煙炱對(duì)柴油機(jī)油性能影響及解決方案

安文杰+等

摘要：重負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷革新對(duì)潤(rùn)滑油的性能提出了越來(lái)越高的要求，尤其是煙炱分散性能。文章綜述了提高潤(rùn)滑油煙炱分散性能的必要性，介紹了重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格中所要求的與煙炱分散性能相關(guān)的臺(tái)架試驗(yàn)方法，闡述了煙炱的產(chǎn)生過程和煙炱對(duì)柴油機(jī)油性能的影響，分別從無(wú)灰分散劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑和抗氧劑等方面提出了解決煙炱引起的油品黏度增長(zhǎng)和磨損等問題的方案。

關(guān)鍵詞：煙炱；柴油機(jī)油；無(wú)灰分散劑；黏度指數(shù)改進(jìn)劑；抗氧劑

中圖分類號(hào)：TE62632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

Influence of Soot on the Performance of Diesel Engine Oil and Solution ethod

N Wen-jie， ZHO Zheng-hua， ZHOU Xu-guang， HUNG Qing， GUO Peng， LI Hai-ping

（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute， Lanzhou 730060， China）

bstract：With the technological innovation of heavy duty diesel engine， it requires increasing performance of lubricating oil， especially soot-dispersancy This paper summarizes the necessity of improving the soot dispersancy of lubricating oil， bench test methods associated with soot-dispersancy under the diesel engine oil specifications， describes the soot formation and the effects of soot on the performance of diesel engine oil Besides， a way to solve the problem of the oil viscosity increase and wear caused by soot is proposed from the aspects of ashless dispersant， viscosity index improver and antioxidant respectively

Key words：soot； diesel engine oil； ashless dispersant； viscosity index improver； antioxidant

0引言

[JP2]排放法規(guī)的不斷苛刻導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)以達(dá)到新的排放要求，例如廢氣再循環(huán)（EGR）、延遲噴射等，這些技術(shù)的采用，使?jié)櫥椭械臒熿坪看蟠笤黾?，煙炱含量的高低和結(jié)構(gòu)狀況直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和柴油機(jī)油的耐久性，大量煙炱的聚集會(huì)造成濾網(wǎng)堵塞而影響供油，油品黏度增大而流動(dòng)性變差，[JP3]同時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸套—活塞環(huán)部分和進(jìn)排氣閥系部分的磨損加劇，這一系列不利因素的產(chǎn)生，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油具有更優(yōu)越的煙炱分散性能和抗磨損性能等。

重負(fù)荷柴油機(jī)油自PI CF-到CI-，在防止油品黏度增長(zhǎng)、缸套拋光、閥系及軸承磨損性能方面得到了顯著提高，而這些性能與潤(rùn)滑油的煙炱分散性能是緊密相關(guān)的。OE為向發(fā)動(dòng)機(jī)提供充分有效地保護(hù)，在CF-、CG-和CH-的柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，允許的煙炱含量分別為20%、38%及8%，在柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)中增加了ackT-8、ackT-8E和ackT-11來(lái)評(píng)價(jià)由煙炱引起的發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度增長(zhǎng)；增加了ackT-9、ackT-10、Cummins 11及Cummins 11EGR來(lái)評(píng)價(jià)煙炱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的磨損，可見，煙炱分散和磨損已成為重負(fù)荷柴油機(jī)油最關(guān)鍵的性能要求[1-3]。

1煙炱的生成

煙炱是一種混合物，它是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣不足條件下不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的不定型炭，初始大小約20～80 nm，在柴油機(jī)油中以固體不溶物的形式存在。煙炱的生成與空氣溫度、空氣中氧濃度、燃料種類及其在燃燒過程中與空氣的配比情況有關(guān)，主要有個(gè)階段的變化：（1） 低分子碳?xì)浠衔锿ㄟ^高溫裂解生成不飽和烴； （2）由化學(xué)反應(yīng)形成煙炱微粒核；（3） 煙炱微粒核經(jīng)過聚合、碳化、表面生長(zhǎng)等過程生長(zhǎng)為煙炱微粒；（） 煙炱微粒通過凝結(jié)、集合形成大塊煙炱。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)形成煙炱顆粒核階段，主要有多環(huán)芳香烴中間體說(shuō)（polycyclic aromatic hydrocarbons—PHs）、乙炔中間體說(shuō)（polyynes-PYs）和烴離子說(shuō)（ionicspecies）等。因煙炱粒子一般具有和石墨相類似的構(gòu)造，所以芳香烴中間體說(shuō)得到了較廣泛的認(rèn)同[-6]。

2煙炱對(duì)柴油機(jī)油性能的影響

煙炱對(duì)柴油機(jī)油影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是引起油品黏度急劇增長(zhǎng)；二是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)閥系和軸承造成磨損。

[JP2]當(dāng)煙炱作為單獨(dú)的小顆粒存在時(shí)，一般不會(huì)引起黏度明顯地增加，但由于煙炱微粒具有很高的表面自由能，在柴油機(jī)油中具有強(qiáng)烈自發(fā)聚結(jié)的熱力學(xué)傾向，因此，當(dāng)煙炱團(tuán)聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大顆粒時(shí)其直接的影響是使油品的黏度急劇增加，進(jìn)而影響供油效率[7]，不同時(shí)間下煙炱顆粒的聚集程度如圖1所示

[8]等以掃描電鏡對(duì)煙炱引起的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)磨損進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，見圖2。并得到結(jié)論：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損主要和基礎(chǔ)油、煙炱含量及ZnDTP有關(guān)，且磨損會(huì)隨著煙炱含量的增加而增大，%含量的煙炱對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面磨損很大，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作和油品的性能，煙炱顆粒的晶體結(jié)構(gòu)具有很高的硬度，煙炱含量較高將導(dǎo)致摩擦副磨損增大。

3分散煙炱的方法

為提高重負(fù)荷柴油機(jī)油的煙炱分散性能， 國(guó)內(nèi)外各油品添加劑公司做了大量的研究， 從無(wú)灰分散劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、抗氧劑和添加劑配方組成等各方面研究了解決油品煙炱分散性能的方案。

（1）無(wú)灰分散劑

US 018992[9]指出：傳統(tǒng)的分散劑如高分子單掛無(wú)灰、高分子雙掛無(wú)灰等在ack T-11臺(tái)架試驗(yàn)中均不能阻止煙炱和黏度增長(zhǎng)，即使添加量增多也效果不明顯。而結(jié)構(gòu)如下所示的芳香烴化合物，則可以在ack T-11中提供優(yōu)異的煙炱分散效果。

無(wú)灰分散劑的高分子化和復(fù)配也是解決煙炱分散的一種辦法。由于煙炱顆粒的比表面積很大，微粒間的吸引力很強(qiáng)，很容易發(fā)生團(tuán)聚，而使用高分子無(wú)灰分散劑在煙炱表面的吸附能更有效地阻止煙炱

[LL]

微粒的團(tuán)聚。高分子化的途經(jīng)主要有兩條：一是使用更高分子量的基團(tuán)如：聚對(duì)苯、聚對(duì)苯乙炔、聚噻吩、聚吡咯等來(lái)替代傳統(tǒng)無(wú)灰分散劑中的聚異丁烯基團(tuán)；二是通過交聯(lián)反應(yīng)來(lái)提高產(chǎn)品分子量。US 598355[12]中采用兩種胺化度分別為18與13的丁二酰亞胺，在ack T-8試驗(yàn)中38%煙炱時(shí)油品黏度增加值僅為398 mm2/s（通過值為低于115 mm2/s）；US 7018958[13]采用了23%加量的高分子單丁二酰亞胺硼化物與836%加量的非硼化丁二酰亞胺，得到滿足PI CI-規(guī)格的油品。

對(duì)于解決煙炱分散性能無(wú)灰分散劑的研究，是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。從總體來(lái)看，主要集中在改變無(wú)灰分散劑結(jié)構(gòu)，如引入芳香性基團(tuán)或者添加具有芳香性基團(tuán)的輔助性添加劑、提高分散劑分子量和對(duì)不同分散劑進(jìn)行復(fù)配等。從各公司的重負(fù)荷柴油機(jī)油技術(shù)看， 高性能分散劑的使用仍是解決油品煙炱分散性能的主要途徑。

（2）黏度指數(shù)改進(jìn)劑

研究表明：具有分散功能的黏度指數(shù)改進(jìn)劑（DOCP）對(duì)油品的煙炱分散性能提高較為有利。Irwin Goldblatt等[1]以特定的DOCP部分替代油品配方中的OCP時(shí)，可通過ack T-8臺(tái)架試驗(yàn)，而不含DOCP的配方則不能通過。朱和菊等[15]在油品中加入DOCP后進(jìn)行煙炱分散模擬評(píng)價(jià)，并認(rèn)為DOCP的加入能夠明顯提高油品的煙炱分散性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出，黏度指數(shù)改進(jìn)劑的類型與煙炱分散性能關(guān)系較為密切，加入分散型黏度指數(shù)改進(jìn)劑和分散型補(bǔ)強(qiáng)劑的油品，煙炱分散性能有明顯改善。

盡管分散型黏度指數(shù)改進(jìn)劑能顯著改善油品的煙炱分散性能， 但由于其中有效組分含量少（僅為普遍分散劑的10%左右）， 因而對(duì)煙炱分散性能的貢獻(xiàn)也只能是輔助性的， 必須與高性能的無(wú)灰分散劑共同使用。

（3）抗氧劑

US 0006855[16]認(rèn)為：對(duì)因采用EGR系統(tǒng)后的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)特別是重負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的煙炱，以及因煙炱引起的潤(rùn)滑油黏度增加的問題，可以通過添加苯二胺化合物來(lái)改善，并且不會(huì)出現(xiàn)對(duì)油品不利的方面。

從圖3可見，當(dāng)煙炱含量在%以下時(shí)，兩種油樣的黏度增長(zhǎng)方面基本相似，沒有什么區(qū)別，但是當(dāng)煙炱含量大于%時(shí)，特別是當(dāng)煙炱含量大于5%時(shí)，“Comp1”沒有通過ack T-11試驗(yàn)，而“Inv1”通過了ack T-11試驗(yàn)，有很好的控制潤(rùn)滑油黏度增長(zhǎng)的作用。

顯然，如果能夠以通過改變抗氧劑方式來(lái)提高油品煙炱分散性能的方法是簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的。

結(jié)論及建議

提高油品煙炱分散性能的主要途徑是使用具有煙炱分散性能的無(wú)灰分散劑，此外，黏度指數(shù)改進(jìn)劑和抗氧劑等對(duì)油品的煙炱分散性能的影響也具有重要作用。

至今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)油中煙炱成分認(rèn)識(shí)還不深刻，未能形成完善的理論及解決方案。因此，這就需要在以后研究中加快對(duì)煙炱的認(rèn)識(shí)，在研制具有煙炱分散性能無(wú)灰分散劑的同時(shí)，不斷完善配方技術(shù)。

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