不同堿值柴油機油的使用性能考察

趙磊

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

發動機油的堿值指標，通常被用來判斷機油的中和酸性物質的能力。發動機油的堿值主要來源于清凈劑組分。清凈劑一般為金屬鹽類，屬于多功能添加劑，除用于中和酸性物質外，還提供沉積物控制、抗氧化、分散、防銹等功能[1]。因此一般認為堿值在一定程度上，代表了油品具備的清凈性和酸腐蝕抑制能力。經過Caterpillar 1K/1N臺架試驗以及行車試驗的驗證，證明柴油發動機油的使用性能，與初始堿值水平無必然關聯；同時發現柴油發動機油的堿值變化趨勢，與所用的清凈劑技術水平、燃料硫含量以及運行工況等因素有關。

本文通過Caterpillar 1K/1N臺架試驗，驗證不同堿值柴油發動機油的使用性能，關注堿值變化的趨勢，討論清凈性和抗磨損性的性能表現的關系；通過行車試驗驗證不同堿值柴油發動機油的實際使用性能，并根據行車試驗中取得的機油樣品分析情況，綜合判斷機油的性能與堿值變化的影響因素。

試驗部分

試驗油品

試驗油品信息見表1。

表1 試驗油品信息

臺架試驗

臺架試驗為Caterpillar 1K/1N試驗（以下簡稱1K、1N）[2]。試驗發動機為排量2.44 L的Caterpillar 1Y540單缸試驗機，直噴四氣門，壓縮比為14.5∶1，頂環為梯形環，第二環為矩形環。試驗工況見表2。

表2 Caterpillar 1K/1N臺架試驗工況

分別在試驗0 h、24 h、204 h、252 h取樣，對運動黏度、堿值、磨損金屬元素含量進行測試。試驗結束后，對活塞清凈性進行評分，并測量缸套磨損量。

行車試驗

試驗車輛均為長途物流運輸牽引車。行車試驗工況見表3。

表3 行車試驗工況

結果與討論

臺架試驗

試驗油品堿值（測試方法為SH/T 0688）結果與試驗終點下降率見圖1。

由圖1可見，1N試驗的2個樣品，其堿值下降值與下降率，均小于1K試驗中的樣品；在200 h以后，1#、2#樣品的剩余堿值已大于3#、4#樣品。由于1N試驗的燃油硫含量遠低于1K試驗所用燃油，使得燃燒產物中硫酸等的含量也相對降低，在試驗硬件與測試條件相同時，混入發動機油中的硫酸含量也相應降低，在使用低硫含量燃油時，發動機油會呈現出更好的堿值保持性[3]。

圖1 1K/1N臺架試驗樣品堿值結果

臺架試驗的磨損結果與清凈性缺點評分結果見圖2。通常，缸套磨損量越低，認為該機油的磨損控制越好；清凈性缺點評分越低，認為該機油的清凈性能越好。

由圖2可見：

圖2 1K/1N臺架試驗磨損與清凈性缺點評分

◇在1N試驗中，1#樣品的清凈性缺點評分低，說明堿值保持能力更好的1#相比2#具備更優異的清凈性。1#樣品的缸套磨損保護略優于2#，但均遠未達到磨損警戒限值。

◇在1K試驗中，3#、4#、5#樣品的清凈劑體系相似。3#、5#樣品的堿值下降率略小于4#樣品。3#、5#的清凈性評分略優于4#；初始堿值較高且堿值下降率較低的5#樣品展現了更優異的活塞清凈性。3#、5#樣品的缸套磨損保護優于4#；影響磨損性能的主要為添加劑中的抗磨組分與配方的平衡性，與體現堿值的清凈劑關系較小，磨損指標僅作為參考表征發動機油的整體使用性能。

發動機油的堿值主要由清凈劑所貢獻。因排放標準要求，柴油發動機需加裝后處理裝置，尤其是DPF（顆粒捕集器）裝置，為了更好保護后處理裝置、延長其使用壽命，發動機油對硫酸鹽灰分含量做了進一步的要求，這就要求限制發動機油中的金屬成分總量，尤其是鈣、鎂元素含量）。而為了保證發動機油的清凈性能的進一步提升，在保證皂含量的基礎上，控制金屬成分總量，必須對清凈劑的過堿化程度進行控制，即需控制金屬清凈劑的種類與加入量，這也一定程度上限制了發動機油的初始堿值水平。在發動機油使用過程中，部分烴類會被氧化，生成過氧化物、有機酸等化合物，同時酸性燃燒產物等也存在混入發動機油中的可能性，這些酸性物質會容易腐蝕發動機部件，降低發動機使用壽命。堿值保持能力更好的發動機油，能夠更好的抑制腐蝕的發生。因此，隨著新型添加劑與高檔基礎油得以更廣泛的應用[4,5]，盡管發動機油的初始堿值水平不高，但仍能具備較好的堿值保持能力，夠保證發動機油的綜合性能并未下降。

行車試驗

行車試驗的堿值平均值結果見圖3，磨損金屬（以鐵元素為例）平均值結果見圖4。

由圖3可見，在40000 km換油期內，隨著行駛里程的增加，油樣堿值呈現明顯的下降趨勢，說明發動機油中的堿性組分持續與酸性物質中和，造成堿值下降；4#試驗組的堿值下降幅度最低，磨損金屬監測鐵含量最低。由圖4可見，所有試驗油的鐵元素含量均未超過50 mg/kg，證明3種發動機油在當前的堿值水平以及堿值下降率的條件下，均能較好地滿足發動機潤滑需求。堿值保持能力更好的配方，更有助于控制發動機的腐蝕與磨損。

圖3 行車試驗樣品堿值結果

圖4 行車試驗樣品鐵元素含量結果

比 較 圖 3、 圖1可 知，3#、4#、5#樣品在到達40000 km換油期時，堿值均高于在1K臺架試驗252 h終點時的堿值，表明1K臺架試驗252 h后油品的老化程度，高于40000 km行車試驗油品的老化程度。其中，初始堿值最低的4#樣品，在40000 km使用后堿值下降幅度最小，推測仍具有較長的剩余壽命。

結論

☆Caterpillar 1K/1N臺架試驗證實，發動機油的堿值下降幅度，隨著燃料中硫含量的下降而變緩；在燃料中硫含量相同時，不同清凈劑體系的發動機油堿值變化趨勢存在差異；不同堿值的柴油發動機油，其初始堿值的高低與缸套/活塞環摩擦副的磨損情況無直接關聯；堿值保持能力更好的油品，呈現出更好的清凈性。

☆行車試驗證實，柴油機油初始堿值的高低，與油品老化程度和磨損情況無顯著的直接關聯；堿值保持能力更好的機油，具備更優異的使用性能。

☆隨著市場上燃料油中硫含量水平的降低，以及發動機油添加劑技術的進步，部分具有良好配方平衡性的發動機油，盡管初始堿值較低，但當油品具備較好的堿值保持能力時，仍然能夠滿足柴油發動機油的潤滑性、清凈性、抗磨損以及抗腐蝕的使用需求[6，7]。