柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法的研究

佘海波，丁冬梅，楊超，陳光，于梅

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

近十幾年來，日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)推動柴油發(fā)動機(jī)制造商不斷采取新的發(fā)動機(jī)技術(shù)，如燃油延遲噴射、廢氣再循環(huán)(EGR)、尾氣顆粒捕集器(PDF)、選擇性催化還原(SCR)等，以滿足相應(yīng)的排放法規(guī)的要求。其中燃油延遲噴射、廢氣再循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的燃料柴油不完全燃燒產(chǎn)生的煙炱量增多，從而使柴油機(jī)油受煙炱污染的程度越來越高。機(jī)油中煙炱含量的增加會導(dǎo)致油品黏度的過快增長，并導(dǎo)致發(fā)動機(jī)磨損量的增加。減少煙炱污染對發(fā)動機(jī)性能不良影響的最主要的有效手段是提高油品對煙炱的分散能力。ACEA規(guī)格中的輕(A/B、C系列)、重負(fù)荷柴油機(jī)油(E系列)以及API規(guī)格中的重負(fù)荷柴油機(jī)油(CF-4級及以上)都有相應(yīng)的臺架評定測試以考察柴油機(jī)油有效控制煙炱導(dǎo)致的油品黏度增長和發(fā)動機(jī)磨損的能力，并有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值表征油品分散性能的優(yōu)劣。

提高柴油機(jī)油分散性能是研發(fā)滿足新排放法規(guī)的發(fā)動機(jī)設(shè)計需求油品的主要手段之一，目前在油品的研制過程中，沒有針對性較好的分散性能模擬評價方法，因此有必要進(jìn)行柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法的研究,得出柴油機(jī)油的組分(基礎(chǔ)油、功能添加劑等單一及復(fù)配因素)對油品分散性能影響程度的規(guī)律性認(rèn)識,為高檔柴油機(jī)油的研發(fā)提供技術(shù)支持。

通過對柴油機(jī)油分散性能的研究，可以指導(dǎo)油品的配方研制，解決分散性能臺架測試費用較高、時間周期長等在油品研制過程中面臨的實際問題，提高臺架的通過率。

1 柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法研究所用儀器和方法

1.1 柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法研究所用儀器

進(jìn)行柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法研究所用儀器是L—5型柴油機(jī)油煙炱分散性模擬試驗機(jī)，見圖1。

圖1 L-5型柴油機(jī)油煙炱分散性模擬試驗機(jī)

1.2 柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法

一定量的油樣加在試樣管中，試樣管連接煙炱進(jìn)入管和煙炱排出管，油樣通過油浴保持一定的溫度，使用煙炱發(fā)生器將柴油燃燒時產(chǎn)生的煙炱連續(xù)通入被測樣品中，通過真空泵保持一定的負(fù)壓使得煙炱進(jìn)入測試油樣，煙炱以穩(wěn)定的速率在樣品中遞增時，樣品黏度也會遞增，通過測量煙炱吸收瓶的壓力變化來表征油品的分散性能，油品的分散性能由油品的衰變期來體現(xiàn)，衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

2 柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法的研究實施

2.1 分散試驗儀的穩(wěn)定性考察

為了保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，首先必須進(jìn)行分散試驗儀的穩(wěn)定性考察，采用分散試驗儀進(jìn)行重復(fù)性和區(qū)分性試驗，達(dá)到進(jìn)行分散性試驗要求。試驗條件：油樣質(zhì)量50 g，油浴溫度：100 ℃，試驗結(jié)果見表1。

表1 柴油機(jī)油分散性模擬試驗重復(fù)性和區(qū)分性試驗結(jié)果

表中試驗結(jié)果表明：

(1)兩個樣品500N、20090725進(jìn)行的是重復(fù)性試驗；

(2)三個樣品500N、20090725、0304進(jìn)行的是區(qū)分性試驗；

(3)試驗結(jié)果表明該儀器操作穩(wěn)定，重復(fù)性和區(qū)分性較好，達(dá)到進(jìn)行分散性試驗要求。

2.2 分散性模擬方法與柴油機(jī)油分散性臺架的相關(guān)性研究

為了保證采用的分散性模擬方法與油品分散性臺架具有一定的相關(guān)性，收集有DV4TD、Mack T-8臺架數(shù)據(jù)的油樣，進(jìn)行模擬試驗和臺架試驗相關(guān)性研究，試驗結(jié)果見表2、表3。

表2 DV4臺架試驗與分散性模擬試驗結(jié)果

試驗結(jié)果說明：

(1)DV4臺架試驗黏度增長小的校機(jī)油(RL216)分散性模擬試驗衰變期較長；DV4臺架試驗黏度增長大的校機(jī)油(RL223)分散性模擬試驗衰變期較短；DV4臺架試驗黏度增長在校機(jī)油(RL216)和校機(jī)油(RL223)試驗結(jié)果之間的試驗油(AB-1201)分散性模擬試驗衰變期在校機(jī)油(RL216)和校機(jī)油(RL223)試驗結(jié)果之間；

(2)分散性模擬結(jié)果表明, 分散性模擬試驗與DV4臺架試驗相關(guān)性較好。

采用的分散性模擬機(jī)做Mack T-8E臺架試驗，試驗結(jié)果和臺架試驗油模擬結(jié)果見表3。

表3 Mack T-8E臺架試驗與分散性模擬試驗結(jié)果

由表3可知：通過臺架試驗油的分散性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于基礎(chǔ)油；黏度等級不同的通過Mack T-8E臺架試驗油的分散性模擬結(jié)果接近。分散性模擬方法試驗結(jié)果與柴油機(jī)油分散性臺架試驗結(jié)果具有一定的相關(guān)性。

2.3 煙炱分散性模擬試驗機(jī)產(chǎn)生的煙炱與臺架試驗產(chǎn)生的煙炱相關(guān)性研究

采用掃描電鏡考察了煙炱分散性模擬試驗機(jī)產(chǎn)生的煙炱與Mack T-8E臺架試驗和DV4 臺架試驗產(chǎn)生的煙炱情況，具體情況見表4。

表4 煙炱分散性模擬試驗煙炱與Mack T-8E和DV4 臺架試驗產(chǎn)生的煙炱情況分析

表4中的煙炱顆粒范圍數(shù)據(jù)可以判斷出：

(1)分散性模擬試驗機(jī)產(chǎn)生的顆粒較大煙炱部分附著在油樣管入口管壁上；

(2)分散性模擬試驗進(jìn)入試驗油中的煙炱顆粒較小的溶在試驗油中，顆粒較大的從試驗油中排出附著在油樣管出口管壁上；

(3)Mack T-8E試驗后300 h油樣中煙炱顆粒主要范圍與分散性模擬試驗溶在試驗油中煙炱顆粒主要范圍接近；

(4)DV4試驗后120 h油樣中煙炱顆粒主要范圍與分散性模擬試驗溶在試驗油中煙炱顆粒主要范圍接近。

分散性模擬試驗產(chǎn)生的煙炱顆粒與Mack T-8E試驗、DV4試驗煙炱顆粒尺寸相近，為分散性模擬試驗與Mack T-8E試驗、DV4試驗相關(guān)性研究打下了科學(xué)基礎(chǔ)。

2.4 潤滑油的分散性能與煙炱分散性模擬試驗結(jié)果的規(guī)律性考察

2.4.1 潤滑油中基礎(chǔ)油對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用煙炱分散性模擬試驗機(jī)對不同種類基礎(chǔ)油的分散性能影響規(guī)律考察，所考察的基礎(chǔ)油種類范圍包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同基礎(chǔ)油的分散性能

注：衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

基礎(chǔ)油分散性模擬試驗結(jié)果表明：

(1)451(季戊四醇酯)由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)其本身的分散性能最好；

(2)Ⅱ基礎(chǔ)油的HVIP6和500N相比較，黏度大的500N分散性能好于黏度小的HVIP6；

(3)其他基礎(chǔ)油相比較，HVI400、HVIP6、PAO166的分散性能基本相當(dāng)，ETRO6的分散性能稍差。

2.4.2 潤滑油中降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑對油品分散性能的影響規(guī)律考察

(1)潤滑油中降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(非分散型)對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用同一基礎(chǔ)油和不同結(jié)構(gòu)的降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(非分散型)(劑量相同)相復(fù)配，進(jìn)行分散性試驗,試驗結(jié)果見表6。

表6 不同降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(非分散型)的分散性能

注：衰變時間越長，說明油品的分散性越好。

試驗結(jié)果說明：不同降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑分散性模擬試驗結(jié)果表明,四個樣品的衰變時間基本接近，比基礎(chǔ)油的衰變時間稍長一些，說明降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(非分散型)對油品的分散性能影響較小。

(2)潤滑油中黏度指數(shù)改進(jìn)劑(分散型)對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用同一基礎(chǔ)油和黏度指數(shù)改進(jìn)劑(分散型本中心合成/H5777)(劑量相同)相復(fù)配，進(jìn)行分散性試驗,試驗結(jié)果見表7。

表7 不同降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(分散型)的分散性能

分散性模擬試驗結(jié)果表明,分散性黏度指數(shù)改進(jìn)劑可有效提高油品的分散性能，本中心合成的DOCP與進(jìn)口的H5777分散性能相當(dāng)。

2.4.3 潤滑油中抗氧抗腐抗磨劑對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用基礎(chǔ)油(500N)與抗氧抗磨劑調(diào)合樣品，進(jìn)行分散性試驗，考察抗氧抗磨劑對分散性能影響，試驗結(jié)果見表8。

表8 抗氧抗磨劑對分散性能影響

試驗結(jié)果說明：抗氧抗磨劑對分散性能影響不大。

2.4.4 潤滑油中清凈劑對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用基礎(chǔ)油(500N)與常用清凈劑調(diào)合樣品，進(jìn)行分散性試驗，考察同種清凈劑不同來源和不同劑量對分散性能影響，并與同劑量的國產(chǎn)分散劑作對比，試驗結(jié)果見表9。

表9 清凈劑對油品分散性能的影響

分散性模擬試驗結(jié)果表明：

(1)清凈劑具有一定的分散性能，清凈劑T101、T115A劑量的增加，分散性能有所提高，同等劑量情況下，OLOA246、T115A的分散性能優(yōu)于T101；

(2)同等劑量情況下，分散劑T152的分散性明顯優(yōu)于清凈劑T101、T115A。

2.4.5 潤滑油中分散劑對油品分散性能的影響規(guī)律考察

(1)潤滑油中分散劑量對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用基礎(chǔ)油(500N)與常用國產(chǎn)分散劑(劑量不同)調(diào)合樣品，進(jìn)行分散性試驗，試驗結(jié)果見表10。

表10 不同劑量分散劑對分散性能影響

分散性模擬試驗結(jié)果表明, 隨著分散劑量的增加，油品分散性能提高。

(2)潤滑油中不同分散劑對油品分散性能的影響規(guī)律考察

采用基礎(chǔ)油(500N)與不同結(jié)構(gòu)國產(chǎn)分散劑(劑量相同)調(diào)合樣品，進(jìn)行分散性試驗，并與進(jìn)口的分散劑分散性對比，試驗結(jié)果見表11。

表11 不同分散劑對油品分散性能的影響

分散性模擬試驗結(jié)果表明, 不同結(jié)構(gòu)國產(chǎn)分散劑分散性能有差異，分散性能T154B優(yōu)于T152，T161A；結(jié)構(gòu)相似分散劑進(jìn)口的分散性能優(yōu)于國產(chǎn)的。

2.4.6 全配方中基礎(chǔ)油和功能添加劑之間復(fù)配對油品分散性能的影響規(guī)律考察

(1)艦船油分散性能考察

考察研制的艦船油3和競品艦船油1及已生產(chǎn)艦船油2分散性能，試驗結(jié)果見表12。

表12 艦船油分散性能

試驗結(jié)果說明：

試驗油樣的氮含量可表征試驗油中分散劑的加量，分散性模擬結(jié)果表明, 試驗油樣的氮含量與分散性模擬試驗衰變期成正比，試驗油樣分散性能隨著分散劑量的增加而增強(qiáng)。

(2)小漁船油分散性能考察

小漁船油分散性能考察見表13。

表13 小漁船油分散性能

表13(續(xù))

試驗結(jié)果說明：

①小漁船油1和小漁船油2進(jìn)行的是重復(fù)性試驗，結(jié)果表明該試驗重復(fù)性較好；

②小漁船油、CD、CF-4、CH-4油樣的質(zhì)量級別不同，進(jìn)行的區(qū)分性試驗，結(jié)果表明該試驗區(qū)分性較好。

(3)移動式液化天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)專用油分散性能考察

移動式液化天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)專用油分散性能考察見表14。

表14 移動式LNG發(fā)動機(jī)專用油分散性能

試驗結(jié)果說明：

①分散性模擬試驗結(jié)果表明, 試驗油樣的氮含量與分散性模擬試驗衰變期成正比，試驗油樣分散性能隨著分散劑量的增加而增強(qiáng)。

②分散性模擬試驗結(jié)果表明, LNG2的分散性能優(yōu)于參比油和競品LNG、LNG1。

(4)考察船用柴油機(jī)油不同基礎(chǔ)油、不同配方的分散性能

采用分散性試驗儀考察船用柴油機(jī)油不同基礎(chǔ)油、不同配方的分散性能，試驗結(jié)果見表15。

表15 船用柴油機(jī)油不同基礎(chǔ)油、不同配方的分散性能

試驗結(jié)果說明：

①4040S、4040H-8樣品分散性模擬試驗結(jié)果表明, Ⅱ類基礎(chǔ)油的分散性稍優(yōu)于Ⅰ類基礎(chǔ)油。

②4040、4040H-8樣品分散性模擬試驗結(jié)果表明, 分散劑量相同的條件下，水楊酸鹽的分散性優(yōu)于磺酸鹽。

③4040H-8、4040H-1樣品分散性模擬試驗結(jié)果表明,中高堿水楊酸復(fù)配有利于提高油品的分散性能。

(5)機(jī)車油分散性能考察

機(jī)車油分散性能考察見表16。

表16 機(jī)車油分散性能

試驗結(jié)果表明：機(jī)車油分散性能基本與氮含量成正比。

(6)漁船油分散性能考察

漁船油分散性考察見表17。

表17 漁船油分散性能

試驗結(jié)果表明：漁船油分散性能基本與氮含量成正比。

3 柴油機(jī)油分散性模擬試驗方法的研究結(jié)論

(1)分散性模擬方法與柴油機(jī)油分散性臺架具有一定的相關(guān)性。

(2)通過本試驗方法的研究可以建立一種分散性模擬試驗方法，用于評價柴油機(jī)油分散性能。

(3)通過對潤滑油中的組分(基礎(chǔ)油、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑、分散劑、清凈劑、抗氧抗腐劑、抗磨劑等)分散性能的影響規(guī)律考察，可以得出初步的規(guī)律性認(rèn)識。

(4)全配方中基礎(chǔ)油和功能添加劑之間復(fù)配對油品分散性能的影響規(guī)律考察，可以指導(dǎo)全配方的不同性能之間的平衡。

(5)本分散性模擬方法的研究，對全配方油品的開發(fā)、油品分散性評價、油品配方內(nèi)部性能之間的平衡等具有一定的指導(dǎo)意義。

(6)本方法是一種分散性模擬方法，對配方研制針對油品分散性能的篩選提供了切實可行的有效手段。