对于设备来说，润滑油是一个重要部件，一部机器想要良好地运转，除了合理的机械设计，还需要良好的润滑。对于发动机来说也不例外，发动机润滑油（发动机油）对发动机的使用寿命、运行效率起到关键作用。如果没有良好的润滑，发动机会磨损从而导致故障，运行效率降低，使用寿命缩短。

 

在过去的几十年里，发动机产生了一系列的变化，无论是发电行业的发动机，还是车用领域的发动机。20世纪60年代，发动机的动力-重量比开始得到提高，发动机开始向轻量化发展。70年代开始关注节油效能，80年代到90年代，影响发动机技术发展的两大要素分别为：节能减排、安全性。从现在的趋势来看，发动机向着更安全、节能减排、节油的方向发展。

 

随着环保要求的提高，燃气发动机开始出现，天然气发动机使用压缩天然气，使汽车的排放更为清洁。在未来几年里，天然气发动机有着光明的发展前景，无论是在汽车领域还是工业领域。

 

天然气是开采石油中得到的一种产物，主要出产于油田或者天然气田，也有少量出自煤层。根据产地的地质差异，天然气在成分上有所差别。干燥的天然气成分基本都是甲烷，根据含硫量的多少分为“甜气”或者酸性气。

 

本文主要对天然气发动机油（天然气发动机润滑油）的基本知识进行说明，帮助我们对液化天然气发动机（LNG）、压缩天然气发动机（CNG）专用机油进行初步了解。

 

一、燃气发动机的特点：

 

燃气发动机（gas engines）通常分为三种：二冲程发动机、四冲程发动机、双燃料发动机。天然气发动机属于燃气发动机，使用天然气作为燃料，工作原理类似于常规的汽油或者柴油发动机，但是也有一些差别：

 

与常规的柴油发动机相比，燃气发动机的压缩比一般较低。

 

燃油是液体，因此使用燃油时，燃油的体积与进气的体积相比几乎可以忽略不计，但是烧气的话，燃气的体积在进气总体积中占有较大的比例，因此燃气发动机进入汽缸的空气量减少。

 

燃气发动机的燃烧温度高于常规的发动机。

 

点火不一样。

 

由于燃气发动机运行温度高于常规发动机，再加上常规的发动机用燃油，油的小液滴本身具有一定的润滑作用，但是燃气发动机的燃料是以气态进入汽缸，气体不具备油的润滑作用，因此阀门、阀座容易磨损。因此在制造时，燃气发动机的阀门和阀座材料和尺寸与常规发动机有所不同。

 

二、燃气发动机的优缺点：

 

1、燃气发动机的优点：

 

与常规的汽油、柴油发动机相比，燃气发动机的优点主要是排放较低，因此对环境危害较小，主要表现在以下几个方面：

 

氮氧化物（NOx）排放低于烧油的发动机，减少大气污染。

 

二氧化碳的排放量更低。

 

颗粒物（PM）排放量很低。

 

烧气，比较经济。

 

2、燃气发动机的缺点：

 

与同等大小的燃油发动机相比，动力输出相对较低。

 

需要加压储存。

 

三、天然气发动机的润滑： 

 

天然气发动机可用于车用领域和工业领域，车用领域例如使用压缩天然气的汽车，现在很多公交车都用上了天然气。工业领域如燃气发电机、工业发动机等，许多工业燃气发动机用于偏远地区，因此保证燃气发动机运行稳定很重要，而机油被誉为“发动机的血液”，对发动机的正常运行、减少发动机的磨损和故障有着重要意义。

 

由于天然气发动机工况和常规燃油发动机有所区别，因此应使用天然气发动机专用机油。选择天然气发动机机油时，首先要根据发动机类型（二冲程还是四冲程），选择适用于发动机类型的机油。选择天然气发动机专用机油时，首先应根据发动机的要求，选择粘度等级合适的机油。

 

四、为什么天然气发动机要使用专用机油：

 

1、高温：

 

高温是所有润滑油氧化变质的主因之一，而天然气发动机的燃烧温度高于燃油发动机。天然气发动机中起到燃料作用的就是甲烷，燃烧时的温度高于汽油和柴油。由于是气体，天然气不能像汽油、柴油燃料那样靠液体蒸发降温能起到冷却作用，再加上前面提到的，天然气发动机在燃烧过程中也没有过量的空气来冷却燃烧气，因此天然气发动机工作温度高，在高温下很容易引起机油氧化，而氧化会使机油变质。

 

2、硝化：

 

由于天然气发动机的燃烧温度较高，而高温会显著增加氮氧化物NOx的生成率，因此天然气发动机产生的氮化物多于常规燃油发动机，氮化物会引起机油发生硝化，因此天然气发动机的机油必须从配方成分上专门针对高温、高氮化物的状况进行调配，否则高温下机油氧化加速，产生油泥等胶状难溶物，使机油很快变质。硝化也会使机油变质，产生油泥等难溶物。机油氧化、硝化形成的难溶物会进一步加速机油变质，在活塞上形成粘附物，堵塞机油滤芯，严重的情况下会造成活塞环和汽缸磨损。

 

3、灰分：

 

使用燃油的常规发动机可以通过燃油液滴对气门和气门座进行润滑，而燃气发动机由于烧气，气体不像油一样可以具有一定的润滑作用，天然气发动机的气门和气门座通过机油产生的灰分进行润滑。但是，灰分也不是越多越好，天然气发动机油的灰分要适中。沉积在气门与气门座上的灰分可润滑气门，如果灰分过低，气门磨损加剧。但是灰分太高，会导致发动机早期点火、火花塞污染、气门熔损、燃烧室及活塞沉积物增加、气缸套及活塞环磨损。天然气发动机多久需要大修，取决于气门特别是排气门的磨损程度，因此，选择合适灰分的机油对天然气发动机很重要。

 

天然气发动机油灰分等级划分：

 

 

 

类别

 

硫酸灰分 (重量百分比%)

 

总碱值TBN (mg KOH/g)

 

无灰分

 

< 0.1

 

1 - 3

 

低灰分

 

0.1 - 0.5

 

3 - 6

 

中灰分

 

0.6 - 1.4

 

6 -12

 

高灰分

 

> 1.4

 

13

 

 

 

鉴于天然气发动机油使用的温度高、面临的氮化物含量高，氧化和硝化程度高于普通发动机油，再加上燃气发动机对机油灰分的要求也不同于燃油发动机，因此要求专门针对天然气发动机，使用专用的机油，来满足天然气发动机的要求。

 

五、天然气发动机机油的分类：

 

关于天然气发动机润滑油，目前还缺乏一个普遍的通用标准，因此对天然气发动机油的性能，还缺乏标准的测定方法。燃气发动机厂家会对机油的性能提出一些要求，然后通过实际的使用，在发动机上对机油的性能进行检测并给出认证。不过，SAE（美国汽车工程师学会）和ASTM以及一些知名发动机制造商、机油制造商已经开始合作，提出把天然气发动机油分成了下面几类：

 

NG1：平级燃烧固定式天然气发动机油

 

NG2：稀薄燃烧固定式天然气机油

 

NG3：移动式天然气发动机油（即车用天然气发动机）

 

六、天然气发动机油的性能：

 

1、天然气发动机油的性能要求：

 

天然气发动机油在性能上要考虑以下方面：

 

抗氧化、抗硝化性能好，具有较长使用寿命，减少换油次数

 

合适的粘度

 

对气门能起到润滑抗磨作用

 

燃烧室沉积物生成少

 

防止火花塞堵塞

 

避免在活塞上形成沉积物和粘附物

 

良好的抗磨保护

 

灰分适中

 

高温下基础油的蒸发度低

 

良好的低温冷启动保护

 

良好的清净分散性，保持发动机内部清洁

 

粘度指数高，剪切稳定性好

 

2、添加剂与灰分：

 

天然气发动机油的成分是基础油和一些添加剂，在调配添加剂时，要注意灰分要适中，灰分对预防火花塞堵塞、燃烧室的沉积物控制都很重要。灰分含量要适中，机油的清净分散剂种类也要选择合理。天然气发动机机油的灰分主要来自于清净分散剂里的钙盐，还有抗磨剂。在选择清净分散剂时，一般不用镁盐清净剂，在选择抗磨剂时，应选用抗硝化的抗磨剂。

 

3、合适的粘度：

 

所有的润滑油在使用中都要选择一个合适的粘度，粘度过大过小都会造成不良后果。机油的粘度等级由SAE制定，即SAE粘度等级。发动机所需的机油粘度要适中，由发动机的负载、速度和轴承结构决定，在发动机设计时就制定了合适的机油粘度等级，用户应根据天然气发动机的说明书选择合适的粘度等级。

 

机油在使用中应具备合适的粘度，但问题是油的粘度会随温度变化，就像食用油一样，低温时变粘稠（粘度增大）甚至停止流动，高温变得稀薄（粘度降低）。同样的，机油在温度变化中粘度会发生改变：刚启动时，尤其是冬天，机油应具有良好的流动性，避免变得过于粘稠。发动机运行后处于高温下，要求机油粘度不因高温而过小，这就要求机油使用的基础油本身粘度指数高（没有使用添加剂时的基础油粘度指数），使用的粘度指数改进剂具有良好的剪切稳定性。

 

4、天然气发动机油的碱值：

 

机油的作用之一就是对燃烧过程中产生的酸性物质起到中和作用，避免酸性物质腐蚀发动机。燃油或者天然气中含硫，在燃烧过程中会产生酸性物质。机油对酸性物质的中和能力称为碱值（BN），单位是mg KOH/g。机油的碱值主要来源于机油里的清净分散剂，一般情况下，天然气发动机油的碱值在5~8mg KOH/g之间。天然气的含硫量和卤化物杂质含量会影响天然气的酸性，因此天然气发动机油需要的总碱值、以及碱值的消耗速率与天然气的含硫量相关。

 

七、天然气发动机油的氧化和硝化：

 

前面提到过，由于天然气发动机运行温度高于普通发动机，因此带来更严重的机油氧化和硝化问题。

 

氧化和硝化对机油的影响：

 

造成机油粘度增大，影响机油的流动性和润滑作用，使机油变质。

 

硝化也会造成机油变质，还会造成腐蚀性磨损。

 

形成油泥，在发动机部件表面形成一层坚硬、粘附性的漆膜。

 

氧化和硝化形成的油泥和胶状难溶物堵塞滤芯。

 

为了具有良好的抗氧化、抗硝化性能，天然气发动机的机油应使用优质基础油，再加上优质的抗氧化剂。加入的抗氧化剂不应增加天然气发动机油的灰分含量。

 

八、天然气发动机油的换油时间：

 

虽然厂家会给出机油的换油周期，但是实际使用的条件会导致换油周期不同。最准确的办法是通过油液检测，当发现油质开始劣化时，及时换油。

 

在使用中，燃料的质量和发动机运行的状况会影响机油的变质速度。例如，天然气的质量较差，含硫量高，冷却水泄露混入机油里，使用劣质空滤和油滤，发动机经常在高负荷下运转，都会加速机油氧化变质，缩短机油的使用时间。这些情况，机油就要换得勤一些，有些情况还必须立即换油，例如冷却水漏入机油里。

 

对于较大的天然气发动机组，最好通过油液检测来指导换油。油液检测不但能检测油质，还能监控机组的异常，是预防天然气发动机组故障的有效手段。发动机制造商会给出机油的换油指标，一般来说，天然气发动机油的换油指标如下：

 

 

 

天然气发动机油换油指标

 

项目

 

警戒值

 

运动粘度（KV） 

at 100 °C

 

比新油时增加超过25%

 

BN

 

减少量＞50%

 

氧化

 

FTIR检测达到25 abs/cm

 

硝化

 

FTIR检测达到25 abs/cm 

 

总不溶物

 

不得超过1.5% （重量比）

 

金属磨粒浓度最大值

 

150 ppm

 

铁

 

90 ppm

 

铜

 

40 ppm

 

铝

 

40 ppm

 

铅

 

40 ppm

 

铬

 

50 ppm

 

硅

 

40 ppm