轻组分燃料润滑性需求及对策研究

李进，刘多强，朱志谦，李召良，张亮，王美川

(空军油料研究所，北京 100076)

轻组分燃料润滑性需求及对策研究

李进，刘多强，朱志谦，李召良，张亮，王美川

(空军油料研究所，北京 100076)

由于现今技术工艺对发动机结构优化设计和材质的潜力有限以及环保清洁燃料规格的严格要求，使得燃油泵的润滑越来越依赖燃料自身的润滑性能，因此为了减少燃油泵的磨损，世界各国都开始重视研究燃料的润滑性能。文章介绍了汽油、柴油和喷气燃料及单一燃料对润滑性能的要求及其试验方法，详细概述了国内外汽油、喷气燃料、柴油和单一燃料等规格对润滑性能指标的要求，添加抗磨剂是提高燃料润滑性最有效的方法，研究低酸值直链脂肪酸衍生物柴油抗磨剂和寻找喷气燃料替代抗磨剂是未来发展的主要方向。

汽油；喷气燃料；柴油；单一燃料；润滑改进剂；抗磨剂

0 引言

20世纪80年代，很少出现燃料润滑性差的报道，但随着燃料精制的加深以及节能减排的要求，出现了低硫燃料，燃料润滑性问题就受到人们更多的关注，如美军的战场单一燃料在地面装备上使用时导致大面积油泵失效[1-2]，瑞典、加拿大等国冬季柴油磨损严重[3-4]，先是泵的黏着磨损，随后泵的性能迅速下降到无法使用的程度。近年来，为了满足日益严格的排放要求，发动机设计不断改进，电控高压共轨、EGR(废气再循环)等技术的应用，柴油机气缸内喷射柴油雾化、燃烧状况得到改善的同时，燃油喷射系统工作压力也不断提高，由于发动机燃油供给系统只能依靠燃油自身来润滑，这就对燃料的润滑性提出了更高的要求。

1 燃料润滑性需求

1.1 汽油

90年代初期，汽油润滑性还处于研究的空白，与其他燃料相比，汽油馏分最轻、黏度小，也是润滑性最差的液体燃料。汽油组分含天然抗磨物质极低，基本上只能靠本体组分对燃料供油系统进行润滑，而且新配方汽油中更含有一定量的亲水性含氧添加剂。1995年，Wei和Spikes对高频往复试验机进行了改进，发展了测定汽油磨损的试验方法，较系统地考察了欧洲当时市售汽油的润滑水平，较全面地研究了在弹流和边界润滑条件下汽油的润滑性能。韦淡平[5-6]采用HFRR试验机研究了汽油的磨损机理，提出了汽油磨损公式从理论上计算出汽油的磨损情况，黏着磨损和金属转移仍是汽油磨损的主要形式。

近年来，汽油从无铅化到清洁化的历程见证了世界对于环保的呼声愈发强烈，各国纷纷制定了越来越苛刻的汽油质量标准，尾气排放要达标，新配方汽油的组成及杂质含量等都受到新法规的制约，芳烃和烯烃含量降低，要防止喷气燃料和柴油的严重事故重演，汽油的润滑性研究显得尤为紧迫。21世纪初已有使用清洁汽油磨损问题的迹象，但大规模的汽油泵因汽油润滑性不够导致工作失效尚未出现。国际上欧美等国对车用汽油的润滑性并未明确作出规定，如美国SAE推荐车用汽油标准SAE J312-98和俄罗斯车用汽油国家标准ΓΟСТ 2084-77对燃料润滑性不作要求，日本车用汽油标准规格JIS K 2202:2012对燃料润滑性无要求[7]；国内GB 17930-2011《车用汽油》标准规格对于燃料润滑性并无界定，GB 18351-2004《车用乙醇汽油》、GB/T 22030-2008《车用乙醇汽油调合组分油》和GB/T 23799-2009《车用甲醇汽油(M85)》对润滑性均未作要求。

1.2 喷气燃料

目前在世界航空领域，以美英和北大西洋公约组织为代表的欧美等国普遍具有不同的军用和民用航空涡轮发动机燃料产品标准和质量规范，国内外民用喷气燃料主要采用GB 6537、DEF STAN91-91、ASTM D1655、AFQRJOS等四个标准进行质量控制。民用航空领域方面，国际上普遍应用符合英国国防部标准DEF STAN91-91系列和美国材料与试验协会标准ASTM D1655为代表的JetA-1标准。英国国防部标准、国际航运协会标准均采用ASTM D5001《球柱润滑性评定仪测定航空涡轮燃料润滑性的标准试验方法(Ball on Cylinder Lubricity Evaluator，简称BOCLE法)》(简称球柱法)评定燃料的润滑性。该方法通过测量磨斑直径WSD值来表示喷气燃料的润滑性，英军规定WSD小于0.85 mm，美国军用标准规定WSD小于0.65 mm。事实上现代飞机某些燃料系统部件已经按照即将使用润滑性较差的燃料来设计并制造，在国际航空界的参与下[8]，SAEAE-5B小组对飞机发动机燃料泵的低润滑性容忍试验的方法ARP1797进行了修订，目前采用规定方法ASTM D5001对航空燃料基础馏分进行测量时磨痕直径应该在0.85～0.96 mm，为了改善燃料润滑性，通常炼油厂商和作战装备制造商会建议美军在航空涡轮燃料中加入适量的腐蚀抑制/润滑改进剂。

我国与之等效的方法是SH/T 0687《航空涡轮燃料润滑性测定法(球柱润滑性评定仪法)》。我国高闪点喷气燃料对润滑性没有提出要求。我国以往生产的喷气燃料鉴于当时评价方法欠缺也无此项要求。旧版3号喷气燃料产品标准GB 6537-94是参照ASTM D1665-92C制定的，新发布的3号喷气燃料国家标准(GB 6537-2006)中对于燃料润滑性有了明确要求，军用3号喷气燃料磨痕直径WSD值不大于0.65 mm，民用3号喷气燃料WSD值不大于0.85 mm。

此外，ASTM D1655标准中对合成石蜡基煤油(SPK)调合燃料的规格作出了明确规定：由费-托(F-T)工艺合成的100%石蜡基煤油规格和包含FT-SPK任意调合比例(体积不超过50%)成品燃料的规格、由100%源自加氢处理的动物脂肪植物油脂或藻类油的甘油三酯的成品HEFA-SPK和包含HEFA-SPK任意调合数量(体积不超过50%)成品调合燃料的规格均属于强制性执行规格，并且调合燃料的润滑性仍执行相应航空燃料规格，即调合燃料润滑性要求磨斑直径WSD小于0.65 mm。而我国喷气燃料调合组分还未建立相应标准规格。见表1。

表1 国内外喷气燃料标准规范对润滑性要求

1.3 柴油

柴油喷油泵的故障主要有磨损、被污染和喷油泵卡死，低润滑性的燃料可缩短喷油泵的使用寿命，但温度骤变会导致喷油泵在瞬间卡死，而灰尘、尘埃等杂质也会增加喷油泵的磨损。我军柴油机大部分使用柱塞式喷油泵，柱塞泵内部摩擦副如凸轮-挺柱、调速器等均采用内燃机油润滑，柱塞和柱塞套是一对精密偶件，其径向间隙为0.002～0.003 mm，一旦磨损就会导致燃料泄漏影响发动机正常工作；而美军地面装备发动机的喷油泵半数以上采用转子式分配喷油泵，完全采用燃料自身润滑，转子式分配泵在往复运动的同时做旋转运动，工作频率比柱塞泵高，因而转子式分配泵比柱塞泵更易发生磨损，对燃料的润滑性要求更高。

国际上广泛采用高频往复试验机(High Frequency Reciprocating Rig，简称HFRR法)按照ISO 12156-1：97《用高频往复试验机评定柴油的润滑性第一部分：试验方法》方法来测量柴油的润滑性，我国等效采用SH/T 0765-2005《柴油润滑性评定法(高频往复试验机法)》方法。国际标准化组织(ISO)分管柴油工作组曾建议把HFRR磨斑直径460 μm作为柴油抗磨性把关指标[9]，而燃料油泵系统制造商和燃料供应商及添加剂供应商所提出的指标是400～430 μm和500 μm。美国石油学会(API)把BOCLE抗擦伤负荷2200 g作为把关指标，发动机制造商(EM)采用3300 g为临界值，而政府管理机构推荐指标为二者折中值3000 g。多数专家认为燃料的磨损负荷值(SLBOCLE)低于2000 g，可能无法保护燃油泵喷射器件的过度磨损，燃料的磨损负荷值在3100 g以上时，应能对所有情形提供有效的润滑保护；此外，如果采用HFRR(60)作为燃料润滑性指标，磨痕直径达到600 μm以上时可能无法防止装备过度磨损，磨斑直径在450 μm以下时对所有情形都能提供有效的润滑抗磨[10]。俄罗斯柴油规范ГОСТ 305-82和中低速柴油发动机燃料规范ГОСТ 1667-68因硫含量相对比较宽泛而对润滑性指标未作任何要求。

我国军用柴油规范GJB 3075和普通柴油规范GB 252一直没有润滑性指标要求；参照欧盟车用柴油规范EN 590制定的我国车用柴油GB/T 19147-2013对润滑性指标要求磨痕直径不大于460 μm；国际船用馏分燃料规范为ISO 8217，我国等效标准规范为GB/T 17411，建议润滑性控制指标定为磨痕直径不大于520 μm。国内外柴油及馏分燃料对润滑性要求见表2。

表2 国内外柴油/馏分燃料标准规范对润滑性要求

1.4 单一燃料

单一燃料最早是由美军提出来的。二战期间，美军后勤补给中燃料补给占了大部分，陆军和空军主要使用两种燃料，绝大多数地面部队使用车用汽油，空军只使用航空汽油，而这两种燃料具有强挥发性，非常危险。美国陆军沃尔研究开发工程中心把计划和完成燃料标准化的论证研究列为重点项目[11]，将煤油型航空涡轮机燃料在飞机和所有使用柴油燃料的地面装备中应用，即采用“战场单一燃料”模式对装备进行补给。越战期间，美军主要使用JP-4、2号柴油(DF-2)和车用汽油，由于燃料要求专用的储存分发等设施使得后勤部队在进行油料保障时都遇到了困难[12]。美军于20世纪50年代研制的JP-5和JP-4，二者均具有较高的净热值。JP-4是石脑油和煤油按体积1∶1混合而成，属于宽馏分型燃料，曾经作为美军通用燃料的广泛燃料，闪点很低挥发性很强，用于低温环境场合；由于JP-4消耗量大且因其静电导致飞机报损率较高，海军决定用JP-5取代挥发性强的JP-4，JP-5是煤油中搀兑少量汽油，属于高闪点煤油型燃料，闪点60 ℃，阻燃性好，挥发性低，燃点较高，储存安全，用于舰载海基飞机，但低温性能比较差；60年代起，美国陆军开始了用喷气燃料JP-5作为柴油机燃料的可行性研究，在各种柴油发动机上进行试验考察[13-19]，此后在陆军条例AR-703-1中将JP-5列为柴油机的应急代用燃料[20]。纵观美军航空涡轮发动机燃料从JP-4、JP-5到JP-8的研究历程，单一燃料具备高密度、高体积热值、高质量热值、高闪点、挥发性低、良好的储存性能、优异的高温热安定性和良好的低温性能(黏度合适冰点低)以及较高的十六烷值等特点，目前单一燃料的难题主要是润滑性，如何降低燃油泵的磨损，延长发动机使用寿命。美军于1976年公布了JP-8的军标，认为JP-8燃料具有合适的运动黏度和十六烷值等性质，且很大一部分喷气燃料达到了DF-A和DF-2的要求，可以作为柴油的替代品使用[21]。

美军西南研究院报告指出，参与伊朗行动的人员发现，JP-5作为单一燃料在地面柴油机装备上使用时出现了柴油机转子式分配燃油泵和喷油器磨损率猛增的问题，20世纪90年代的“沙漠风暴/盾牌行动”中，美军地面装甲车也出现了大量使用JetA-1燃料后喷油泵磨损失效的情况，随后的调查证明，泵的磨损是由于先前部件设计缺陷引起的，其他相关原因包括灰尘和水污染、弹性圈失效、维护及更换不当等，几乎没有实例表明是由于燃料润滑性较差引起的；事实上在海湾战争中美军选用了与JP-8燃料作为战场单一燃料，但装甲发动机经常抛锚，基本上每运行1600～3200 km发动机就得修理，甚至在极端恶劣环境中，如高温粉尘较多的沙漠，地面作战装备的发动机经常大修，当时美军将这些问题归因于车辆和装备的超载，但事实上这是燃油泵在高温条件下使用低黏度的燃料引起的[22]。然而美军地面运输装备在使用JP-8时也遇到了问题，例如喷油泵加速磨损导致泵过早损坏，发动机性能变差，发动机停止后的再启动困难；美军曾经尝试通过提高燃料的低温黏度指标、采用重负荷泵更换燃油喷射泵或添加润滑性物质，但最后决定地面装备重新使用柴油；其实黏度对燃油润滑性有很大影响，黏度随着温度升高而降低，润滑性变差。

此外，美军地面装备大多采用回转式分配燃油喷射泵，在使用低黏度燃料时会增加泵漏油的可能性，燃烧室的供应量将减少，还导致热启动困难和空转等问题。海湾战争后期，美军就遇到了这些问题。通常美国GM公司发动机在高温下连续运转或使用不加腐蚀抑制剂和润滑改进剂的JetA-1燃料时也最易发生类似问题。20世纪90年代美国陆军贝尔沃尔研究开发工程中心对海湾战争中出现事故的喷油泵进行拆解并分析[2]，发现导致喷油泵故障的原因主要有磨损、颗粒污染和卡死，而低黏度或低润滑性的燃料不是引起油泵磨损失效的主要原因，燃料本身清洁度(氧化腐蚀颗粒或硬质碎片)和环境温度的变化都会使油泵突然卡死，此外油泵本身质量也可能存在问题；在使用DF-2柴油时，计量阀门各部件有磨损迹象；与DF-2柴油相比，使用低黏度的JetA-1与计量阀门的匹配性较低，极有可能会增加燃料的泄露。使用相同黏度、润滑性不同的燃料进行喷油泵磨损试验，结果发现在同等条件下，低润滑性燃料可缩短喷油泵的使用寿命，但燃油温度骤变会导致喷油泵在瞬间卡死，而灰尘、尘埃等杂质也会增加喷油泵磨损。

美军此前曾经评估了低硫燃料对战场军用便携式发动机燃料注射系统各部件的耐久性[23]，试验燃料为JP-8和DF-2柴油，同时考察运转模拟油泵台架试验200 h后低硫燃料对各部件的相对磨损情况。结果表明，低硫燃料的喷嘴开启压力降低至制造商的底线，而高硫燃料喷嘴开启压力略微低于厂家规格，雾化状态均良好；加注低硫燃料的燃油泵柱塞和传递阀门磨损相对较为明显。

伊拉克战争中地面装备使用JetA-1/JP-8航空燃料替代DF-2/VV-F-800柴油的研究报告[24]提及了将柴油发电机、多功能轮式汽车发动机和货运发动机等装备的旋转注射喷油泵进行拆解并分析，报告指出，多数喷油泵失效的原因是由于转子和传递泵的距离比较近，其他原因有灰尘、燃料水污染、橡胶密封环老化失效、计量阀门和叶片开裂等；低黏度燃料会降低在泵转子处形成的油膜强度，当然在常规条件下黏度对泵磨损影响不大，而且油泵对低黏度或低润滑燃料的适应性更与温度相关，在冷喷射泵中加入温度较高的燃料会加速泵的失效，如在清洗发动机时；此外，使用同样运动黏度、不同润滑性的燃料进行喷油泵磨损试验，发现在同等条件下，低润滑性的燃料可缩短喷油泵的使用寿命，但温度骤变会导致喷油泵在瞬间卡死，而灰尘、尘埃等杂质也会增加喷油泵的磨损，研究发现向燃料中添加高黏度的机油时并没有阻止泵的失效磨损。

我国于90年代初选用了3号喷气燃料在3台当时具有代表性的军用柴油机上进行了试验[25]，结果发现发动机动力性基本稳定、各磨损件的磨损量均在要求范围内，但3号喷气燃料对柴油机的耐久适应性还有待进一步检验。之后，国内于1998年成功研制的“海军多用途燃料”在舰艇柴油发动机、陆基飞机、舰载飞机及装甲车辆上通用[26]，但在使用过程中也出现了地面装备动力不足、柱塞泵磨损和舰艇舱室气味比较大等问题。

2 提高燃料润滑性对策

现今发动机工艺提高后其喷油压力相比上世纪90年代而言，增高的幅度很大而且还有继续增高的趋势，喷射过程的灵活性与复杂性增加，对燃料润滑性的要求和依赖性增强。为了减少发动机燃油泵偶件的磨损，可尝试通过重新调整柴油调合组分、改善燃料注射系统关键部件的金属金相结构和添加抗磨剂，最有效的措施还是加入具有高效抗磨效果的润滑剂。美军柴油机地面装备使用JetA-1燃料时燃油泵的磨损比较严重[23]，添加抗磨剂和改善燃料注射系统关键部件的金属金相结构有利于降低磨损，选择性能优异的寒冬器件能够减少泵磨损。此外，为减少燃油喷射泵的磨损，美军曾经提出以下方法[27-28]：加入12～15 mg/kg由二聚酸与磷酸酯组成的腐蚀抑制剂以防止柱塞泵出现严重磨损，但对地面装备转子分配泵的效果并不明显；后来向燃料中搀兑少量润滑油以提高其抗磨性能，润滑效果明显提高，但在预燃室和排气阀部位发现了大量沉积物，因润滑油黏度大且含有添加剂，燃烧性能差，容易导致燃料供油系统和发动机故障，不推荐使用；于是美军开始在JP-8中加入0.5%生物柴油，发现加氢精制的二代生物柴油能显著降低喷油泵的磨损，此法在提高燃料润滑性方面具有极大的应用潜力。国内外开发了很多柴油抗磨剂，大多为脂肪酸的各种衍生物，如脂肪酸酯、酰胺或盐等。酸型抗磨剂具有一定的酸性，与润滑油的相容性不好，会降低机油的清净分散性能，从而导致了堵塞过滤网，发动机磨损加剧；可通过加入额外的高碱值清净剂解决酸性添加剂的沉积问题，但这使得成本太高。此外，脂肪酸抗磨剂的酸性能够提高在金属表面的吸附性但易引起金属腐蚀，怎样降低脂肪酸抗磨剂的酸性又使其能够保持良好的吸附性已成为了现今研究的热点。

一些现代飞机的燃料系统设计，使它们可以使用低润滑性的燃料，而多数飞机燃料系统对润滑性非常敏感。在这种情况下，需要采取一些预防措施，通常采用润滑添加剂的方法改善喷气燃料的润滑性能。20世纪80年代我国研制了两种抗磨剂，一种是T1602抗磨剂(产品标准规格为SH/T 0766-2005)。按原有石油工业部科80012号《技术鉴定证明》要求，加入量为12～20 mg/kg时对喷气燃料的润滑性有较为明显的改善效果，该添加剂来源广，价格便宜，与其他添加剂配伍效果较好，目前使用比较普遍[29]。另一种是T1601抗磨防锈多功能添加剂。仿制Ethyl化学公司腐蚀抑制剂Hitec 515，性能与Hitec 515相当，添加量为5 μg/g就能有效防止金属锈蚀，加入15 mg/kg时胜利1号喷气燃料50 h油泵试验的磨损量低于大庆喷气燃料的试验磨损量[30]，但国外使用该剂时明确要求严格控制磷含量，以防止损害涡轮发动机叶片，无论是安全和成本方面都难以接受，当时西方航空公司并不欢迎推广该剂，后来因为环保问题，西方添加剂中不容许添加含磷物质，目前已淘汰使用。美军战场单一燃料JP-8规定为保证燃料的润滑性能，加入的腐蚀抑制/润滑改进剂多以二聚酸为主，加入量一般为9～22.5 mg/L。俄罗斯研制出两种抗磨剂ΠΜΑΜ-2和Κ型，其中由于ΠΜΑΜ-2抗磨剂效果较差已停用，目前主要使用K型[31]抗磨剂。国内环烷酸生产量逐年降低，且耗能高生产工艺污染较重，已经不能满足国内喷气燃料抗磨剂的需求，亟需寻找替代抗磨剂。

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Study on the Request of Lubricity of Light Distillate Fuel and Its Improving Measures

LI Jin, LIU Duo-qiang, ZHU Zhi-qian, LI Zhao-liang, ZHANG Liang, WANG Mei-chuan

(Air Force POL Research Institute, Beijing 100076, China)

Due to both the limited potential of the engine structure design and its materials and the strict regulations of clean fuel, the anti-wear performance of the injection pump is deeply dependent on fuel lubricity. In order to reduce the wear failure of fuel injection pump, all countries have begun to pay attention to the lubricity of fuel. In this paper, the requirements and methods of lubricity of fuels, including gasoline, diesel, jet fuel and single fuel, are briefly introduced. The relevant specifications about lubricity of fuels are described in detail, and the most effective method to promote lubricity of fuel is the addition of anti-wear agents. The main direction of development in future is the study of low-acid straight-chain fatty acid derivatives as anti-wear additives added in diesel and the substitution of lubricity enhancer in jet fuel.

gasoline; jet fuel; diesel; single fuel; lubricity improver; anti-wear additive

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.002

1002-3119(2017)02-0004-06

TE626.2

A

2016-06-28。

李进，博士，工程师，2016年毕业于后勤工程学院应用化学专业，现从事航空发动机润滑油及添加剂的研究，已公开发表论文三十余篇。 E-mail:13594313586@163.com