一種船用柴油機(jī)油的研制及其性能評價(jià)

王莉，王欣，劉功德，楊超，丁元慶

(1.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032;2.中國人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100000;3.大連新意業(yè)材料開發(fā)有限公司，遼寧 大連 116000 )

0 引言

本項(xiàng)目研制的船用柴油機(jī)油是一種適用于高黏度油的高速大功率、重負(fù)荷帶增壓器的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。以前研制過船用低增壓柴油機(jī)油,但其質(zhì)量等級低，處于CB質(zhì)量等級(現(xiàn)已淘汰)。低溫性能和高溫清凈性都較差，且不具有分水性能。因此需要一種高黏度等級，優(yōu)異的低溫性能和高溫清凈性能，并且有很好的分水性能來解決船中的潤滑油因進(jìn)水而引起乳化的問題。本項(xiàng)目研制的船用柴油機(jī)油從黏度指數(shù)不小于80提高到不小于90，傾點(diǎn)不大于-15 ℃，更有利于低溫環(huán)境下的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。通過基礎(chǔ)油和添加劑的復(fù)配得到了一種具有優(yōu)良的高溫清凈性、氧化安定性、分水性和添加劑抗水洗性的船用柴油機(jī)油。

1 配方研制

1.1 基礎(chǔ)油研究

基礎(chǔ)油的選擇對于配方的研制起著至關(guān)重要的作用[1]，基礎(chǔ)油不但要有合適的黏度，還應(yīng)該有很好的黏溫性能和氧化安定性等特性。不同加工工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)油，由于其本身存在差異 ，會(huì)導(dǎo)致分水性能不同[2]。在原來配方常規(guī)選用MVI 150BS基礎(chǔ)上，此次選擇性能更佳的加氫基礎(chǔ)油。因此選用中國石油優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)油HVIH8、HVIP8、HVIH150BSM，并在基礎(chǔ)油不同配比下進(jìn)行流變性研究，見表1。

表1 HVIH8和HVIH150BSM對流變性能的影響

表1(續(xù))

適當(dāng)改變基礎(chǔ)油比例，油品100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)以滿足指標(biāo)要求。但隨著功能添加劑加劑量的改變，基礎(chǔ)油的比例可適當(dāng)調(diào)整。HVIP8和HVIH150BSM對流變性能的影響見表2。

表2 HVIP8和HVIH150BSM對流變性能的影響

結(jié)果表明中國石油優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)油HVIH8、HVIP8、HVIH150BSM經(jīng)過合理的配比都可以滿足本試驗(yàn)要求。

1.2 添加劑的研究

1.2.1 清凈劑

清凈劑通常是由碳酸鹽與吸附在碳酸鹽表面上的表面活性劑所組成的穩(wěn)定的載荷膠團(tuán)和游離的表面活性劑分子等所構(gòu)成[3]。在內(nèi)燃機(jī)油中有酸中和、增溶、分散和洗滌的作用。目前，常用的清凈劑主要包括烷基水楊酸鹽、硫化烷基酚鹽和磺酸鹽三大類。磺酸鹽是潤滑油中清凈劑最常用的一種，由于磺酸鎂鹽清凈劑具有低灰分的優(yōu)點(diǎn)，能夠降低灰分，同時(shí)具有更好的防銹性能，因此，多用于高檔潤滑油[4-5]。高堿值的烷基酚鹽清凈劑其有機(jī)鏈長相對較短，分散性能較差，因此，它通常與磺酸鹽清凈劑進(jìn)行復(fù)配使用[6]。烷基水楊酸鹽是含羥基的芳香酸鹽，其高溫清凈性比硫化烷基酚鹽要高，有很好的酸中和能力、高溫清凈性能、抗氧和抗腐蝕性能，綜合了磺酸鹽和硫化烷基酚鹽的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了兩者的不足。本項(xiàng)目主要選用烷基水楊酸鈣作為清凈劑。

1.2.2 無灰分散劑

本項(xiàng)目研究的分散劑以丁二酰亞胺為主[7],它由親油基、極性基和連接部分組合而成。該結(jié)構(gòu)易形成膠團(tuán)，對氧化產(chǎn)物有增溶作用，所以對積炭、煙灰等固態(tài)顆粒有很好的分散作用。

1.2.3 抗氧抗腐抗磨劑

本項(xiàng)研究選擇的抗氧抗腐劑為硫代磷酸鹽[8]。硫代磷酸鹽具有抑制游離基生成、分解過氧化物、減緩氧化物生成速度的作用，同時(shí)還具有抗腐、抗磨損性，是內(nèi)燃機(jī)油中常用的抗氧抗腐劑。

1.2.4 降凝劑

降凝劑就是加入少量就可以改善蠟結(jié)晶的過程，降低潤滑油的凝點(diǎn)，使其在低溫下可以流動(dòng)。目前國內(nèi)外已相繼開發(fā)出多種類型柴油降凝劑，如聚乙烯乙酸乙烯酯、聚α-烯烴、馬來酸酐、聚甲基丙烯酸酯、含氮類極性化合物等[9]。本項(xiàng)研究選擇的降凝劑為聚α-烯烴，降凝劑的結(jié)構(gòu)對降凝的效果起著很重要的作用。

1.2.5 抗泡劑

為了解決發(fā)泡問題，需加入一定量的抗泡劑，抗泡劑主要是含硅、非硅和復(fù)合抗泡劑[10]。本項(xiàng)研究選擇的抗泡劑為聚甲基硅油。

本項(xiàng)目通過對各種添加劑進(jìn)行復(fù)配研究[11]。利用分水性試驗(yàn)對其分水性能進(jìn)行測定，這也是船用柴油機(jī)油區(qū)別于陸用產(chǎn)品的主要標(biāo)志[12]。利用抗水洗性試驗(yàn)測定了水可能對油中的添加劑有抽提作用[13]，造成油品性能下降。通過四球試驗(yàn)考察了油品的抗磨損能力[14]，曲軸箱試驗(yàn)考察其高溫清凈的性能，PDSC試驗(yàn)考察了其抗氧化的能力[15]。經(jīng)過不同的配比考察方案，綜合考察各項(xiàng)性能后，最終確定該船用柴油機(jī)油的最優(yōu)組成為方案9，見表3。

表3 試驗(yàn)油各方案性能考察

表3(續(xù))

2 性能評價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)室理化性能評價(jià)

對研制油品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室理化性能考察，見表4，可以看出該油品具有良好的分散性、抗氧抗腐蝕性、抗磨性能和清凈分散性能，并且都能滿足指標(biāo)的要求。

表4 研制油實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)

2.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性考察

對本試驗(yàn)新研制出的油品和老油品按照1∶3、1∶1、3∶1比例進(jìn)行混兌，混合后油樣在-20 ℃、100 ℃條件及常溫條件下儲(chǔ)存10 d，每24 h觀察一次并記錄外觀變化，均澄清透明無沉淀產(chǎn)生。結(jié)果表明，在高溫、低溫和常溫儲(chǔ)存條件下，油品穩(wěn)定性良好。

2.3 相容性試驗(yàn)考察

對兩種油品進(jìn)行相容性試驗(yàn)，新研制試驗(yàn)油品和老油品按照1∶3、1∶1、3∶1比例進(jìn)行混兌，儲(chǔ)存半年外觀清澈透明見圖1。對其混合油品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室理化性能的考察，基本理化性能都可以滿足試驗(yàn)要求，見表5。

表5 相容性試驗(yàn)分析結(jié)果

圖1 儲(chǔ)存半年外觀

3 臺(tái)架評定

3.1 內(nèi)燃機(jī)油高溫氧化和軸瓦腐蝕評定試驗(yàn)(L-38法)

L-38法是利用專用的單缸汽油機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的操作條件下，測定軸瓦的失重以及生成的沉淀物和樣品的黏度變化等。本試驗(yàn)的部分測定結(jié)果見表6～表9?？梢钥闯霰驹囼?yàn)油具有很好的高溫抗氧化性能和抗腐蝕性能。

表6 軸瓦失重

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)沉積物評定

表7(續(xù))

表8 機(jī)油消耗量

表9 機(jī)油黏度分析

3.2 內(nèi)燃機(jī)油清凈性和抗磨損性能評定(CATERPILLAR 1H2法)

CATERPILLAR 1H2法是在規(guī)定轉(zhuǎn)速和燃油消耗率的條件下，使增壓單缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),測定其活塞沉積物的性質(zhì)以及數(shù)量、活塞環(huán)黏結(jié)狀況、活塞環(huán)和氣缸套的磨損程度，檢測結(jié)果見表10、表11。1-H2臺(tái)架試驗(yàn)中活塞的圖片見圖2。表明本試驗(yàn)油品具有良好的清凈性能和抗磨性能。

表10 活塞評分

表11 機(jī)油消耗量

圖2 CATERPILLAR 1H2試驗(yàn)活塞照片

綜上所述，該新研制的船用柴油機(jī)油，通過了L-38、1-H2和FZG承載性能測定臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架評定匯總結(jié)果見表12。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該試驗(yàn)油具有良好的高溫抗氧化性能、抗腐蝕性能、清凈性能和抗磨性能等，符合指標(biāo)要求。

表12 研制油臺(tái)架評定結(jié)果

4 結(jié)論

本項(xiàng)目選用中國石油優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)油，通過對其流變性和各種添加劑復(fù)配影響的研究，研制出一種新型船用柴油機(jī)油，該油品各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室理化性能均滿足指標(biāo)要求，并通過了Caterpillar1H2和L38、FZG臺(tái)架試驗(yàn)，具有很好的分水性、防銹性，優(yōu)良的高溫清凈性、氧化安定性，并具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能。該油品能很好地適用于高黏度油的高速大功率、重負(fù)荷帶增壓器的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。