基礎(chǔ)油對(duì)汽油機(jī)油清凈性的影響

孫文斌+武志強(qiáng)+鐘錦聲+王立華+蓋慧龍

摘要：通過(guò)熱管試驗(yàn)考察了兩個(gè)不同ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油清凈性的變化，考察了不同基礎(chǔ)油以及在不同氣氛下基礎(chǔ)油清凈性的變化，用GC-MS、FTIR對(duì)基礎(chǔ)油及熱管試驗(yàn)后油進(jìn)行了組成分析。研究發(fā)現(xiàn)：熱管試驗(yàn)可以區(qū)分這兩個(gè)不同的ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油的清凈性能； Ⅰ類基礎(chǔ)油清凈性能差， Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎(chǔ)油清凈性能較好；氧氣的存在使基礎(chǔ)油在老化過(guò)程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增多，導(dǎo)致油品清凈性變差。

關(guān)鍵詞：ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；基礎(chǔ)油；清凈性能；汽油機(jī)油

中圖分類號(hào)：TE626.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

高溫清凈性是內(nèi)燃機(jī)油的重要性能。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)向著小型化、大功率、高壓縮比的方向迅速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的使用溫度和工作負(fù)荷不斷提高。油品在使用過(guò)程中受到氧氣、金屬、燃油等作用，會(huì)發(fā)生氧化、聚合、裂解等復(fù)雜的化學(xué)變化并在活塞表面形成積炭、漆膜等沉積物，嚴(yán)重影響內(nèi)燃機(jī)油的使用[1-2]。

ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)主要考察汽油機(jī)油的抗氧化性能和高溫清凈性能。2010年美國(guó)公布了GF-5汽油機(jī)油規(guī)格，與GF-4汽油機(jī)油規(guī)格相比， GF-5汽油機(jī)油ⅢG臺(tái)架試驗(yàn)通過(guò)指標(biāo)中活塞沉積物加權(quán)評(píng)分由不小于3.5變?yōu)椴恍∮?[3-4]，對(duì)油品的清凈性能有了更加嚴(yán)格的要求。基礎(chǔ)油約占內(nèi)燃機(jī)配方的80%～90%，其清凈性的好壞直接影響到成品油的清凈性能，因此研究基礎(chǔ)油對(duì)油品清凈性的影響，對(duì)于油品配方的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

通過(guò)熱管試驗(yàn)考察兩個(gè)不同ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品清凈性的變化；通過(guò)熱管試驗(yàn)考察不同基礎(chǔ)油以及在不同氣氛下基礎(chǔ)油清凈性的變化，用GC-MS、FTIR對(duì)基礎(chǔ)油及熱管試驗(yàn)后油進(jìn)行組成分析。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)用油

5W-30 ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油1#，5W-30 ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油2#，Ⅰ類基礎(chǔ)油、Ⅱ類基礎(chǔ)油、Ⅲ類基礎(chǔ)油、Ⅳ類基礎(chǔ)油。

1.2分析及評(píng)定方法

（1）熱管試驗(yàn)

將一定量的氧氣通入在L型玻璃管內(nèi)加熱循環(huán)的油品中，試驗(yàn)一段時(shí)間后，觀察玻璃管壁上沉積的漆膜顏色，考查油品的高溫清凈性能。設(shè)備：SY-9506型；試驗(yàn)溫度：290 ℃。

（2）ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：程序ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，ASTM D7320[5]。

（3）分析方法

FTIR分析：傅里葉紅外分析，美國(guó)Nicolet公司Magna750型傅立葉紅外光譜儀；GC-MS分析：質(zhì)譜分析，SH/T 0659-1998。

2結(jié)果與討論

2.1不同ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)間油品清凈性的變化

將5W-30試驗(yàn)油1#和5W-30試驗(yàn)油2#進(jìn)行100 h的ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，1#試驗(yàn)油沒(méi)有通過(guò)ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，2#試驗(yàn)油通過(guò)了ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。分別取試驗(yàn)0 h、20 h、40 h、60 h、80 h、100 h油樣進(jìn)行1 h熱管試驗(yàn)。圖1是不同ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)間油品的清凈性變化，其中左側(cè)為1#試驗(yàn)油熱管試驗(yàn)結(jié)果，右側(cè)為2#試驗(yàn)油熱管試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1可以看出，對(duì)于試驗(yàn)油1#， 20 h油樣的熱管就出現(xiàn)黃色漆膜，40 h油樣的清凈性能急劇下降，80 h后整個(gè)熱管被黃色或黑色漆膜覆蓋；與1#油樣相比，2#油樣0 h的熱管評(píng)級(jí)與1#油樣0 h的熱管評(píng)級(jí)幾乎相同，主要原因可能是設(shè)定的熱管的試驗(yàn)條件對(duì)于兩個(gè)0 h油樣來(lái)說(shuō)，條件相對(duì)緩和。除0 h油品的熱管評(píng)級(jí)外，2#油樣在各個(gè)小時(shí)油品的熱管評(píng)級(jí)都比相對(duì)應(yīng)的1#油品的熱管評(píng)級(jí)好。由此可見(jiàn)，熱管試驗(yàn)可以區(qū)分這兩個(gè)ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油的清凈性能。

2.2不同基礎(chǔ)油熱管試驗(yàn)

基礎(chǔ)油是內(nèi)燃機(jī)油的重要組成部分，其清凈性的好壞直接影響到油品的清凈性能。本文通過(guò)熱管試驗(yàn)考察了14個(gè)不同批次的基礎(chǔ)油，其中包括4個(gè)Ⅰ類基礎(chǔ)油、4個(gè)Ⅱ類基礎(chǔ)油、3個(gè)Ⅲ類基礎(chǔ)油、3個(gè)Ⅳ類基礎(chǔ)油，其熱管試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從表1中可以看出，鏈烷烴和少環(huán)環(huán)烷烴含量多，熱管評(píng)級(jí)低，清凈性好；多環(huán)環(huán)烷烴和芳烴含量高，熱管評(píng)級(jí)高，油品清凈性差，芳烴和多環(huán)環(huán)烷烴是清凈性的非理想組分。Ⅰ類基礎(chǔ)油中芳烴和多環(huán)環(huán)烷烴明顯高于其他種類基礎(chǔ)油，這可能是其清凈性差的主要原因。

2.3氧化對(duì)油品清凈性的影響

在熱管試驗(yàn)中，基礎(chǔ)油在高溫和氧氣共同作用下發(fā)生變質(zhì)，為了區(qū)分高溫和氧化的作用，在氮?dú)鈿夥障?，用熱管試?yàn)考察了基礎(chǔ)油清凈性的變化。圖3是四個(gè)基礎(chǔ)油在氮?dú)夂脱鯕鈿夥諚l件下熱管試驗(yàn)結(jié)果。

從圖4可以看出，四個(gè)基礎(chǔ)油在氮?dú)鈿夥障?，熱管幾乎都為無(wú)色，清凈性好。在氧氣氣氛下，熱管都有黃色或黑色漆膜出現(xiàn)。這說(shuō)明基礎(chǔ)油僅在熱作用下，變質(zhì)不明顯；在氧氣的作用下，清凈性變差。圖4到圖7分別是四個(gè)不同基礎(chǔ)油在氮?dú)夂脱鯕鈿夥障聼峁茉囼?yàn)后油品的紅外分析譜圖。

從圖4到圖7可以看出，氮?dú)鈿夥障碌臒峁茉囼?yàn)油與氧氣氣氛下的熱管試驗(yàn)油主要有4個(gè)不同強(qiáng)度的峰：3400 cm-1、1710 cm-1、1600 cm-1、1150 cm-1，氧氣氣氛下的熱管試驗(yàn)油四個(gè)峰的強(qiáng)度明顯大于氮?dú)鈿夥障碌姆鍙?qiáng)度。3400 cm-1為締合羥基的峰，結(jié)合熱管試驗(yàn)后，瓶底有微量的水出現(xiàn)，推斷氧氣氣氛下的熱管試驗(yàn)后油含有更多的水；1710 cm-1為C=O的峰，1150 cm-1左右為C-O的峰，說(shuō)明氧氣氣氛下的熱管試驗(yàn)油含有更多的氧化物；1600 cm-1為芳烴的峰，氧氣氣氛下的熱管試驗(yàn)油在1600 cm-1峰強(qiáng)度明顯高于氮?dú)鈿夥障路鍙?qiáng)度，氧氣的存在，促進(jìn)了油品的芳構(gòu)化反應(yīng)，使油品中芳烴類物質(zhì)增多。

圖8為5W-30試驗(yàn)油1#進(jìn)行ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的新油與試驗(yàn)100 h后油的紅外差譜圖，從圖中可以看出，油品在ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)100 h后1717 cm-1（C=O峰），1601 cm-1（苯環(huán)峰）處峰明顯增大。結(jié)合上面分析，基礎(chǔ)油在熱氧化條件下，含氧物質(zhì)和芳烴類物質(zhì)增多?？梢酝茢嗷A(chǔ)油在ⅢG臺(tái)架試驗(yàn)中生成氧化物質(zhì)和芳烴類物質(zhì)，這是導(dǎo)致油品清凈性變差的重要因素。

3結(jié)論

（1）利用熱管試驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)油的清凈性進(jìn)行了考察，結(jié)果表明：Ⅰ類基礎(chǔ)油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎(chǔ)油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環(huán)烷烴是清凈性的理想組分，多環(huán)烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗(yàn)中，氧氣的存在使基礎(chǔ)油在老化過(guò)程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎(chǔ)油變質(zhì)過(guò)程中，氧化作用明顯強(qiáng)于熱解作用。氧化脫氫促進(jìn)了油品的芳構(gòu)化反應(yīng)，使油品中芳烴類物質(zhì)增多。

（3）ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結(jié)合基礎(chǔ)油在氧化變質(zhì)過(guò)程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強(qiáng)，王立華，等.ILSAC節(jié)能車用潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)定技術(shù)的進(jìn)展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測(cè)定法（質(zhì)譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。

3結(jié)論

（1）利用熱管試驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)油的清凈性進(jìn)行了考察，結(jié)果表明：Ⅰ類基礎(chǔ)油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎(chǔ)油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環(huán)烷烴是清凈性的理想組分，多環(huán)烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗(yàn)中，氧氣的存在使基礎(chǔ)油在老化過(guò)程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎(chǔ)油變質(zhì)過(guò)程中，氧化作用明顯強(qiáng)于熱解作用。氧化脫氫促進(jìn)了油品的芳構(gòu)化反應(yīng)，使油品中芳烴類物質(zhì)增多。

（3）ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結(jié)合基礎(chǔ)油在氧化變質(zhì)過(guò)程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強(qiáng)，王立華，等.ILSAC節(jié)能車用潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)定技術(shù)的進(jìn)展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測(cè)定法（質(zhì)譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。

3結(jié)論

（1）利用熱管試驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)油的清凈性進(jìn)行了考察，結(jié)果表明：Ⅰ類基礎(chǔ)油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎(chǔ)油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環(huán)烷烴是清凈性的理想組分，多環(huán)烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗(yàn)中，氧氣的存在使基礎(chǔ)油在老化過(guò)程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎(chǔ)油變質(zhì)過(guò)程中，氧化作用明顯強(qiáng)于熱解作用。氧化脫氫促進(jìn)了油品的芳構(gòu)化反應(yīng)，使油品中芳烴類物質(zhì)增多。

（3）ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結(jié)合基礎(chǔ)油在氧化變質(zhì)過(guò)程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強(qiáng)，王立華，等.ILSAC節(jié)能車用潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)定技術(shù)的進(jìn)展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測(cè)定法（質(zhì)譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。