李凱,郭瓊心,張杰,王曉揚(yáng),陳立功

(瑞豐新材料股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453700)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,近些年來(lái)我國(guó)舷外機(jī)的需求量越來(lái)越大。舷外機(jī)除用于水上運(yùn)動(dòng)外,還可用于沿海運(yùn)輸業(yè)和娛樂(lè)業(yè),品牌以Mercury、Honda、Yamaha、Suzuki、Kawasaki為主。

舷外機(jī)分為二沖程和四沖程,其中二沖程舷外機(jī)燃料和機(jī)油需要以20∶1～150∶1的體積比混合后使用,二沖程舷外機(jī)的曲軸每旋轉(zhuǎn)一周對(duì)外做一次功,而四沖程舷外機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)兩周才對(duì)外做一次功,因此理論上其功率是四沖程舷外機(jī)的兩倍,具有重量輕、功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]。與此同時(shí),二沖程舷外機(jī)由于其獨(dú)特的做功方式不可避免的使得其具有燃料經(jīng)濟(jì)性差、廢氣排放量大的缺點(diǎn),隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,二沖程舷外機(jī)的應(yīng)用在某些地區(qū)受到了一定程度的限制。相對(duì)而言,四沖程舷外機(jī)廢氣排放量小,克服了二沖程舷外機(jī)的缺點(diǎn),特別是近些年來(lái)不斷完善的發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù),使得四沖程舷外機(jī)的故障率和生產(chǎn)成本都大幅度下降,因此四沖程舷外機(jī)有逐步取代二沖程舷外機(jī)的趨勢(shì)。

目前舷外機(jī)油普遍采用美國(guó)船舶制造商協(xié)會(huì)(National Marine Manufacturers Association,NMMA)的規(guī)格分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),該組織于1979年成立,其前身為船舶工業(yè)協(xié)會(huì)(Boating Industry Association,BIA),北美船用發(fā)動(dòng)機(jī)和配件制造商為其主要成員。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),NMMA成員生產(chǎn)了北美70%以上的舷外機(jī)油產(chǎn)品,因此在業(yè)內(nèi)極具權(quán)威性,其宗旨是加強(qiáng)和發(fā)展游艇業(yè),保護(hù)成員和客戶(hù)的利益。

1 二沖程舷外機(jī)油

1.1 規(guī)格發(fā)展現(xiàn)狀

早在1962年,BIA就制定了適用于二沖程舷外機(jī)的水冷二沖程汽油機(jī)油TC-W(Two-Stroke Cycle Water-Cooled)規(guī)格,其相當(dāng)于日本汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)組織JASO制定的FD規(guī)格,但隨著二沖程舷外機(jī)的不斷發(fā)展,原有規(guī)格的舷外機(jī)油已不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的工況要求,于是NMMA于1988年提出了TC-W2規(guī)格[2-3],該規(guī)格進(jìn)一步完善了臺(tái)架測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試,比較接近當(dāng)時(shí)二沖程舷外機(jī)的實(shí)際工況,因此該規(guī)格沿用了幾年。

20世紀(jì)90年代后,二沖程舷外機(jī)步入了高速發(fā)展期,各種新機(jī)型如雨后春筍般層出不窮,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、燃料經(jīng)濟(jì)性的提高導(dǎo)致二沖程舷外機(jī)呈現(xiàn)出功率大型化的發(fā)展趨勢(shì),這使得原有TC-W2規(guī)格的舷外機(jī)油經(jīng)常出現(xiàn)黏環(huán)、啟動(dòng)功率不足等故障。于是NMMA于1992年公布了TC-W3規(guī)格[3],該規(guī)格除了進(jìn)一步完善原有TC-W2規(guī)格要求的臺(tái)架測(cè)試外,還補(bǔ)充了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試,這對(duì)舷外機(jī)油的各項(xiàng)性能都提出了更高的要求,此后二沖程舷外機(jī)的生產(chǎn)制造技術(shù)取得重大突破,因此該規(guī)格沿用至今。不同規(guī)格二沖程舷外機(jī)油技術(shù)指標(biāo)和性能要求如表1～3所示。

表1 不同規(guī)格二沖程舷外機(jī)油性能要求

表2 TC-W2規(guī)格要求[4]

表2(續(xù))

表3 TC-W3規(guī)格要求[5～11]

從表1～3可以看到,TC-W3規(guī)格無(wú)論在臺(tái)架測(cè)試還是在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試上都要比TC-W2規(guī)格更為嚴(yán)格,具體如下。

(1)臺(tái)架測(cè)試方面,TC-W3與TC-W2最主要的區(qū)別在于前者新增了舷外機(jī)油互溶性能評(píng)定測(cè)試,此外還對(duì)TC-W2原有的4個(gè)臺(tái)架測(cè)試進(jìn)行了補(bǔ)充,如TC-W3混溶和低溫流動(dòng)性能評(píng)定測(cè)試中新增了參比油和測(cè)試溫度。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方面,TC-W3與TC-W2最主要的區(qū)別在于前者新增了兩個(gè)舷外機(jī)油清凈性能評(píng)定測(cè)試,新增測(cè)試與原有TC-W2清凈性能評(píng)定測(cè)試程序類(lèi)似,區(qū)別主要在于使用了Howell RSF環(huán)黏結(jié)燃料,這使得TC-W3發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試更為嚴(yán)格。此外,TC-W3還對(duì)TC-W2原有的3個(gè)臺(tái)架測(cè)試進(jìn)行了補(bǔ)充,如潤(rùn)滑性能評(píng)定測(cè)試中用高性能參比油NMMA XPA-3259代替低性能參比油NMMA 93738,早燃傾向評(píng)定測(cè)試中運(yùn)行時(shí)間由原來(lái)的50 h延長(zhǎng)至100 h,所有發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試均使用最新的二沖程舷外機(jī)等。

1.2 組成和性能要求

二沖程舷外機(jī)的特點(diǎn)在于運(yùn)行過(guò)程中機(jī)油和燃料以一定比例混合后進(jìn)入曲軸箱、氣缸和潤(rùn)滑部件并燃燒,因此進(jìn)氣、排氣過(guò)程幾乎同時(shí)進(jìn)行,利用新氣掃除廢氣,導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)無(wú)法分開(kāi),這種獨(dú)特的潤(rùn)滑方式要求二沖程舷外機(jī)油具有以下特性。

(1)良好的混溶性能和低溫流動(dòng)性能。由于二沖程舷外機(jī)油和燃料需要以一定比例混合后燃燒使用,因此需要機(jī)油與燃料有良好的混溶性能,這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中均勻潤(rùn)滑和燃燒。此外,二沖程舷外機(jī)油箱經(jīng)常暴露在外界環(huán)境中,這就要求機(jī)油具有良好的低溫流動(dòng)性能。

(2)良好的防銹性能。工作在水面的二沖程舷外機(jī)經(jīng)常暴露在高濕度含鹽環(huán)境中,特殊的工作環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部容易生銹,因此機(jī)油必須具有良好的防銹性能。

(3)無(wú)灰分?；曳忠自斐苫鸹ㄈ廴?導(dǎo)致早燃和沉積物的產(chǎn)生,這有悖于TC-W3規(guī)格要求的早燃傾向和清凈性能測(cè)試,因此NMMA規(guī)定二沖程舷外機(jī)油不能含有任何可能產(chǎn)生灰分的物質(zhì),如傳統(tǒng)的金屬清凈劑和ZDDP等。

(4)良好的潤(rùn)滑性能和抗磨性能。二沖程舷外機(jī)油使用過(guò)程中由于燃料的稀釋作用導(dǎo)致油膜強(qiáng)度降低,因此要求機(jī)油具有良好的潤(rùn)滑性能和抗磨性能,并能夠在高溫部件表面形成油膜,減少活塞環(huán)和氣缸磨損,防止活塞燒結(jié),有效潤(rùn)滑軸承。

(5)良好的清凈性能和排煙性能。二沖程舷外機(jī)功率大、負(fù)荷和工作溫度高,因此要求機(jī)油具有良好的清凈性能,這有利于抑制沉積物的產(chǎn)生,提高抗黏環(huán)性能。此外,考慮到環(huán)保因素,機(jī)油應(yīng)盡可能充分燃燒以提高排煙性能,否則未完全燃燒的機(jī)油通過(guò)排氣孔時(shí)易結(jié)焦產(chǎn)生沉積物,造成排氣系統(tǒng)堵塞,進(jìn)而影響清凈性能。

由于二沖程舷外機(jī)油屬于一次性潤(rùn)滑,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較短,因此對(duì)其抗氧化性能、抗剪切性能、抗泡沫性能等要求不高?；诖?二沖程舷外機(jī)油的組成如下。

(1)基礎(chǔ)油。目前二沖程舷外機(jī)油一般以中性油作為基礎(chǔ)油。在基礎(chǔ)油的選擇上,低黏度基礎(chǔ)油混溶性能好,燃燒充分,但潤(rùn)滑性能不足;而高黏度基礎(chǔ)油潤(rùn)滑性能好,但燃燒不充分,燃燒產(chǎn)物可能會(huì)在活塞頂部、活塞環(huán)和活塞內(nèi)腔形成漆膜和積炭,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的清凈性能,因此經(jīng)常選擇兩者組合來(lái)達(dá)到性能上的平衡。此外,加氫基礎(chǔ)油的低溫流動(dòng)性能好于溶劑精制基礎(chǔ)油,而且芳烴含量少,燃燒充分,有利于保持發(fā)動(dòng)機(jī)清潔[12]。

(2)聚異丁烯。近些年來(lái),隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,二沖程舷外機(jī)的尾氣排放成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。為了減少排放, 一方面可以提高燃油混合體積比,但過(guò)度提高該指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致機(jī)油潤(rùn)滑性能下降;另一方面可以用聚異丁烯代替部分光亮油,光亮油的加入有利于提高活塞的抗燒結(jié)性能,但不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的清凈性能和排煙性能,而聚異丁烯進(jìn)入燃燒室后迅速分解成自由基,在自由基的作用下進(jìn)一步生成異丁烯并與燃料一起燃燒,抑制排氣口沉積物的產(chǎn)生,從而改善機(jī)油的清凈性能和排煙性能[13]。此外,聚異丁烯具有一定黏性,進(jìn)入火花塞環(huán)孔后在急加速時(shí)不易迅速排出,從而減少急加速時(shí)出現(xiàn)的濃煙。聚異丁烯的加入量和分子量越大,排煙濃度越低,但過(guò)多的加入量和分子量過(guò)大會(huì)降低機(jī)油的低溫流動(dòng)性能,因此需要在聚異丁烯的加入量和分子量之間尋求平衡。一般二沖程舷外機(jī)油聚異丁烯和光亮油的加入量為5%～20%。

(3)溶劑。為了提高二沖程舷外機(jī)油的混溶性能,需要向其中加入溶劑,溶劑中芳烴含量越少,燃燒越充分,清凈性能和排煙性能越好,常用溶劑為煤油,但有時(shí)也會(huì)使用高沸點(diǎn)溶劑來(lái)提高機(jī)油閃點(diǎn),目的在于提高儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

(4)添加劑。由于NMMA規(guī)定二沖程舷外機(jī)油不能含有任何可能產(chǎn)生灰分的物質(zhì),因此添加劑以無(wú)灰分散劑為主?？紤]到低溫流動(dòng)性能和防銹性能,輔劑中應(yīng)有降凝劑和防銹劑;考慮到燃燒產(chǎn)生的積炭不利于抗磨性能,輔劑中應(yīng)有摩擦改進(jìn)劑或無(wú)灰抗磨劑。

2 四沖程舷外機(jī)油

近年來(lái),隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格和舷外機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展,四沖程舷外機(jī)有逐步取代二沖程舷外機(jī)的趨勢(shì)。起初普遍認(rèn)為四沖程舷外機(jī)和車(chē)用四沖程汽油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,因此可以將車(chē)用汽油機(jī)油直接用在四沖程舷外機(jī)上,但這樣做卻導(dǎo)致故障頻發(fā)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樗臎_程舷外機(jī)工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于普通的車(chē)用四沖程汽油機(jī),具體如下。

(1)四沖程舷外機(jī)經(jīng)常暴露在高濕度、含鹽環(huán)境中,特殊的工作環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部容易生銹,因此機(jī)油必須具有良好的防銹性能。

(2)四沖程舷外機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,使得其過(guò)濾系統(tǒng)遠(yuǎn)不如車(chē)用四沖程汽油機(jī),因此機(jī)油必須具有良好的清凈分散性能。

(3)四沖程舷外機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷和工作溫度高,加上內(nèi)部部件多且緊湊地被外殼包裹著,因此散熱更困難,這對(duì)機(jī)油的黏度保持能力提出了更高的要求。

基于此,NMMA于2004年公布了適用于四沖程舷外機(jī)油的FC-W(Four-Stroke Cycle Water-Cooled)規(guī)格。后來(lái)為了減少四沖程舷外機(jī)廢氣所產(chǎn)生的水污染,出現(xiàn)了帶后處理系統(tǒng)的新型四沖程舷外機(jī),這種舷外機(jī)為了減少排放加裝了催化轉(zhuǎn)化器,因此也對(duì)機(jī)油提出了新的要求。于是,NMMA于2009年公布了適用于帶催化轉(zhuǎn)化器的四沖程舷外機(jī)油的FC-W Catalyst Compatible規(guī)格。目前這兩種規(guī)格同時(shí)存在,其中FC-W Catalyst Compatible規(guī)格可以兼容FC-W規(guī)格。不同規(guī)格四沖程舷外機(jī)油技術(shù)指標(biāo)和性能要求如表4所示。

表4 FC-W和FC-W Catalyst Compatible規(guī)格要求[14-16]

表4(續(xù))

需要說(shuō)明的是,表4中關(guān)于磷元素和硅元素的限制只針對(duì)FC-W Catalyst Compatible規(guī)格,主要是因?yàn)檫@兩種元素易使催化劑中毒進(jìn)而導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器失效,FC-W規(guī)格對(duì)此無(wú)要求。此外,這兩種規(guī)格對(duì)高溫高剪切黏度的要求是針對(duì)經(jīng)過(guò)柴油噴嘴剪切30個(gè)循環(huán)后的試驗(yàn)油的,并非未剪切的新油,其他黏度要符合美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(Society of Automotive Engineers,簡(jiǎn)稱(chēng)SAE)公布的SAE J300黏度等級(jí)劃分。表4中僅銹蝕試驗(yàn)和Yamaha GPET(General Performance Engine Test)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試是NMMA內(nèi)部試驗(yàn)方法,表5簡(jiǎn)要介紹了這兩種測(cè)試方法。

表5 FC-W、FC-W Catalyst Compatible臺(tái)架測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試要求[14]

對(duì)比表2和表5不難發(fā)現(xiàn),與TC-W3規(guī)格相比,FC-W和FC-W Catalyst Compatible臺(tái)架測(cè)試更接近舷外機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境,而發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試新增了不同轉(zhuǎn)速間的切換,同時(shí)重點(diǎn)考察燃料稀釋率≮7%時(shí)機(jī)油的實(shí)際使用性能,這是TC-W3規(guī)格中所沒(méi)有的,因此FC-W和FC-W Catalyst Compatible要求也更嚴(yán)格。

對(duì)于四沖程舷外機(jī)油的組成,目前主流觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為FC-W規(guī)格至少與美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,API)SG汽油機(jī)油規(guī)格相當(dāng),FC-W Catalyst Compatible規(guī)格則至少與API SM/SN汽油機(jī)油相當(dāng),但考慮到四沖程舷外機(jī)工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)特殊性,還需要在汽油機(jī)油的基礎(chǔ)上添加一些特殊劑種,如防銹劑等。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)舷外機(jī)的保有量越來(lái)越大,機(jī)型幾乎都是日本、美國(guó)等國(guó)的進(jìn)口機(jī)器,這些大功率舷外機(jī)均要求使用經(jīng)NMMA認(rèn)證的機(jī)油。NMMA發(fā)布的信息顯示,截至2021年年底已有182個(gè)品牌的二沖程舷外機(jī)油注冊(cè)了TC-W3標(biāo)識(shí),54個(gè)品牌的四沖程舷外機(jī)油注冊(cè)了FC-W標(biāo)識(shí),65個(gè)品牌的四沖程舷外機(jī)油注冊(cè)了FC-W Catalyst Compatible標(biāo)識(shí)[17-19]。以上注冊(cè)的舷外機(jī)油生產(chǎn)商均來(lái)自國(guó)外,目前國(guó)內(nèi)并未報(bào)道通過(guò)NMMA認(rèn)證的舷外機(jī)油,導(dǎo)致價(jià)格昂貴的進(jìn)口舷外機(jī)油幾乎占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

自“八五”計(jì)劃以來(lái),國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)舷外機(jī)油進(jìn)行了科技攻關(guān),孫瑞華等[20]研制的TC-W3舷外機(jī)油不僅滿(mǎn)足了NMMA要求的臺(tái)架測(cè)試,而且在Mercury生產(chǎn)的60HP舷外機(jī)上經(jīng)250 h系泊試驗(yàn)后綜合使用性能優(yōu)于進(jìn)口參比油,趙巍等[21]研制的TC-W3舷外機(jī)油與進(jìn)口參比油在Quicksilver生產(chǎn)的150HP舷外機(jī)上的綜合使用性能相當(dāng),中國(guó)石油化工有限公司蔡文通等[22]研制的FC-W3舷外機(jī)油具有良好的潤(rùn)滑性、清凈性和防銹性的同時(shí),通過(guò)了Yamaha 115HP GPET發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試,可滿(mǎn)足NMMA FC-W規(guī)格要求。相信不久的將來(lái),市場(chǎng)上會(huì)出現(xiàn)物美價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)舷外機(jī)油。