[重负荷柴油机油分散性能的探讨] 重负荷柴油机油要求

　　摘要：重负荷柴油机油对油品的烟炱分散性要求越来越高。研究表明，不同组成的基础油对油品分散性能影响不同，其中链烷烃是理想组分；文章考察了不同结构黏度指数改进剂、不同结构的无灰分散剂和金属清净剂对油品分散性能的影响规律，为高档柴油机油的研发提供技术支持。
　　关键词：重负荷柴油机油；分散性；基础油；黏度指数改进剂；添加剂
　　中图分类号：TE626.32　文献标识码：A
　　0、引言
　　在过去的10～20年间，日趋严格的排放法规推动柴油发动机制造商不断采取新的发动机技术，以满足相应的排放标准。而新的重负荷柴油发动机技术的应用，也必然对重负荷柴油机油的各项性能提出越来越高的要求，尤其是对油品的烟炱分散性能的要求不断提高。从API CF－4到API CJ－4，在防止油品黏度增长、缸套抛光、阀系及轴承磨损方面的要求都显著提高，而这些性能均与润滑油的烟炱分散性能密切相关。在API重负荷柴油机油性能规格中，评价由烟炱引起的发动机油黏度增长的发动机台架试验从Mack T－8(烟炱含量为3.8％)、Mack T－8E(烟炱含量为4.8％)发展到Mack T－11(烟炱含量为6％)，对油品的烟炱分散性能要求越来越苛刻。同时Mack T－9(烟炱含量为1.75％)、Mack T－12(烟炱含量为5％～7％)、RFWT(烟炱含量为5.O％)及Cummins ISM(烟炱含量为6.O％)是评价由于发动机油中烟炱增加而对发动机各部位造成的磨损的发动机试验，也要求油品具有优异的控制烟炱分散的性能。由此可见，发动机油规格的发展对油品的烟炱分散性能提出了越来越高的要求。
　　烟炱含量的增加对油品产生的负面影响主要表现在以下几个方面：加速油品的黏度增长；导致油路的堵塞；增加发动机各个部位的磨损，因此要求油品必须对烟炱有优异的分散性能。为提高油品的烟炱分散性能，有必要对影响重负荷柴油机油的烟炱分散性能的因素进行系统研究。一方面，认为有必要对柴油机油中使用的黏指剂和功能添加剂等对油品烟炱分散性的影响进行研究，国内已有学者用不同的手段在此领域进行研究，另一方面也要对基础油对烟炱分散性能的影响进行研究。本研究用烟炱分散模拟试验对各类基础油及基础油的组成对烟炱的分散性能的影响进行了考察，同时考察了不同结构黏度指数改进剂、不同结构无灰分散剂和其他常用添加剂对油品分散性能的影响规律，为高档柴油机油的研发提供技术支持。
　　
　　1、烟炱分散性试验方法
　　烟炱是柴油发动机工作过程中不完全燃烧的产物，重负荷柴油机采用直喷技术，燃料喷人量大，未完全燃烧的柴油容易生成烟炱窜入曲轴箱。烟炱在机油中的聚集能引起系统黏度增长，油品增稠最终会导致机油泵送困难乃至发动机故障。常用的评价油品烟炱分散性能的模拟实验方法有多种，例如斑点试验是考察油品在一定温度下对外来污染物的分散能力；也可用电子显微镜或粒度仪研究烟炱颗粒的分散状况；或采用炭黑模拟烟炱，评价油品由于烟炱引入导致的黏度增长率来评价油品的分散性能。由于实际发动机试验通常采用试验前后油品的黏度增长率作为规格质量指标，因而本研究采用的模拟试验为用相似粒径的炭黑模拟烟炱，用由炭黑引起的黏度增长率来评价油品的分散性能。具体分散试验方法为在试油中加入一定比例炭黑，用高速乳化机使炭黑分散到试油中，在一定温度下测量试油的黏度，计算加炭黑油样相对于新油的黏度增长率，增长率越低说明油品的烟炱分散性能越好。某一样品的油品分散性能模拟试验的重复性试验结果见表1，该试验的重复性较好。
　　
　　2、油品分散性能的研究
　　2.1　基础油对油品分散性能的影响
　　目前周内润滑油基础油以Ⅰ、Ⅱ类基础油为主，还有部分Ⅲ、Ⅳ类基础油。Ⅰ类基础油是以老三套工艺生产的基础油，芳烃含量高，黏度指数低；Ⅱ类和Ⅲ类基础油是使用加氢工艺生产的基础油，芳烃含量低，黏度指数高；Ⅳ类基础油主要是聚α－烯烃。试验选取了比较有代表性的100℃黏度相差不大的各类基础油，所用基础油的主要理化性能见表2。试验中考察了在不同基础油中加入cF－4复合剂的油样对烟炱分散性的影响，结果见表3。
　　试验表明：随着基础油黏度指数的增加，Ⅱ类和Ⅲ类基础油的烟炱分散性能好于Ⅰ类基础油。尤其Ⅲ类基础油E的烟炱分散性能明显好于其他的评定基础油。基础油对烟炱分散的影响差异决定于基础油的化学族组成。高黏度指数的基础油链烷烃含量相对高，环烷烃及芳烃含量相对低，基础油的许多性能和基础油馏分范围的宽窄和轻重组分的分布及链烷烃的支化度等因素密切相关。
　　重负荷柴油机油配方中通常由2个或多个基础油组分和复合添加剂组成的，并且多级油中会加入黏度指数改进剂，影响因素较多。选取了同为I类HVI 150基础油的A－1、A－2和A－3基础油，加入其他基础油Ⅱ10(基础油配比HVI 150：Ⅱ10为4：1)、一种OCP型黏度指数改进剂和CF－4复剂，考察油品的烟炱分散性能，结果见表4。
　　由表4可以看出同为I类基础油，不同的基础油对油品的烟炱分散性能也有较大影响。再次证明了基础油的化学族组成对烟炱分散性能的作用不同。
　　
　　基础油对烟炱的分散性能的影响还需从基础油的组成上进行考察，Ⅰ类油含较多的芳烃组分，Ⅱ类和Ⅲ类基础油主要是以链烷烃和环烷烃组分为主，Ⅳ类基础油为链烷烃。由此可见，基础油组成主要以链烷烃、环烷烃和芳烃为主。试验中选取一种PAO油代表链烷烃组分，一种高环烷烃含量的环烷基油代表环烷烃组分，一种烷基苯代表芳烃组分，考察基础油中不同组分对烟炱分散性能的影响，结果见表5和表6。
　　从表5和表6可以看出，链烷烃的分散性能最好，环烷烃和芳烃均有使油品烟炱分散性能变坏的趋势，对烟炱分散有不利的影响。因而可以认为链烷烃是油品烟炱分散的理想组分。
　　2.2　黏度指数改进剂对油品烟炱分散性能的影响
　　有文献报道不同的黏度指数改进剂对油品的烟炱分散性能的影响不同。试验中考察了不同类型的黏度指数改进剂对油品的烟炱分散性能的影响。固定基础油和复合添加剂，加入不同黏度指数改进剂，其中黏指剂N－1、N－2是苯乙烯异戊二烯共聚物，黏指剂N－3到N－7为乙丙共聚物，油品的烟炱分散性能的结果见表7。
　　从表7可以看出，不同类型的黏度指数改进剂对于油品的烟炱分散性能影响很大。苯乙烯异戊二烯共聚物型黏度指数改进剂结构中的苯环可能不利于烟炱的分散；同样是乙丙共聚物型黏度指数改进剂对油品的分散性能的影响也相差悬殊，这可能与乙丙共聚物中乙烯及丙烯单体的相对比例、排列方式、空间结构和相对分子质量大小等因素相关。
　　2.3　复合添加剂对油品烟炱分散性能的影响
　　对于内燃机油的烟炱分散性能，除了选择好基础油和黏度指数改进剂以外，复合添加剂对提高油品的烟炱分散能力也起重要的作用。在固定基础油配方(Ⅱ6和Ⅱ10)和OCP型黏度指数改进剂(N－6)条件下，加入不同的内燃机油复合添加剂，考察其烟炱分散能力，结果见表8。
　　由表8可以看到，不同复合剂在相同的基础油配方和黏度指数改进剂中的烟炱分散能力也有差别。CJ－4复合剂表现出优异的烟炱分散性。
　　柴油机油中主要采用丁二酰亚胺型分散剂来解决油品对烟炱的分散问题，丁二酰亚胺型分散剂有单挂丁二酰亚胺、双挂丁二酰亚胺、多丁二酰亚胺、高分子丁二酰亚胺及上述产品的硼化产物。有文献提及油品对炭黑的分散性能与分散剂中的马来酸酐数、氮含量和聚异丁烯相对分子质量的大小有关。试验中选取的基础配方是在固定的基础油配方(Ⅱ6、Ⅱ10和OCP型黏度指数改进剂N一6)中加入一定量的金属清净剂、无灰分散剂和二烷基二硫代磷酸锌(zDDP)及少量辅助抗氧剂，对不同类型的无灰分散剂和其他添加剂对烟炱分散性能的影响进行考察，结果见表9。
　　由表9中F－1到F－3数据知，高分子无灰分散剂c具有较好的分散性能，低分子无灰剂B的分散能力相对较差。在研制体系中一定范围内增加无灰分散剂用量，油品对烟炱的分散性能并没有较大程度的提高，在配方中选择适当的无灰剂用量即可。由F－5到F－8的结果可知，清净剂的用量的增加会影响油品的烟炱分散性，其中增加硫化烷基酚钙用量会降低油品的分散性，而增加磺酸钙用量对分散性影响相对不明显；另外，增加ZDDP用量对油品烟炱分散性影响不大，而二苯胺型辅助抗氧剂的加入对油品的烟炱分散性有不利的影响。
　　3、结论
　　(1)不同类型的基础油的烟炱分散能力不同，黏度指数高的基础油的烟炱分散性能好于黏度指数低的基础油。基础油族组成中链烷烃是油品分散性能的理想组分。
　　(2)不同类型和结构的黏度指数改进剂对油品烟炱分散性的影响差别很大。
　　(3)高分子无灰分散剂具有较好的分散性，清净剂、ZDDP和辅助抗氧剂对油品的烟炱分散性的影响各不相同。