的特殊性,本硏制油选用质量比胶状物;进一步反应后会生成油泥和积炭,导致油品40%~60%石油磺酸钡和60%~40%N-油酰肌氨酸变质。因此,采用质量比40%~60%的2、6二叔丁十八胺型复合作为防锈剂。基对甲酚和60%~40%二烷基二苯胺复合作为抗氧2.2.4抗氧防腐剂的选择剂,以便更好地提高发动机油的氧化安定性。发动机的乙醇燃料气化潜热值高,发动机工作时喷油量形成的腐蚀性 ICNM云用以及燃烧22.2清净分散剂剂的选择中国煤化于水或水与润滑油严重降口」量较高,因当代化工2015年3月此燃烧产物中不仅含有乙酸,而且还含有水分。乙和低温流动性。酸、水分和空气相互接触后,会严重严重腐蚀气缸、表2乙醇燃料发动机专用油理化指标轴瓦、活塞环等发动机部件。乙醇燃料在生产过程Table 2 The physical and chemical properties of oil for中,一般会含有酸性物质,且乙醇燃料燃烧后也会ethanol fuel engines项典型数据生成乙酸,酸性物质的存在加剧润滑油的变质和发100℃运动粘度{mm2·s)动机零部件的腐蚀粘度指数为了延缓发动机油的髙温氧化速度,防止发动倾闪点开口y℃机内零件被腐蚀,实验室采用旋转氧弹实验方法对低温动力粘度(mPas)6200抗氧防腐剂进行考察,并综合平衡了各因素,最终起泡性(泡沫倾向/泡沫稳定性)、mL/mL)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24℃22.5油性剂的选择碱值/( mg Koh·g)机械杂质(m),%油性剂是一类能使润滑油在摩擦表面上形成定水分(m),%痕迹向吸附膜,从而改善摩擦性能,起到润滑作用的添蒸发损失(m,%加剂。由于乙醇燃料的蒸发潜热大,容易发生发硫酸盐灰分(m,%液相锈蚀(蒸馏水)动机内部因气化不良而导致燃料流入汽缸壁的现腐蚀试验(铜片、100.℃,3h),级象,致使发动机涧滑油油膜被冲洗而造成润滑油的温高剪切粘度(150℃,106s2)(mPas)低温泵送粘度(-25℃,在无屈服应力时y(mPas)497稀释,増加发动机零部件的摩擦和磨损,尤其以活ECEL-33-1-93,%塞环和汽缸壁的磨损和腐蚀特别严重。因此,本研(3)本研制油选用适当的抗氧防腐剂、防锈剂、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发动机运动副摩擦和减少磨损,以弥补和提高发动磨损,延长了换油周期和发动机使用寿命,降低了机油的润滑性能成本。3研制油理化指标参考文献采用蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇[1]张永光,罗格梅,21世纪汽车代用燃料的发展方向门石油商技2002,20(2):1-5酯复合作为基础油,运用人工神经网络模型作为指[2]周奇,倪计民,乙醇燃料在我国应用前景的研究与展望队上海汽导,通过利用转弹氧试验、四球试验机、曲轴箱模(3张水光乙醇作为车用燃料的可行性及发展趋势石油商技:201拟试验方法、汽油机油高温氧化和磨损评定法等方19(5:16-19法进行试验验证,选择和复配适当的清净分散剂4]郭瑞莲,鲍晓峰,岳欣,等.车用乙醇汽油对发动机进气系统沉物的影响[汽车工程,20029(8):642-644防锈剂、抗氧化剂和油性剂剂等作为添加剂,用以[5]邓元望,刘放浪,刘学英乙醇燃料及其在发动机中的应用U小硏制蓖麻基乙醇燃料发动机专用油。硏制的蓖麻基型内燃机与摩托车,2005.34(1):28-30.6]马林才,候仲淼,BP神经网络在润滑油摩擦改进剂复配性研究中乙醇燃料发动机专用油理化指标见表2的应用J河北理工学院学报,2004,26(1):43-47[7]季顺成,刁建民,邬国英人工神经网络方法预测润滑油基础油的4结论抗氧性J润滑油,1996,11(6):41-43(1)以蓖麻油制取的癸二酸二辛酯和季戊四醇8]唐兴中,粟满荣黄福川等工程机械专用抗磨液压油的研制与应用当代化工,2013,42(6):725-729酯复合作为基础油,不仅具有良好的高低温性能、冷「9]李普庆,关子杰,耿英杰,等合成润滑剂及其应用Ⅳ北京却性、润滑性、密封性、清洗性、添加剂感受性和可中国石化出版社,2006[10]陈启明,郭嘉,陈金芳,安雅婷油酸季戊四醇酯的合成及性能矿降解性,而且制备工艺简单、成本低廉、环境友好。究武汉工程大学学报,2007,29(3):4-7(2)通过应用人工神经网络模型,利用转弹氧11]刘峰璧设备润滑技术基础M广州:华南理工大学出版社,2012试验、四球试验机、曲轴箱模拟试验方法、汽油机12]王毓民,王恒润滑材料与润滑技术M北京:化学工业出版社油高温氧化和磨损评定法等方法进行试验验证,筛13J李宏君遗传算法结合人工神经网络优化润滑油配方的研究南选添加剂,所硏制的蓖麻基乙醇燃料发动机专用油宁:广西大学,2013[14]黄福川多燃:西南石油学院具有优异的防腐蚀性、防锈性能、良好的粘温特性中国煤化工CNMHG