燃气发动机技术发展及润滑需求分析

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The Development of Gas Engine and Analysis of Requirementsfor Gas Engine LubricantLiu Hong(SINOPEC Lubricant Company，Beijing 100085，China)Abstract：With the increasing use of gas fuel resource specially natural gas at domestic and abroad，the gas enginefueled by natural gas，liquefied petroleum gas(LPG)and biogas is more widely used than ever.The technology of gasengine has been constantly improved and promoted.Compared with tradition gasoline and diesel engine，the gas enginefueled by the different fuel has different ignition mode，combustion state，and the lubrication requirements are alsodifferent.In oil market，the major lubricant company with OEM demand provides special gas engine lubricant suitable fordifferent gas engine and diferent application situtation.The domestic and abroad gas engine market situation，developmentstatus and performance features of gas engine oils were discussed。

Keywords：gas fuel；gas engine；lubricant世界上最早使用的内燃机是 1860年法国人莱诺尔 (Lenoir)仿蒸汽机制成了第-台以煤气作燃料的燃气发动机，德国人奥托于1876年发明了按等容燃烧的四冲程煤气机，使燃气发动机真正走向了实用阶段 。然而由于燃气发动机热效率较汽油和柴油发动机低、气体燃料储运困难等因素，燃气发动机始终没有柴油机和汽油机使用广泛。

进入21世纪，随着国际环保法规的日益严格，加上石油资源短缺造成能源危机的出现，各国纷纷开发替代燃料，以天然气为代表的气体燃料凭借其燃烧后优异的环保排放性能、高效能的热力学性能以及较为丰富的储量得到越来越广泛的应用，发动机制造商不断推出各种类型燃气发动机，并在汽车及工业领域得以快速发展。发达国家因起步早，且借助成熟的柴油机和汽油机技术，燃气发动机技术得到飞速发展。

收稿日期：2013-01-15作者简介：刘红 (1968-)，女，高级工程师，主要从事润滑油的科研技术管理.E-mail：liuh.hbe###sinopec.COrn。

美国的康明斯公司、卡特彼勒、瓦克夏、底特律公司，法国瓦西兰公司，德国道依茨 (Deut z)、MAN公司，奥地利延巴赫公司，瑞士苏尔寿公司等世界著名的发动机制造公司，均投入人力、物力，研究和生产燃气发动机，技术水平也已达到相当完善的程度。

我国天然气汽车发展始于20世纪50年代，到8O年代中、后期燃气发动机技术的开发及应用步伐开始加快，国内发动机公司易纷开发了燃气发动机技术，目前包括上柴、潍柴在内的 18家企业都开发了自己的燃气发动机技术，并得到实际工业应用，相关发动机型号近百种。有资料显示：2010年上柴为代表的国内天然气发动机已经占到国内卡车、客车天然气动力90%市场份额，并大量出口东南亚、南亚乃至欧美市常尽管燃气发动大多数是在原有的汽/柴发动机基础上进行的改进，但由于燃料的不同造成发动机点火方式以及燃烧状态的不同，对润滑的要求也不相同，需要专用润滑产品。

106 润滑与密封 第 38卷1 燃气发动机燃气发动机按其使用诚的不同，通常分为移动式 (车用)燃气发动机及固定式燃气发动机。固定式燃气设备主要是用于能源的采集和输送、热电联产、商业发电等领域，同时为适应不同的气体燃料，相应的气体发动机技术发展各不相同。

1.1 燃料类型作为燃气发动机的燃料气体-般包括天然气、油田气、煤田气、焦炉煤气、水煤气、沼气、液化石油气等。目前气体燃料中最常用的是天然气。

1.1.1 天然气天然气是储集在地下岩石孔隙和裂缝中的气体，主要成分是甲烷，约占98%，其次是乙烷、-氧化碳和氢气，有着较高的热值，在车用燃料中占有80%以上的份额。

统计数据显示 ，2011年世界上已经探明的天然气储量为 188万亿立方米，2010年，国际天然气年总产量突破3万亿立方米，而我国近年来天然气产量也持续增长，2011年产量首次突破 1 000亿立方米，达到 1 011.8亿立方米。与石油相比天然气更加便宜，如果以等热值换算，当天然气价格在 1美百万英热单位时，-桶石油的价格应该是5.8美元。而现在在北美等市场，天然气与石油的价格比低到了1：30。同时，天然气相比于石油更加清洁，使用天然气燃料的轻型车辆比传统的燃油车辆能减少30%的温室气体排放，中型和重型车辆的温室气体排放则会减少23%。除了温室气体排放，天然气的污染也小于石油。-般来说，压缩天然气 (CNG)汽车尾气中的碳氧化物含量比汽油汽车要少 97%，固体颗粒物少99%，也不会产生汽油残余。

1.1.2 液化石油气液化石油气 (LPG)是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯。LPG是炼厂气和天然气经加压、降温液化得到的无色、挥发性气体，具有辛烷值高、抗爆性能好、热值高、储运压力低等优点。为防止漏气，通常在液化气中用乙硫醇加入剂加臭。在常温常压下LPG为气态，只需稍加压或冷却就能变成液体。LPG几乎所有成分均可燃烧，无粉尘灰渣，是-种清洁能源。其发热量高，热值为46～50 kJ/g，是普通煤气的6倍；在 12℃具有较高的辛烷值，-般被用作轻型车的燃料。

1.1.3 沼气沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。是各种有机物质，在隔绝空气 (还原条件)，并在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的-种可燃烧气体。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷占所产生的各种气体 的60% ～70%，二氧化碳 占30%～40%，沼气中还含有少量的硫化氢、氮、氧、氢等气体，约占总含量的 5%Eli。沼气的发热量为20.8～23.6 kJ/em 。与天然气相比，沼气中的腐蚀性s(硫化氢)含量更高。

1.2 车用燃气发动机据不完全统计，截止到2010年底使用中的天然气汽车大概有 1 270万辆，而我国天然气汽车也在迅猛发展，保有量从2000年的不足 1万辆发展到2010年底已经突破 100万辆，十年实现百万辆发展，天然气汽车年产值已经超过 150亿元。而据天然气汽车全球联合预测：到2020年，全球天然气汽车的总数将达到6 500万辆。从发展速度上看以天然气为燃料的发动机将是未来燃气汽车最重要的中坚。

1.2.1 CNG/LNG汽车发动机汽车使用的天然气按其形态不同可分为2种：压缩天然气 (Compresed natural gas，CNG)和液化天然气 (Liquefied natural gas，LND)。CNG是天然气经过加压 (超过24.8 MPa)后以气态储存在容器中，供汽车使用；LNG是天然气经深度冷冻冷却到- 162 oC以后液化而成，以液罐的形式在车上储存。

因此从本质而言，LNG及 CNG发动机均为天然气发动机，没有太大的区别。

天然气发动机在历经几代产品的发展演变之后，燃料供给系统从机械式混合器发展到电子控制喷射系统；电喷系统由单点开环控制发展到闭环多点喷射控制系统；喷射方式从缸外预混合发展到复合供气、缸内直接喷射；燃料的使用也从双燃料发展到单-燃料 。目前绝大多数天然气汽车均采用单-燃料发动机，以充分发挥天然气燃料的优势，获得良好的动力性、经济性和排放性能。

LNG与 CNG相比更具发展优势。首先其液化后的体积只有液化前的 1/600，为CNG的2/5，便于经济可靠的远程运输和应用，汽车-次充气的行驶里程较CNG远得多；同时由于LNG便于运输，加注站的建设不受天然气管道网的制约。其次 LNG在液化过程中非烃类组分如 S、N的含氧化合物均已经被除去，因此其组成更稳定，热力学性能、安全性能方面较CNG、LPG更优，是世界上公认的理想的高能绿色能源↑两年随着天然气的液化和储存技术发展，LNG工业得到持续高速的发展，年增长率20%以上。

目前许多燃气发动机制造商采用 LNG气源，尤其在当今，油价居高不下，给车主尤其是从事运输行业的车辆带来巨大的压力。据测算：-台265 kW 的重卡2013年第7期 刘 红：燃气发动机技术发展及润滑需求分析 1oJ7- 年行驶10万公里，用LNG比用柴油每辆车每年可节约10万元燃料费，而-辆原装 LNG重卡的价格比普通柴油重卡的价格仅高约10万元，即使用 LNG燃料的重卡-年就可收回高出柴油重卡的成本，之后燃料成本将节省40%。因此，近两年 LNG发动机在重型卡车上的应用得到迅猛发展，重汽、陕汽等众多重卡生产企业纷纷推出LNG燃气重卡，并取得市场的认可。

1.2.2 LPG发动机LPG燃料主要用于轻型车上，LPG以其良好的经济性和较低的排放污染物，在中、小型公交客车及出租车行业得到了广泛应用，LPG燃料车-种为普通汽车改装的双燃料汽车，另-种是专用气体燃料汽车。

其中双燃料汽车保留汽油、柴油的供油系统，外加-套供气系统，技术较为成熟，国内多个城市的出租车为LPG双燃料发动机轿车。

相对于传统汽油机来说，LPG发动机普遍存在充气效率低、动力性下降的问题。世界各国纷纷就如何提高LPG汽车的动力性开展了大量研究工作，主要是改进 LPG发动机的供气方式。常见 LPG汽车发动机的供气方式是先将LPG减压气化，在喷入进气阀前与空气混合后进入气缸。在进气过程中，气态LPG挤占空气，造成充气效率下降，发动机动力性下降。为提高LPG发动机的充气效率，荷兰Viale公司在国际上最先研发出液态 LPG喷射系统，可获得与汽油机相当的输出功率、扭矩和燃料消耗。同为进-步提高效率，近几年缸内直接喷射技术也被应用于 LPG发动机上，液态 LPG缸内直接喷射燃料供给方式兼收并蓄了柴油机的优点，充气效率得到了较大的提升。

1.3 固定式燃气发动机固定式燃气发动机是以燃气为燃料的往复式内燃机，主要用作配套发电机组、动力运输及发电的热电联产系统。通过燃烧天然气、煤层气以及沼气等燃料，减少煤、石油等-次性能源的使用，在能源开采、能源运输、市政工程、发电系统等领域应用越来越广泛。除了天然气外，沼气也是近些年应用较为广泛的-种固定式燃气发动的燃料。

1.3.1 固定式天然气发动机包括四冲程和二冲程2种类型。二冲程发动机-般是与往复式压缩机连成-体的燃气发动机，气体燃烧产生的能量转换成驱动压缩机曲轴转动的动力。

如前所述，我国天然气工业已经进入了快速发展的时代。天然气的使用量逐年增加，用于气体的采集和输送等领域的大型固定式天然气发动机设备应用也越来越广泛。与车用天然气发动机相比，大型固定式天然气发动机的负荷高，运转周期长，-般在几千个小时以上，加之无人作业，所以对发动机的可靠性要求更 。同时固定式燃气发动机所用的天然气燃料没有经过处理，气源成分较为复杂，部分气田含有酸性气体--腐蚀性 s(硫化氢气体)，需要考虑对发动机的腐蚀性。

1.3.2 沼气发动机利用沼气燃烧进行发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的-项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是-种分布广泛且价廉的分布式能源。

沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。国外对沼气发电的研究始于20世纪6O年代，沼气发电的核心装置的沼气发动机相关技术亦已比较成熟 ，全球著名的GE公司下属的颜巴赫、瓦克夏等沼气发电机已经在世界范内得到广泛应用。我国也已在 十五”期间研制出2O-600 kW纯燃沼气发电机组系列产品。如今，除西藏区以外，我国内地其他所有省市区均建设了大中型沼气发电项目，此外还有许多农村小型沼气发电项目。

双燃料发动机是由传统柴油机、汽油机改装而成，在产气量较少的地方也具有较好的实用性 (如农村小沼气工程)。纯沼气发动机，适合在大、中型沼气工程中使用，由电火花将沼气和空气混合气点燃，其基本构造和点火装置与汽车发动机相同。纯沼气发动机- 般存在燃烧速度慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等问题，为了加快混合气的燃烧速率，可以通过提高压缩比，加强混合气的气流扰动，提高点火能量等措施来实现 。

2 燃气发动机油燃气的性质不同于汽油和柴油，燃气发动机的工况和结构方面尧生了很多改变，传统的发动机油不再适合燃气发动机的润滑要求，需要专门的燃气发动机油。

2.1 燃气发动机对润滑的影响燃气发动机与普通的汽、柴油发动机相比具有自身的特点：-是 LPG、CNG等气体燃料燃烧产生的热值要比汽油大，燃烧室温度高于使用汽柴油，促使润滑油过快老化，造成润滑失效和部件早期磨损；二是汽、柴油是以小液滴的形态喷人汽缸，对阀门、阀座起到润滑、冷却的作用，而燃气发动机燃料为气体，使得发动机阀座及部件干涩无润滑，极易产生过2013年第7期 刘 红：燃气发动机技术发展及润滑需求分析 109户延长换油期的需求开发了长寿命 CNG/LNG压缩天 油期达到了3万公里的要求。

然气发动机油产品，经过实际行车试验验证，产品换表 1 康明斯 CNG压缩天然气发动机油规格标准Table 1 Cummins CES 20074 Specification对于 LPG燃气发动机油，-些汽车及发动机制造商，如FORD公司要求通过实际的行车试验来验证油品最终是否满足其性能要求。同时由于LPG燃气发动机多为轻型车用发动机，大多是在汽油发动机基础上改造而成，而且对于大部分出租车-般采用汽油/LPG双燃料，因此油品在满足燃气发动机油性能的同时还需要兼顾满足汽油机油性能。

2.3.2 固定式燃气发 动机 油固定式燃气发动机油-般按照油品的灰分进行分类，以满足不同发动机OEM的需求。如表2所示。

表2 固定式燃气发动机油分类Table 2 Classification of fixed gas engine oils表3示出了部分发动机制造商对油品灰分的要求。

表3 部分发动机制造商对油品灰分的要求Table 3 The demand of some OEM for oil sulfate ashcontent二冲程发动机多选用无灰型产品，而低灰型产品被更多的四冲程发动机 OEM所选用，在实际选用过程中还应充分考虑润滑环境。高灰型产品大多用于沼气等特殊气体发动机上，这是由于沼气的主要成分除甲烷外含有大量的CO ，进入发动机的沼气燃料由于110 润滑与密封 第38卷冷却而含有饱和水蒸汽，沼气燃料中的CO，溶解于水可形成有-定腐蚀性的碳酸；同时沼气燃料中的H，s本身具有腐蚀性，在水、氧存在的情况下可形成硫酸而腐蚀有色金属；沼气燃料中含有的少量卤素碳氢化合物也具有强的腐蚀性。因此与天然气相比沼气更具腐蚀性，要求油品有更高的硫酸盐灰分与碱值，以中和沼气燃烧过程产生的酸性物质。

由于固定式燃气发动机油尚无国际统-的规格，大多数油公司大都结合OEM的要求，研制固定式发动机油产品，并取得 OEM的认可 ，成为其设备 的指定用油。表4中列出了市场上常见的固定式燃气发动机油产品典型数据。

表4 固定式燃气发动机油产品典型数据Table 4 Fixed gas engine oil data3 结束语市场不断推高的油价加上刻不容缓的环保需求，使得燃气发动机正迎来-个前所未有的发展机遇，国内LNG/CNG重卡及公交客车增速迅猛，同时随着西气东输工程的全面实施，固定式燃气发动机也进入了快速发展时代。相比汽、柴油发动机，燃气发动机的对润滑有着特殊的要求，平衡的灰分是最关键的性能。美孚、壳牌等多数国际油公司都结合OEM的要求推出了自己的燃气发动机油产品，国内以长城为代表的国产润滑油企业易纷开发了相应的产品，获得OEM的认可并占据了-定的市场份额。