合成乙醇制汽油(ETG, Ethanol-to-Gasoline)燃料使用对发动机机油组成及性能的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Influence of synthetic ethanol-to-gasoline fuel use on engine oil composition and properties

　　

研究人员通过实车驾驶测试，评估了四种不同组成的乙醇制汽油(Ethanol-to-Gasoline, ETG)燃料对发动机机油稀释(oil dilution)及机油理化性能变化的影响。以市售Super 95汽油和烷基化汽油(alkylate-based gasoline)作为参照基准。测试工况包括冷启动短途驾驶、冷启动实际行驶排放(RDE, Real Driving Emissions)测试程序以及冷热混合高负荷驾驶。主要研究发现如下：(1) ETG基燃料引起的机油稀释率高于参比燃料；(2) 机油稀释导致运动黏度(kinematic viscosity)和闪点(flash point)降低；(3) 黏度指数(viscosity index)和密度(density)保持稳定或有所提升；(4) 机油中累积有重质芳烃(heavy aromatics)。综合机油分析表明，机油稀释与ETG燃料中C10+重芳烃的存在密切相关。改性ETG燃料含约75%更少的C11+芳烃，其导致的机油稀释低于标准ETG燃料，但仍约为商用汽油的2倍。值得注意的是，尽管芳烃通常被视为润滑油中的不良组分，但机油中残留的燃料组分（主要为芳烃）反而提高了黏度指数，该现象经含C10芳烃的模型油样分析得到验证。本研究揭示了现行汽油规格标准中的不足：为防止机油稀释而设的蒸馏指标无法反映新型合成燃料组分的行为。可能的解决方案包括收紧现有蒸馏参数限值（如E150）、引入新参数（如E180）、进一步降低ETG产物中重芳烃馏分，或将ETG仅作为30–50%浓度的调合组分使用。综上，本研究强调需更新燃料质量框架，以确保先进合成燃料与现有发动机润滑系统的兼容性。

《合成乙醇制汽油(ETG)燃料对发动机机油组成及性能影响的研究解读》

该论文发表于《Energy Conversion and Management》。随着低碳交通需求增长，基于醇类转化制烃的合成可再生燃料（如乙醇制汽油ETG）成为化石燃料替代品，但其对发动机润滑系统的影响尚不明晰。已有报告指出ATG（醇转烃）类合成燃料会导致高于常规的机油稀释（未燃燃油渗入曲轴箱机油），引起黏度下降及润滑失效风险，而现行汽油规范（如EN 228）未针对此类新组分做调整。本文旨在以实车道路测试结合全面机油分析，阐明ETG燃料组成（尤其是重芳烃含量）与机油稀释及机油性能变化之间的关联，填补合成燃料在道路车辆应用中的认知空白。

研究人员选用一台满足欧6b排放的1.0 L三缸缸内直喷汽油乘用车，使用Total Quartz 9000 NFC 5W-30新机油进行试验。测试四种ETG基燃料（ETG1-E10、ETG2-E10、ETG2-ethers醚调合版、ETG2-E20含20%乙醇）及两种参比燃料（市售Super 95汽油与无芳烃烷基化汽油B-C）。驾驶测试分三阶段连续进行：第一阶段为8次冷启动城市短途（单程5.5 km，机油最高温77 ℃）；第二阶段为8次冷启动RDE合规路线驾驶（总距至660 km，机油最高温102 ℃）；第三阶段为高负荷高速公路驾驶（含冷热启动，机油最高温109 ℃）。每阶段按设定里程采集在用机油样品（经机油尺孔取50 mL并以同体积新油补足），采用气相色谱法(DIN 51454)测定机油中燃油残留量，全二维气相色谱-氢火焰离子化检测/质谱(GC×GC-FID/MS)分析燃油残留物族组成，Stabinger黏度计测40 ℃与100 ℃运动黏度并计算黏度指数(VI, Viscosity Index)及密度，依据ASTM D7215结合模拟蒸馏(ASTM D2887)估算闪点并以ASTM D92克利夫兰开杯法实测混合油样闪点进行校验。

3.1. Driving test and oil dilution（驾驶测试与机油稀释）

研究人员发现各燃料机油稀释率在冷启动短途阶段快速上升，RDE阶段趋于稳定（燃油回蒸发速率与新稀释速率相当），高负荷阶段再次持续上升。B-C燃料机油稀释最低（＜0.2% m/m），Super 95逐步升至约1.8% m/m，ETG2系列中等（最终约3.6% m/m），ETG1-E10最高（达5.7% m/m）。证明机油稀释程度与燃料中C₁₁₊芳烃含量正相关，且高负荷工况加剧稀释。ETG2-ethers在高负荷末期稀释增速放缓，而含乙醇的ETG2-E20稀释呈持续上升趋势。

3.2. Composition of the fuel residues（燃油残留物组成）

通过GC×GC-FID/MS分析，研究人员确定机油中燃油残留物70–90%(m/m)为芳烃，且随行驶距离增加芳烃占比升高（主要因C₉₊芳烃累积，C_8-芳烃基本恒定）。ETG1与ETG2差异源于C₁₁₊芳烃含量不同。冷启阶段各类芳烃累积，RDE阶段C_9-芳烃因回蒸发减少，高负荷阶段C₁₀₊芳烃再度升高。主要检出乙基二甲基苯、二乙基苯、甲基丙基苯及四甲基苯（C₁₀芳烃）和乙基甲基苯、三甲基苯（C₉芳烃）。乙醇在机油中未检出；醚类少量参与初期稀释（最大0.019% m/m）但对总体稀释贡献可忽略。

3.3. Viscosity, viscosity index, and density（黏度、黏度指数与密度）

研究人员测得40 ℃与100 ℃运动黏度均随机油稀释率升高而下降，ETG1-E10致黏度降幅最大（100 ℃黏度降约20%，超出5W-30规格下限要求）。参比燃料黏度降幅最小。黏度指数(VI)在参比燃料中几乎不变（±2单位），但在ETG燃料测试中VI由新油170先微降后持续升至最高179。模型油验证证实C₁₀芳烃（如1-丁基苯、叔丁基苯、1,3-二乙基苯）混入可使VI升高。密度初始略降后随重芳烃累积轻微上升，变化幅度对润滑性能无显著影响。

3.4. Flash point（闪点）

3.4.1节基于ASTM D7215（关联ASTM D56与ASTM D93平均值）估算闪点显示初期骤降45–60 ℃，RDE阶段平稳，高负荷再降，ETG1-E10终端估算最低约150 ℃，但该方法对低稀释率样品敏感性不足。3.4.2节实测ASTM D92闪点与稀释率拟合（R²=0.98），表明稀释率≥2.66%时估算与实测吻合较好。据此修正后ETG1-E10终端闪点约160 ℃，仍高于测试中最高机油温度（109 ℃），但安全余量缩减35–40%。所有样品闪点降低幅度与燃油残留尤其是重芳烃相关。

讨论与结论翻译：

本研究首次通过分析四种ETG基汽油综合驾驶测试所得在用机油，发现ETG燃料所致发动机机油稀释程度为商用汽油的两倍以上。机油中燃油含量增加使其40 ℃运动黏度降低达28%、100 ℃运动黏度降低达20%、闪点降低达30%。尽管闪点显著下降，仍相对安全地高于测试记录的最高机油温度；但黏度降幅已使机油偏离原性能等级。GC×GC-FID/MS证实ETG汽油中高含量重质（C₁₀₊）芳烃（沸点约170 ℃及以上，难在发动机内蒸发）是机油稀释及相关参数恶化的主因。尽管残留物以芳烃为主，机油黏度指数随稀释率升高而上升。燃料含氧化合物（乙醇/醚）对机油稀释直接影响甚微；ETG类型（特别是终馏点FBP及C₁₁₊芳烃含量）是主导因素。改良低终馏点ETG致稀释率较低（终点约3.6% m/m）但仍约为商用汽油两倍，提示使用ETG燃料时需关注机油品质与换油周期。现行商用燃料规范（如EN 228）未涵盖此类合成组分，即使完全合规也可能引发过度稀释。建议方案包括：收紧E150等现有蒸馏参数限值以控制150 ℃以上重组分、引入E180等新蒸馏参数、进一步降低ETG终馏点及C₁₀₊芳烃含量、改进ETG生产工艺，或将ETG限制为最高30–50%体积比的调合组分使用。本研究凸显需建立更新的燃料质量框架，确保先进合成燃料与现有发动机润滑系统兼容。