Mack T－11發動機試驗后油品的分析

張 倩，孫文斌

（中國石化石油化工科學研究院，北京100083）

Mack T－11發動機試驗后油品的分析

張 倩，孫文斌

（中國石化石油化工科學研究院，北京100083）

對兩種柴油機油在Mack T－11發動機試驗后的油樣進行分析。結果表明：在Mack T－11發動機試驗中，隨著煙炱含量的增加，煙炱顆粒的粒徑逐漸增大；分散性能較差的油品，煙炱顆粒不斷聚集，粒徑明顯變大，導致油品黏度大幅增加，同時磨粒磨損加劇；對于帶EGR系統的Mack T－11發動機試驗，油品需具備足夠的堿值，以中和EGR系統帶來的酸性氣體。

Mack T－11發動機試驗 煙炱 分散性能 磨損 堿值

為了滿足日益嚴格的排放法規要求，進一步降低NOx的排放，柴油發動機制造商多采用尾氣再循環（EGR）裝置。EGR裝置通過將冷卻后的發動機廢氣再次送向燃燒室進行二次燃燒來達到降低NOx的排放要求，但是EGR系統的副產物之一煙炱會經燃燒室進入柴油機油，使柴油機油中煙炱含量大幅增加，煙炱含量的增加會加速油品的黏度增長、增加發動機的磨損，造成發動機濾網堵塞等問題，因此，EGR技術的引入，對柴油機油的煙炱分散能力有了更高的要求［1－4］。

Mack T－11發動機試驗是CJ－4柴油機油規格中用于評估油品煙炱分散能力的發動機試驗，2015年美國西南研究院測定樣品通過率僅為33%。Mack T－11發動機采用EGR系統和低漩渦燃燒技術，這兩項技術都會增加煙炱的生成，試驗中產生的最高煙炱含量達到了7.0%左右，對油品的煙炱分散能力要求非常高［5－7］。

本研究通過對比兩種油品Mack T－11發動機試驗后油樣中煙炱、堿值、Fe含量及油質分析結果，以期為油品通過Mack T－11發動機試驗及高檔柴油機油的研發提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用的兩種油品均為CJ－4 15W－40柴油機油，其中油1未通過Mack T－11發動機試驗，油2通過了Mack T－11發動機試驗。其基本理化指標見表1。

表1 Mack T－11發動機試驗油品的主要理化指標

1.2 實驗方法

發動機臺架試驗及油品分析方法如表2所示。煙炱粒徑分析方法：通過納米粒度及Zeta電位分析儀對含煙炱油品進行煙炱粒徑大小的分析。磨損試驗：通過高頻往復摩擦試驗機（HFRR）對油品的抗磨性能進行評價，試驗溫度110℃，試驗時間1h，載荷300g，頻率20Hz。

表2 發動機臺架試驗及油品分析方法

2 結果與討論

2.1 Mack T－11發動機試驗油品的分散性能分析

將油1和油2分別進行Mack T－11發動機試驗，測定油品中煙炱含量及黏度增加值。其中油1試驗168h后，黏度增長值達到205.1mm2/s，影響發動機的正常運行，試驗終止。油1和油2的黏度增長隨試驗時間的變化見圖1。兩個油品的Mack T－11發動機試驗結果見表3。從圖1和表3可以看出：隨發動機試驗的進行，油1的黏度增加值呈指數型增長，最終未能通過Mack T－11發動機試驗；油2的黏度增長比較緩慢，通過Mack T－11發動機試驗。

圖1 Mack T－11試驗油樣的黏度增加值

表3 Mack T－11發動機試驗結果

油品的黏度增長主要由兩個原因導致：一是油品的氧化，產生一些大分子的含氧物質，造成油品的黏度增加；二是油品的煙炱分散性能差，煙炱聚集造成的黏度增加。為了探究氧化對兩種油品黏度增長的影響，對油1和油2經不同試驗時間的油樣進行了油質分析，用氧化值來表征油品的氧化程度。圖2為油1和油2的氧化值隨試驗時間的變化。從圖2可以看出：隨發動機試驗的進行，油1和油2的氧化值相差不大，表明在Mack T－11發動機試驗中，油品氧化不是黏度增長的主要因素，影響油品黏度增長的主要因素為油品的分散性能。

為了更好地分析油品中煙炱的存在狀態，通過納米粒度及Zeta電位分析儀對含煙炱油品進行煙炱粒徑的分析，結果見圖3。從圖3可以看出：隨煙炱含量的增加，油品中煙炱不斷聚集，煙炱的粒徑也逐漸增大；對比油1和油2，分散性能好的油2煙炱粒徑隨煙炱含量的增加增長比較緩慢，而分散性能差的油1煙炱粒徑增長較快；在相同的煙炱含量情況下，油1的煙炱粒徑明顯大于油2的煙炱粒徑。

圖2 Mack T－11試驗油樣的氧化值

圖3 Mack T－11試驗油樣煙炱粒徑與含量關系

油品添加劑中對煙炱起分散作用的主要是聚異丁烯丁二酰亞胺型無灰分散劑，分散劑分子的極性端吸附在煙炱表面并將其包圍起來，油溶性基團伸向油中，如此可將煙炱微粒隔離開來，通過空間屏障作用和靜電斥力作用，來防止煙炱聚集。不同分散劑對油品的煙炱分散能力不同，如果分散劑不能有效作用就會導致煙炱顆粒聚集，從而引起黏度增長。結合上述黏度、煙炱粒徑與黏度增長相關性的分析，表明分散性能好的油品可以有效分散油品中的煙炱，防止其聚集形成粒徑更大的煙炱，從而很好地控制油品的黏度增長；對于分散性能差的油品，當煙炱含量較高時，油品不能有效分散產生的煙炱，小粒徑的煙炱顆粒不斷聚集，形成粒徑更大的煙炱，從而造成油品黏度的大幅增加，不能通過Mack T－11發動機試驗。

2.2 Mack T－11發動機試驗油品的堿值分析

CH－4、CI－4柴油機油規格中采用Mack T－8發動機試驗評定油品的煙炱分散性能，其用于測試的E7發動機沒有EGR系統，而CJ－4和CK－4柴油機油規格中的Mack T－11試驗所用發動機采用了EGR系統，用于評估帶EGR系統發動機中油品對煙炱的分散性能。

EGR系統通過將含有H2SO3，H2SO4，HNO3等酸性物質的廢氣返回燃燒室，通過竄氣等方式造成柴油機油中酸性物質增多，進而造成機油堿值的快速消耗。圖4為油1、油2、Mack T－11臺架標油和Mack T－8臺架通過油的堿值。從圖4可以看出：在Mack T－11發動機試驗中，隨時間的延長，油1、油2及Mack T－11臺架標油的堿值不斷減小，252h試驗結束時，油2及Mack T－11臺架通過標油的堿值均降為0；對比Mack T－8發動機試驗，可以看出油品在Mack T－8發動機試驗中堿值下降緩慢，300h試驗結束時，油品的堿值仍然有5mgKOH/g。因此對于含EGR系統的Mack T－11發動機試驗，調配油品必須具有足夠的堿值來應對EGR系統帶來的酸性物質。

圖4 不同發動機試驗油品的堿值變化

2.3 Mack T－11發動機試驗油品的抗磨性能分析

Mack T－11發動機采用EGR系統和低漩渦燃燒技術，這兩項技術都會增加煙炱的生成，可能造成由煙炱帶來的磨粒磨損［8］。為了分析Mack T－11發動機試驗中油品的抗磨性能，對Mack T－11試驗油品進行了Fe含量分析和HFRR磨損試驗評價。Fe含量分析結果見圖5。從圖5可以看出：在Mack T－11發動機試驗中，隨著試驗的進行，發動機各摩擦副產生磨損，油品中的Fe含量逐漸增加；對比油1和油2中Fe含量的變化，油1在試驗后期，Fe含量增加較多，說明使用分散性能差的油1在試驗后期使發動機的磨損加劇。

圖5 Mack T－11試驗油品的Fe含量

為了更清楚地了解煙炱對發動機磨損的影響，對Mack T－11試驗油品進行HFRR磨損試驗，圖6和圖7分別為油1和油2在HFRR試驗中成膜率和鋼球磨斑直徑的變化。從圖6和圖7可以看出，隨著試驗的進行，兩個油品的成膜率均逐漸減小，鋼球磨斑直徑逐漸增大。其原因為：一是抗磨劑在Mack T－11發動機試驗中逐漸消耗；二是煙炱含量增加，與抗磨劑之間存在競爭吸附，使抗磨劑不能在金屬表面有效作用；三是煙炱不斷聚集，粒徑逐漸增大，造成油品的磨粒磨損。

圖6 油1及油2在HFRR試驗中的成膜率

圖7 油1及油2在HFRR試驗中的磨斑直徑

對比油1和油2，兩種新油的成膜率和試驗鋼球磨斑直徑相近，隨著Mack T－11發動機試驗的進行，油1的成膜率明顯低于油2，油1作用下的鋼球磨斑直徑明顯大于油2，抗磨性能明顯比油2差。結合前述煙炱粒徑分析結果，油1的煙炱粒徑明顯大于油2的煙炱粒徑，可見分散性能差的油品，煙炱不斷聚集，煙炱的粒徑大，加劇油品的磨粒磨損，使油品的抗磨性能變差。因此，提高油品對煙炱的分散性能，防止煙炱聚集是提高油品抗磨性能的途徑之一。

3 結 論

（1）在Mack T－11發動機試驗中，隨煙炱含量的增加，煙炱顆粒的粒徑逐漸增大；分散性能差的油品，煙炱顆粒不斷聚集，粒徑變大，導致油品黏度大幅增加。

（2）對于帶EGR系統的Mack T－11發動機試驗，油品需要具備足夠的堿值，以中和EGR系統帶來的酸性氣體。

（3）在Mack T－11發動機試驗中，隨煙炱含量的增加，油品的抗磨性能變差。分散性能差的油品試驗后，煙炱粒徑大，造成的磨損也更嚴重。

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［6］ 楊國峰，謝驚春，馮振文.API柴油機油CJ－4與CI－4規格臺架對比關系的研究［J］.潤滑油，2011，26（3）：49－55

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［8］ Ishiki Kazuya，Oshida Shinji.A Study of Abnormal Wear in Power Cylinder of Diesel Engine with EGR—Wear Mechanism of Soot Contaminated in Lubricating Oil［R］.SAE Paper，2000－01－0925

ANALYSIS OF DIESEL ENGINE OIL AFTER MACK T－11ENGINE TEST

Zhang Qian，Sun Wenbin
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing，Beijing100083）

The analysis results of two diesel engine oils after Mack T－11engine test show that during the Mack T－11engine test，the soot particle size increases with increasing of the soot concentration.The poor soot dispersity leads to a significant viscosity increase of the oil and abrasive wear due to formation of larger soot particle through aggregation.The diesel engine oil needs high enough base number to neutralize the acids from the circulation of the exhaust gas in the Mack T－11engine test with exhaust gas recirculation system.

Mack T－11engine test；soot；dispersity；wear；TBN

2016－11－08；修改稿收到日期：2016－12－15。

張倩，碩士，高級工程師，主要從事潤滑油配方的研發工作。

張倩，E－mail：zhangqian.ripp＠sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目（113114）。