車用柴油潤滑性與酸度等指標(biāo)在檢測實(shí)踐中的關(guān)聯(lián)與研究

孫 牧

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210007）

0 引言

隨著近年來汽車保有量迅速上升，越來越多的消費(fèi)者開始關(guān)注油品質(zhì)量。為減少污染物排放，全國對(duì)柴油的排放標(biāo)準(zhǔn)逐年提高：2017年普通柴油國家標(biāo)準(zhǔn)廢止，2019年1月車用柴油、非道路機(jī)械用油，全部統(tǒng)一成車用柴油，以下簡稱“柴油”。

柴油具有潤滑性這一特性，很多柴油噴油設(shè)備在一定程度上把柴油作為一種潤滑劑。為提升油品質(zhì)量，在對(duì)柴油進(jìn)行脫硫處理的過程中，通常會(huì)將芳烴、多環(huán)芳烴、含氮化合物、含氧化合物等一同脫出。以上這些成分是影響柴油潤滑性的主要物質(zhì)，這就導(dǎo)致柴油的潤滑性能變差。因此，柴油中須要加入相應(yīng)的抗磨添加劑來提高潤滑性能。

1 車用柴油的檢測指標(biāo)

目前國內(nèi)市面流通的柴油均為車用柴油（Ⅵ），產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為《車用柴油》（GB 19147—2016），檢測指標(biāo)共有19項(xiàng)。柴油檢測中評(píng)定潤滑性的指標(biāo)是校正磨痕直徑（磨痕直徑），文中采用的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)是《柴油潤滑性評(píng)定法（高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)法）》（SH/T 0765—2005）。

根據(jù)大量檢測數(shù)據(jù)可知，柴油的各項(xiàng)指標(biāo)之間呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。潤滑性和其他部分理化指標(biāo)也存在相互關(guān)聯(lián)，例如酸度、脂肪酸甲酯、多環(huán)芳烴、餾程等。如果柴油樣品檢測國標(biāo)部分指標(biāo)，其中不包括柴油潤滑性，從已知的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對(duì)潤滑性指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確保檢測潤滑性的必要與否。本文從此目的出發(fā)，以車用柴油為研究對(duì)象，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測、分析、比較，研究和潤滑性之間存在的可能聯(lián)系。

2 和潤滑性存在正負(fù)關(guān)系的指標(biāo)

研究數(shù)據(jù)采用2019年在江蘇省范圍內(nèi)加油站銷售的車用柴油（包括水上加油站）。經(jīng)檢驗(yàn)檢測，篩出有代表性的樣本數(shù)據(jù)52個(gè)。

2.1 硫含量與潤滑性的對(duì)比

將硫含量和磨痕直徑檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 硫含量與磨痕直徑關(guān)系

由圖1可看出，市場上流通的柴油成品油中，硫含量大的柴油，潤滑性較好，硫含量小的柴油，由于添加潤滑劑等原因，潤滑性也較好。

柴油中硫含量的主要存在形式是硫醚、噻吩等雜環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴形式，這些芳烴物質(zhì)在柴油的潤滑性方面做出主要貢獻(xiàn)。在柴油脫硫的同時(shí)，也去除了芳香烴、多環(huán)芳烴等物質(zhì)，因此柴油的潤滑性能變差。經(jīng)研究，在柴油中僅添加無機(jī)硫化物［1］，其含量大小并不與潤滑性存在相對(duì)應(yīng)關(guān)系。從本次數(shù)據(jù)結(jié)果分析，不能由硫含量指標(biāo)判斷柴油潤滑性能。

2.2 多環(huán)芳烴

將多環(huán)芳烴和磨痕直徑檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 多環(huán)芳烴與磨痕直徑關(guān)系

由圖2可看出，柴油多環(huán)芳烴含量比較低，相對(duì)應(yīng)的潤滑性高低不等，說明在大幅度降低柴油多環(huán)芳烴、同時(shí)添加了抗磨劑的前提下，多環(huán)芳烴對(duì)柴油潤滑性無顯著貢獻(xiàn)。

柴油中極性組分含量越高，柴油的抗磨性越好。極性組分主要集中于含氮雜質(zhì)以及多環(huán)芳烴中，多環(huán)芳烴增加，柴油的抗磨性能隨之增強(qiáng)。對(duì)于抗磨機(jī)理，目前研究的普遍看法是，多環(huán)芳烴在潤滑中起到油性劑的作用。研究［2］顯示，潤滑性與油品組分苊烯、苊類、萘類等多環(huán)芳烴含量呈正相關(guān)，與單環(huán)芳烴沒關(guān)系。

2.3 酸度

將酸度和磨痕直徑檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3 酸度與磨痕直徑關(guān)系

在本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，存在部分酸度極低的柴油，潤滑性指標(biāo)均不合格（磨痕直徑大于460μm）。酸度在0.5 mg/100 mL以下的樣品，潤滑性不合格率達(dá)75%。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，酸度和潤滑性雖不呈嚴(yán)格的正相關(guān)，但有一定相關(guān)性。柴油的酸度極低，其潤滑性指標(biāo)不合格風(fēng)險(xiǎn)增大。

這與柴油添加劑抗磨劑有關(guān)。市場上應(yīng)用較廣的柴油抗磨劑酸類和酯類。有部分煉油企業(yè)反應(yīng)酯型抗磨劑經(jīng)長期應(yīng)用后，在油品罐內(nèi)有形成絮狀物的現(xiàn)象。而嚴(yán)格控制酸性抗磨劑的添加比例，可將柴油酸度和潤滑性數(shù)據(jù)同時(shí)控制好［3］。因而目前煉油企業(yè)大多使用酸型柴油抗磨劑。如果車用柴油呈現(xiàn)極低酸度，說明此批次油品有未添加酸性抗磨劑的可能，目的在于節(jié)約成本；酯類抗磨劑成本更高，可推測也未添加脂類抗磨劑，應(yīng)著重關(guān)注此批次油品的潤滑性指標(biāo)檢測。

2.4 脂肪酸甲酯

B5車用柴油是體積分?jǐn)?shù)為1%～5%的BD100生物柴油與體積分?jǐn)?shù)為95%～99%的柴油組分的調(diào)和燃料。BD100生物柴油是生物反應(yīng)制得的脂肪酸甲烷基脂，最典型的為脂肪酸甲酯。筆者以上海加油站抽取的15個(gè)B5車用柴油為檢測對(duì)象，檢測磨痕直徑和脂肪酸甲酯含量。經(jīng)檢測，脂肪酸甲酯含量在2.3%～3.4%（體積分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，磨痕直徑測定值在250μm以下或更低。對(duì)于未添加生物柴油的車用柴油，脂肪酸甲酯指標(biāo)測試結(jié)果平均值低于0.2%，此時(shí)磨痕直徑和脂肪酸甲酯數(shù)值沒有關(guān)聯(lián)，可見添加一定量脂肪酸酯可改善潤滑性。

脂肪酸酯之所以可以改善柴油的潤滑性，與其不飽和度、碳鏈長度和羥基化程度有關(guān)。多種酯類組分之間的相互協(xié)同作用，作為混合物的生物柴油加入低硫柴油后的減摩作用優(yōu)于其某單一組分［4］。酯型抗磨劑擁有很大的開發(fā)應(yīng)用潛力。

2.5 餾程

把柴油餾程結(jié)果分成幾個(gè)窄餾份，使用大量的餾程和磨痕直徑實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 90%回收溫度與磨痕直徑關(guān)系

由圖4分析發(fā)現(xiàn)，磨痕直徑高的樣品，沸點(diǎn)較高；沸點(diǎn)比較低的樣品，磨痕直徑多有不合格。例如95%回收溫度在350℃以上的柴油樣品，通常潤滑性比較好，磨痕直徑在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；磨痕直徑超出460μm的樣品，95%回收溫度通常低于350℃。

高沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是柴油中的重組分，這類物質(zhì)在摩擦表面能夠發(fā)生一系列的氧化催化作用，生成具有抗磨性能的極性物質(zhì)［5］。隨著餾份質(zhì)量的顯著增長，也會(huì)使烴類物質(zhì)在高溫氧化作用下發(fā)生氧化裂化，形成較多的極性物質(zhì)，使得樣品具有良好的抗磨性能。另外潤滑性能很好的含氧、含氮化合物也主要集中在高沸點(diǎn)餾份中。隨著餾出溫度的升高，重組分含量相應(yīng)增加，有效的抗磨成分也隨之增加，柴油的潤滑性能自然得到改善。

2.6 密度

將密度和磨痕直徑檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：磨痕直徑低的樣品，密度較高，數(shù)值多在820 kg/m3以上；磨痕直徑不合格的樣品中，密度比較低，數(shù)值多在820 kg/m3以下。可見潤滑性和密度也存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。密度抗磨原理和沸點(diǎn)類似，和柴油中重組分含量有關(guān)。密度高，重組分含量多，其中的有效抗磨成分也多，潤滑性能較好。

2.7 運(yùn)動(dòng)黏度

將運(yùn)動(dòng)黏度和磨痕直徑檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：運(yùn)動(dòng)黏度和磨痕直徑未呈現(xiàn)正相關(guān)，但磨痕直徑數(shù)值在400μm以上的樣品中，運(yùn)動(dòng)黏度數(shù)值大部分小于4.0 mm2/s；磨痕直徑在400μm以下的樣品中，運(yùn)動(dòng)黏度大部分大于4.0 mm2/s。說明運(yùn)動(dòng)黏度較高的柴油，重組分越多，潤滑性也越好。因此運(yùn)動(dòng)黏度和潤滑性雖沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也可作為柴油潤滑性的一個(gè)量度。

3 結(jié)語

（1）車用柴油中硫含量、多環(huán)芳烴要求很低，兩個(gè)指標(biāo)和潤滑性無對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于調(diào)合前的基礎(chǔ)油，硫含量可作為一個(gè)參考點(diǎn)，原因在于含硫雜環(huán)化合物的存在。僅從硫含量指標(biāo)單獨(dú)考慮，其和柴油潤滑性并無關(guān)聯(lián)。多環(huán)芳烴在不大于3%前提下，不能很好體現(xiàn)潤滑性大小。如果柴油樣品多環(huán)芳烴指標(biāo)嚴(yán)重不合格，潤滑性通常比較好。

（2）車用柴油酸度從一定程度上反映出油品添加酸性抗磨劑情況，不能作為判斷潤滑性指標(biāo)的絕對(duì)證據(jù)。當(dāng)酸度測定值低于0.5 mg/100 mL時(shí)，潤滑性指標(biāo)有可能不合格，應(yīng)重點(diǎn)檢測考察。

（3）車用柴油中的脂肪酸甲酯含量規(guī)定不得高于1%，如該指標(biāo)檢測結(jié)果高于1%，說明柴油中摻入一定量的生物柴油，此時(shí)柴油潤滑性理論上較好，磨痕直徑不會(huì)很大。

（5）車用柴油的餾程、密度和運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)測定值的高低，反映出柴油中重組分含量的多少，即有效潤滑成分的多少。如果3個(gè)指標(biāo)檢測數(shù)值比較高，則柴油的潤滑性通常較好。

綜上，柴油潤滑性指標(biāo)和其他指標(biāo)存在一定的關(guān)聯(lián)性，但由于柴油成分復(fù)雜，是多種物質(zhì)的混合物，用個(gè)別指標(biāo)來判斷潤滑性能不夠嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)將各個(gè)指標(biāo)測定值綜合考慮，才可以對(duì)柴油潤滑性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最終判斷仍以標(biāo)準(zhǔn)方法檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。