柴油機油分散性模擬試驗方法的研究

佘海波，丁冬梅，楊超，陳光，于梅

(中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

近十幾年來，日趨嚴格的排放法規推動柴油發動機制造商不斷采取新的發動機技術，如燃油延遲噴射、廢氣再循環(EGR)、尾氣顆粒捕集器(PDF)、選擇性催化還原(SCR)等，以滿足相應的排放法規的要求。其中燃油延遲噴射、廢氣再循環技術的應用導致發動機的燃料柴油不完全燃燒產生的煙炱量增多，從而使柴油機油受煙炱污染的程度越來越高。機油中煙炱含量的增加會導致油品黏度的過快增長，并導致發動機磨損量的增加。減少煙炱污染對發動機性能不良影響的最主要的有效手段是提高油品對煙炱的分散能力。ACEA規格中的輕(A/B、C系列)、重負荷柴油機油(E系列)以及API規格中的重負荷柴油機油(CF-4級及以上)都有相應的臺架評定測試以考察柴油機油有效控制煙炱導致的油品黏度增長和發動機磨損的能力，并有對應的標準數值表征油品分散性能的優劣。

提高柴油機油分散性能是研發滿足新排放法規的發動機設計需求油品的主要手段之一，目前在油品的研制過程中，沒有針對性較好的分散性能模擬評價方法，因此有必要進行柴油機油分散性模擬試驗方法的研究,得出柴油機油的組分(基礎油、功能添加劑等單一及復配因素)對油品分散性能影響程度的規律性認識,為高檔柴油機油的研發提供技術支持。

通過對柴油機油分散性能的研究，可以指導油品的配方研制，解決分散性能臺架測試費用較高、時間周期長等在油品研制過程中面臨的實際問題，提高臺架的通過率。

1 柴油機油分散性模擬試驗方法研究所用儀器和方法

1.1 柴油機油分散性模擬試驗方法研究所用儀器

進行柴油機油分散性模擬試驗方法研究所用儀器是L—5型柴油機油煙炱分散性模擬試驗機，見圖1。

圖1 L-5型柴油機油煙炱分散性模擬試驗機

1.2 柴油機油分散性模擬試驗方法

一定量的油樣加在試樣管中，試樣管連接煙炱進入管和煙炱排出管，油樣通過油浴保持一定的溫度，使用煙炱發生器將柴油燃燒時產生的煙炱連續通入被測樣品中，通過真空泵保持一定的負壓使得煙炱進入測試油樣，煙炱以穩定的速率在樣品中遞增時，樣品黏度也會遞增，通過測量煙炱吸收瓶的壓力變化來表征油品的分散性能，油品的分散性能由油品的衰變期來體現，衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

2 柴油機油分散性模擬試驗方法的研究實施

2.1 分散試驗儀的穩定性考察

為了保證試驗數據的有效性，首先必須進行分散試驗儀的穩定性考察，采用分散試驗儀進行重復性和區分性試驗，達到進行分散性試驗要求。試驗條件：油樣質量50 g，油浴溫度：100 ℃，試驗結果見表1。

表1 柴油機油分散性模擬試驗重復性和區分性試驗結果

表中試驗結果表明：

(1)兩個樣品500N、20090725進行的是重復性試驗；

(2)三個樣品500N、20090725、0304進行的是區分性試驗；

(3)試驗結果表明該儀器操作穩定，重復性和區分性較好，達到進行分散性試驗要求。

2.2 分散性模擬方法與柴油機油分散性臺架的相關性研究

為了保證采用的分散性模擬方法與油品分散性臺架具有一定的相關性，收集有DV4TD、Mack T-8臺架數據的油樣，進行模擬試驗和臺架試驗相關性研究，試驗結果見表2、表3。

表2 DV4臺架試驗與分散性模擬試驗結果

試驗結果說明：

(1)DV4臺架試驗黏度增長小的校機油(RL216)分散性模擬試驗衰變期較長；DV4臺架試驗黏度增長大的校機油(RL223)分散性模擬試驗衰變期較短；DV4臺架試驗黏度增長在校機油(RL216)和校機油(RL223)試驗結果之間的試驗油(AB-1201)分散性模擬試驗衰變期在校機油(RL216)和校機油(RL223)試驗結果之間；

(2)分散性模擬結果表明, 分散性模擬試驗與DV4臺架試驗相關性較好。

采用的分散性模擬機做Mack T-8E臺架試驗，試驗結果和臺架試驗油模擬結果見表3。

表3 Mack T-8E臺架試驗與分散性模擬試驗結果

由表3可知：通過臺架試驗油的分散性能遠遠好于基礎油；黏度等級不同的通過Mack T-8E臺架試驗油的分散性模擬結果接近。分散性模擬方法試驗結果與柴油機油分散性臺架試驗結果具有一定的相關性。

2.3 煙炱分散性模擬試驗機產生的煙炱與臺架試驗產生的煙炱相關性研究

采用掃描電鏡考察了煙炱分散性模擬試驗機產生的煙炱與Mack T-8E臺架試驗和DV4 臺架試驗產生的煙炱情況，具體情況見表4。

表4 煙炱分散性模擬試驗煙炱與Mack T-8E和DV4 臺架試驗產生的煙炱情況分析

表4中的煙炱顆粒范圍數據可以判斷出：

(1)分散性模擬試驗機產生的顆粒較大煙炱部分附著在油樣管入口管壁上；

(2)分散性模擬試驗進入試驗油中的煙炱顆粒較小的溶在試驗油中，顆粒較大的從試驗油中排出附著在油樣管出口管壁上；

(3)Mack T-8E試驗后300 h油樣中煙炱顆粒主要范圍與分散性模擬試驗溶在試驗油中煙炱顆粒主要范圍接近；

(4)DV4試驗后120 h油樣中煙炱顆粒主要范圍與分散性模擬試驗溶在試驗油中煙炱顆粒主要范圍接近。

分散性模擬試驗產生的煙炱顆粒與Mack T-8E試驗、DV4試驗煙炱顆粒尺寸相近，為分散性模擬試驗與Mack T-8E試驗、DV4試驗相關性研究打下了科學基礎。

2.4 潤滑油的分散性能與煙炱分散性模擬試驗結果的規律性考察

2.4.1 潤滑油中基礎油對油品分散性能的影響規律考察

采用煙炱分散性模擬試驗機對不同種類基礎油的分散性能影響規律考察，所考察的基礎油種類范圍包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，試驗結果見表5。

表5 不同基礎油的分散性能

注：衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

基礎油分散性模擬試驗結果表明：

(1)451(季戊四醇酯)由于其特殊的分子結構其本身的分散性能最好；

(2)Ⅱ基礎油的HVIP6和500N相比較，黏度大的500N分散性能好于黏度小的HVIP6；

(3)其他基礎油相比較，HVI400、HVIP6、PAO166的分散性能基本相當，ETRO6的分散性能稍差。

2.4.2 潤滑油中降凝劑、黏度指數改進劑對油品分散性能的影響規律考察

(1)潤滑油中降凝劑、黏度指數改進劑(非分散型)對油品分散性能的影響規律考察

采用同一基礎油和不同結構的降凝劑、黏度指數改進劑(非分散型)(劑量相同)相復配，進行分散性試驗,試驗結果見表6。

表6 不同降凝劑、黏度指數改進劑(非分散型)的分散性能

注：衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

試驗結果說明：不同降凝劑、黏度指數改進劑分散性模擬試驗結果表明,四個樣品的衰變時間基本接近，比基礎油的衰變時間稍長一些，說明降凝劑、黏度指數改進劑(非分散型)對油品的分散性能影響較小。

(2)潤滑油中黏度指數改進劑(分散型)對油品分散性能的影響規律考察

采用同一基礎油和黏度指數改進劑(分散型本中心合成/H5777)(劑量相同)相復配，進行分散性試驗,試驗結果見表7。

表7 不同降凝劑、黏度指數改進劑(分散型)的分散性能

分散性模擬試驗結果表明,分散性黏度指數改進劑可有效提高油品的分散性能，本中心合成的DOCP與進口的H5777分散性能相當。

2.4.3 潤滑油中抗氧抗腐抗磨劑對油品分散性能的影響規律考察

采用基礎油(500N)與抗氧抗磨劑調合樣品，進行分散性試驗，考察抗氧抗磨劑對分散性能影響，試驗結果見表8。

表8 抗氧抗磨劑對分散性能影響

試驗結果說明：抗氧抗磨劑對分散性能影響不大。

2.4.4 潤滑油中清凈劑對油品分散性能的影響規律考察

采用基礎油(500N)與常用清凈劑調合樣品，進行分散性試驗，考察同種清凈劑不同來源和不同劑量對分散性能影響，并與同劑量的國產分散劑作對比，試驗結果見表9。

表9 清凈劑對油品分散性能的影響

分散性模擬試驗結果表明：

(1)清凈劑具有一定的分散性能，清凈劑T101、T115A劑量的增加，分散性能有所提高，同等劑量情況下，OLOA246、T115A的分散性能優于T101；

(2)同等劑量情況下，分散劑T152的分散性明顯優于清凈劑T101、T115A。

2.4.5 潤滑油中分散劑對油品分散性能的影響規律考察

(1)潤滑油中分散劑量對油品分散性能的影響規律考察

采用基礎油(500N)與常用國產分散劑(劑量不同)調合樣品，進行分散性試驗，試驗結果見表10。

表10 不同劑量分散劑對分散性能影響

分散性模擬試驗結果表明, 隨著分散劑量的增加，油品分散性能提高。

(2)潤滑油中不同分散劑對油品分散性能的影響規律考察

采用基礎油(500N)與不同結構國產分散劑(劑量相同)調合樣品，進行分散性試驗，并與進口的分散劑分散性對比，試驗結果見表11。

表11 不同分散劑對油品分散性能的影響

分散性模擬試驗結果表明, 不同結構國產分散劑分散性能有差異，分散性能T154B優于T152，T161A；結構相似分散劑進口的分散性能優于國產的。

2.4.6 全配方中基礎油和功能添加劑之間復配對油品分散性能的影響規律考察

(1)艦船油分散性能考察

考察研制的艦船油3和競品艦船油1及已生產艦船油2分散性能，試驗結果見表12。

表12 艦船油分散性能

試驗結果說明：

試驗油樣的氮含量可表征試驗油中分散劑的加量，分散性模擬結果表明, 試驗油樣的氮含量與分散性模擬試驗衰變期成正比，試驗油樣分散性能隨著分散劑量的增加而增強。

(2)小漁船油分散性能考察

小漁船油分散性能考察見表13。

表13 小漁船油分散性能

表13(續)

試驗結果說明：

①小漁船油1和小漁船油2進行的是重復性試驗，結果表明該試驗重復性較好；

②小漁船油、CD、CF-4、CH-4油樣的質量級別不同，進行的區分性試驗，結果表明該試驗區分性較好。

(3)移動式液化天然氣(LNG)發動機專用油分散性能考察

移動式液化天然氣(LNG)發動機專用油分散性能考察見表14。

表14 移動式LNG發動機專用油分散性能

試驗結果說明：

①分散性模擬試驗結果表明, 試驗油樣的氮含量與分散性模擬試驗衰變期成正比，試驗油樣分散性能隨著分散劑量的增加而增強。

②分散性模擬試驗結果表明, LNG2的分散性能優于參比油和競品LNG、LNG1。

(4)考察船用柴油機油不同基礎油、不同配方的分散性能

采用分散性試驗儀考察船用柴油機油不同基礎油、不同配方的分散性能，試驗結果見表15。

表15 船用柴油機油不同基礎油、不同配方的分散性能

試驗結果說明：

①4040S、4040H-8樣品分散性模擬試驗結果表明, Ⅱ類基礎油的分散性稍優于Ⅰ類基礎油。

②4040、4040H-8樣品分散性模擬試驗結果表明, 分散劑量相同的條件下，水楊酸鹽的分散性優于磺酸鹽。

③4040H-8、4040H-1樣品分散性模擬試驗結果表明,中高堿水楊酸復配有利于提高油品的分散性能。

(5)機車油分散性能考察

機車油分散性能考察見表16。

表16 機車油分散性能

試驗結果表明：機車油分散性能基本與氮含量成正比。

(6)漁船油分散性能考察

漁船油分散性考察見表17。

表17 漁船油分散性能

試驗結果表明：漁船油分散性能基本與氮含量成正比。

3 柴油機油分散性模擬試驗方法的研究結論

(1)分散性模擬方法與柴油機油分散性臺架具有一定的相關性。

(2)通過本試驗方法的研究可以建立一種分散性模擬試驗方法，用于評價柴油機油分散性能。

(3)通過對潤滑油中的組分(基礎油、黏度指數改進劑、降凝劑、分散劑、清凈劑、抗氧抗腐劑、抗磨劑等)分散性能的影響規律考察，可以得出初步的規律性認識。

(4)全配方中基礎油和功能添加劑之間復配對油品分散性能的影響規律考察，可以指導全配方的不同性能之間的平衡。

(5)本分散性模擬方法的研究，對全配方油品的開發、油品分散性評價、油品配方內部性能之間的平衡等具有一定的指導意義。

(6)本方法是一種分散性模擬方法，對配方研制針對油品分散性能的篩選提供了切實可行的有效手段。