无灰分散剂航空发动机油耐久性挑战

当问起一个风冷发动机的例子时，许多人会提到保时捷911Carrera，它以其顶级的风冷平六缸发动机（即所谓的“Boxer”发动机）而闻名。保时捷的扁平六缸风冷发动机的最终版本被许多人称为“风冷911s”，在1998型号年之后因采用水冷发动机而停止了生产。它是最后一种使用风冷发动机生产的消费汽车之一。

 

相比之下，航空业同时使用了风冷和水冷发动机，甚至在飞机活塞发动机的情况下更偏爱风冷。航空业采用的这种首选冷却方法暗示了航空发动机油中无灰分散剂普遍存在的原因。

 

蓖麻油由于其良好的润滑性而在航空时代初期成为飞机油的首选油。在1925-1935年左右，这些油被废弃，转而使用矿物油。当时，这些机油不含任何添加剂，与当今的发动机相比，机油消耗量极高，发动机需要定期补充。

 

诸如无灰分散剂之类的添加剂有助于减少机油消耗。但是在研究无灰分散剂在航空发动机油中的重要性之前，重要的是要了解什么是无灰分散剂。无灰分散剂有助于防止金属沉积物在发动机中形成，这会引起预燃并可能对发动机造成灾难性的损害。无灰分散剂的作用是将累积的灰分从发动机组件中分散出去，以防止堆积和过度磨损。

 

飞机所有者和飞行员协会（AOPA）指出：“无灰分散剂油中含有添加剂，有助于清除碎屑并将其带到过滤器或滤网。”AOPA进一步指出：“鉴于飞机发动机的相对较高磨损以及经过气缸环和气门的燃烧酸和其他污染物的数量，这是非常重要的质量。”实际上，无灰分散剂的作用是围绕不需要的碎屑，以防止其沉降并造成磨损和其他损害，例如提前点燃。

 

飞机活塞发动机在许多方面都偏离了现代汽车发动机的设计和构造，最明显的是在其动力带上。汽车发动机的红线通常约为每分钟6,000-7,000转（rpm），一次很少以峰值功率运行超过几秒钟，而飞机发动机通常以2700rpm的速度输出峰值功率并以此速度运行。对于大多数飞机来说，其操作水平较高端的是那些第二次世界大战（WWII）飞机，其峰值在3200转。

 

另一个不同之处是设计这些类型的发动机的总体目标。当前，汽车工业致力于通过减小尺寸来提高燃料效率，并为驾驶员和乘客提供便利。相反，飞机发动机专注于可靠性和简单性。洛克希德星座就是一个很好的例子，这是一架二战飞机，尽管采用了四引擎设计，但仍被称为“最安全的三引擎飞机”，因为海外飞行经常导致一架引擎沿途死亡。

 

第二次世界大战中的水冷式发动机主要是V12型设计，而风冷式发动机则采用放射状单星或双星设计，每星有七个或九个气缸。第二次世界大战期间的功率密度提高迅速；飞机发动机排量为20至50升，通常是涡轮增压的，最初是由德国提供的，然后由盟国进行增压。与当今无铅和无硫的100辛烷相比，当时使用的燃料的额定辛烷值等于或低于90辛烷，但战争期间增加到100辛烷，甚至高达150辛烷。

 

通过注入水甲醇，这些发动机达到了约50马力/升的增压，在长达90秒的时间内达到了50％以上的增压。如今，批量生产的汽油乘用车发动机可以输出100-150HP/L，这是本世纪以来发动机技术的明显进步。第二次世界大战期间困扰双方战斗的问题是，即使没有敌方接触，发动机的可靠性也是如此。由于维护工作量的有限和跳过，形成的添加剂有限以及由此引起的预点火，造成了严重的问题，从而形成了积炭和沉积物。这是合成机油和功能性添加剂的实际诞生。德国空军使用的基础油是二酯与聚乙烯油的无灰混合物7与极压/抗磨添加剂“MesulfolII”（一种硫载体）混合。1944年，美国空军在P-38，P-47，P-51和B-25?中开始使用Prestone（硬质合金）生产的无灰聚丙二醇。两种机油概念都在第二次世界大战后退役，但聚亚烷基二醇（PAG）具有一些自动洗涤剂和分散剂的功能。

 

从1960年代的汽车发动机到现在的汽车发动机之间的比较显示出一些明显的变化和进步，而两个飞机发动机之间的比较显示了两个外观非常相似的发动机。

 

尽管有将近50年的使用年限，但两种发动机的构造还是比较相似，最显着的区别是1996年增加了燃油喷射。

 

汽车和航空发动机之间的比较对于理解为什么无灰分散剂在航空发动机油中仍然很普遍，但是在讨论汽车发动机油时却很少提及。谷歌搜索“无灰分散剂”将产生几乎完全与飞机发动机和飞机发动机油有关的结果。新车中的先进技术旨在使发动机尽可能保持原始状态，以尽可能长地从油箱中挤出更多英里，更不用说电动汽车不需要发动机油了。但是，较旧的飞机活塞发动机设计更适合于1960年代的汽车发动机，这些发动机依赖于发动机中残留的一些沉积物，并且被设计为在其整个生命周期内都不会在“新”条件下运转。

 

因此，汽车制造商倾向于建议使用具有复杂添加剂包的全合成和中级SAP（硫酸灰分<<0.80％。）或低SAP?（硫酸盐灰分<0.50％），而飞机制造商通常会批准这种油。使用两种更基本的油：纯净矿物油和无灰分散矿物油。SAP代表硫，灰和磷。直质矿物油（APII-III组）本质上是从炼油厂出来的油，通常推荐用于新飞机活塞发动机的磨合期。

 

据退休的AeroShell润滑专家BenVisser所说，“用于使气缸达到规格的旧硬铬，实际上必须磨损零件，磨损掉的颗粒作为研磨剂使用。”进入磨合期后，建议进行更改，以防止不必要的额外积累。大多数飞机制造商建议在侵入后，在纯净的矿物油上使用无灰分散剂油，以冲洗掉其他金属颗粒和污染物。

 

尽管这些无灰油在飞机活塞发动机中具有很强的持久性，但对无灰分散剂油（电动飞机）的长期耐久性仍存在潜在的挑战。2014年，克劳斯·奥尔曼（KlausOhlmann）的两座e-Genius飞机打破了七项世界纪录。在这些记录中，有142.7英里/小时（229.7公里/小时）的速度记录和313英里（504公里）的总飞行速度。当考虑所有飞机时，这些结果并不是开创性的，但要知道e-Genius仅使用带有单个电池作为电源的电动机就完成了这些壮举，因此这完全是另一项成就。为了使这项壮举更加令人印象深刻，e-Genius仅消耗了在同一次旅行中由燃油驱动的两座飞机消耗的能量的五分之一。这些结果对于电动飞机的未来是有希望的，但是它们对飞机用油意味着什么呢？

 

德国斯图加特大学的电子天才说，它像滑翔机一样具有未来感，但是还存在其他更复杂的电子飞机概念。从全电动到混合动力飞机，电气化作为对未来的展望是航空业的“时尚”。Eviation为九名乘客提供了通勤飞机“爱丽丝”，预计航程为600英里。空中客车公司为更多的乘客提出了电子风扇X，其中一个发动机被2兆瓦的电动机取代。NASAX-57的试验型全电动飞机配备了用于巡航的大型翼梢电动马达和12架带有可折叠螺旋桨起飞的小型电动马达。

 

垂直起降（VTOL）是另一组电动飞机。他们专注于区域空中交通，并通过“城市空中出租车”将城市中心连接起来，因为他们只需要一个降落垫即可。例如：CityAirbus，戴姆勒Velocopter，BOEINGNEXT和Liliumjet。

 

显然，世界正在朝着电子技术转移。这项技术已经在汽车工业中占有一席之地，诸如雪佛兰Volt，日产Leaf，丰田PriusPrime和特斯拉的汽车家族，汽车销量在逐年增长。诸如e-Genius之类的飞机也证明了可以与航空界共享这项技术，但这并不意味着电动飞机的问世，意味着飞机发动机油的消亡。

 

根据通用航空新闻，通用航空飞机的平均寿命为50年，制造的平均年份为1970年。相比之下，消费汽车的平均寿命只有12年，因此汽车的平均寿命为12岁，平均生产日期为2008年。从理论上讲，这意味着新功能或新法规的强制实施将持续到2032年。这使得改变航空技术变得更加困难，无论好坏。对于航空发动机油，这可以防止技术（例如带有复杂添加剂包的全合成油）在飞机上变得司空见惯，尽管当前全球对替代燃料和更严格的排放标准产生了兴趣，但它也有助于无灰分散剂得以持续存在。

 

显然，航空业与电气化竞争的目标是实现CO2中性运输，在这种情况下，航空业领先于汽车工业。ASTMD7566是常规喷气燃料的关键规范，目前有七个附件，它们指定了可持续航空燃料（SAF）的不同途径，就生物质资源和工艺而言，允许来自不同来源的高达50％的可持续航空燃料体积。这可以是内燃机的蓝图。宝马最近宣布已批准100％可再生柴油燃料，称为HVO100。HVO100是烃基柴油的化学副本。保时捷促进了以CO2制成的合成燃料或电子燃料的开发和氢使用可再生能源。另一选择是将燃料与33％（体积）的氢化废食用油混合，以生产石油化学柴油，这是大众汽车公司提出的称为R33BlueDiesel的提议。

 

在过去的半个世纪中，飞机发动机的力学基本保持不变，而汽车发动机的力学则有了很大的发展。尽管存在发展差异，但预计未来几年电气技术将渗透到这两个行业中。尽管这可能会减少飞机发动机机油的使用，但是具有简单活塞发动机设计的老式飞机的持久性很可能导致无灰分散剂航空发动机机油的持久性。无灰分散剂油在未来几年可能不会看到许多新的发展和改进，但是像它们所服务的飞机一样，它们可能会存在很多年。