不同堿值柴油機(jī)油的使用性能考察

趙磊

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值指標(biāo)，通常被用來判斷機(jī)油的中和酸性物質(zhì)的能力。發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值主要來源于清凈劑組分。清凈劑一般為金屬鹽類，屬于多功能添加劑，除用于中和酸性物質(zhì)外，還提供沉積物控制、抗氧化、分散、防銹等功能[1]。因此一般認(rèn)為堿值在一定程度上，代表了油品具備的清凈性和酸腐蝕抑制能力。經(jīng)過Caterpillar 1K/1N臺架試驗(yàn)以及行車試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用性能，與初始堿值水平無必然關(guān)聯(lián)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值變化趨勢，與所用的清凈劑技術(shù)水平、燃料硫含量以及運(yùn)行工況等因素有關(guān)。

本文通過Caterpillar 1K/1N臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證不同堿值柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用性能，關(guān)注堿值變化的趨勢，討論清凈性和抗磨損性的性能表現(xiàn)的關(guān)系；通過行車試驗(yàn)驗(yàn)證不同堿值柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的實(shí)際使用性能，并根據(jù)行車試驗(yàn)中取得的機(jī)油樣品分析情況，綜合判斷機(jī)油的性能與堿值變化的影響因素。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)油品

試驗(yàn)油品信息見表1。

表1 試驗(yàn)油品信息

臺架試驗(yàn)

臺架試驗(yàn)為Caterpillar 1K/1N試驗(yàn)（以下簡稱1K、1N）[2]。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為排量2.44 L的Caterpillar 1Y540單缸試驗(yàn)機(jī)，直噴四氣門，壓縮比為14.5∶1，頂環(huán)為梯形環(huán)，第二環(huán)為矩形環(huán)。試驗(yàn)工況見表2。

表2 Caterpillar 1K/1N臺架試驗(yàn)工況

分別在試驗(yàn)0 h、24 h、204 h、252 h取樣，對運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、磨損金屬元素含量進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)束后，對活塞清凈性進(jìn)行評分，并測量缸套磨損量。

行車試驗(yàn)

試驗(yàn)車輛均為長途物流運(yùn)輸牽引車。行車試驗(yàn)工況見表3。

表3 行車試驗(yàn)工況

結(jié)果與討論

臺架試驗(yàn)

試驗(yàn)油品堿值（測試方法為SH/T 0688）結(jié)果與試驗(yàn)終點(diǎn)下降率見圖1。

由圖1可見，1N試驗(yàn)的2個(gè)樣品，其堿值下降值與下降率，均小于1K試驗(yàn)中的樣品；在200 h以后，1#、2#樣品的剩余堿值已大于3#、4#樣品。由于1N試驗(yàn)的燃油硫含量遠(yuǎn)低于1K試驗(yàn)所用燃油，使得燃燒產(chǎn)物中硫酸等的含量也相對降低，在試驗(yàn)硬件與測試條件相同時(shí)，混入發(fā)動(dòng)機(jī)油中的硫酸含量也相應(yīng)降低，在使用低硫含量燃油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油會呈現(xiàn)出更好的堿值保持性[3]。

圖1 1K/1N臺架試驗(yàn)樣品堿值結(jié)果

臺架試驗(yàn)的磨損結(jié)果與清凈性缺點(diǎn)評分結(jié)果見圖2。通常，缸套磨損量越低，認(rèn)為該機(jī)油的磨損控制越好；清凈性缺點(diǎn)評分越低，認(rèn)為該機(jī)油的清凈性能越好。

由圖2可見：

圖2 1K/1N臺架試驗(yàn)?zāi)p與清凈性缺點(diǎn)評分

◇在1N試驗(yàn)中，1#樣品的清凈性缺點(diǎn)評分低，說明堿值保持能力更好的1#相比2#具備更優(yōu)異的清凈性。1#樣品的缸套磨損保護(hù)略優(yōu)于2#，但均遠(yuǎn)未達(dá)到磨損警戒限值。

◇在1K試驗(yàn)中，3#、4#、5#樣品的清凈劑體系相似。3#、5#樣品的堿值下降率略小于4#樣品。3#、5#的清凈性評分略優(yōu)于4#；初始堿值較高且堿值下降率較低的5#樣品展現(xiàn)了更優(yōu)異的活塞清凈性。3#、5#樣品的缸套磨損保護(hù)優(yōu)于4#；影響磨損性能的主要為添加劑中的抗磨組分與配方的平衡性，與體現(xiàn)堿值的清凈劑關(guān)系較小，磨損指標(biāo)僅作為參考表征發(fā)動(dòng)機(jī)油的整體使用性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值主要由清凈劑所貢獻(xiàn)。因排放標(biāo)準(zhǔn)要求，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需加裝后處理裝置，尤其是DPF（顆粒捕集器）裝置，為了更好保護(hù)后處理裝置、延長其使用壽命，發(fā)動(dòng)機(jī)油對硫酸鹽灰分含量做了進(jìn)一步的要求，這就要求限制發(fā)動(dòng)機(jī)油中的金屬成分總量，尤其是鈣、鎂元素含量）。而為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)油的清凈性能的進(jìn)一步提升，在保證皂含量的基礎(chǔ)上，控制金屬成分總量，必須對清凈劑的過堿化程度進(jìn)行控制，即需控制金屬清凈劑的種類與加入量，這也一定程度上限制了發(fā)動(dòng)機(jī)油的初始堿值水平。在發(fā)動(dòng)機(jī)油使用過程中，部分烴類會被氧化，生成過氧化物、有機(jī)酸等化合物，同時(shí)酸性燃燒產(chǎn)物等也存在混入發(fā)動(dòng)機(jī)油中的可能性，這些酸性物質(zhì)會容易腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)部件，降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。堿值保持能力更好的發(fā)動(dòng)機(jī)油，能夠更好的抑制腐蝕的發(fā)生。因此，隨著新型添加劑與高檔基礎(chǔ)油得以更廣泛的應(yīng)用[4,5]，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)油的初始堿值水平不高，但仍能具備較好的堿值保持能力，夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)油的綜合性能并未下降。

行車試驗(yàn)

行車試驗(yàn)的堿值平均值結(jié)果見圖3，磨損金屬（以鐵元素為例）平均值結(jié)果見圖4。

由圖3可見，在40000 km換油期內(nèi)，隨著行駛里程的增加，油樣堿值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，說明發(fā)動(dòng)機(jī)油中的堿性組分持續(xù)與酸性物質(zhì)中和，造成堿值下降；4#試驗(yàn)組的堿值下降幅度最低，磨損金屬監(jiān)測鐵含量最低。由圖4可見，所有試驗(yàn)油的鐵元素含量均未超過50 mg/kg，證明3種發(fā)動(dòng)機(jī)油在當(dāng)前的堿值水平以及堿值下降率的條件下，均能較好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑需求。堿值保持能力更好的配方，更有助于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕與磨損。

圖3 行車試驗(yàn)樣品堿值結(jié)果

圖4 行車試驗(yàn)樣品鐵元素含量結(jié)果

比 較 圖 3、 圖1可 知，3#、4#、5#樣品在到達(dá)40000 km換油期時(shí)，堿值均高于在1K臺架試驗(yàn)252 h終點(diǎn)時(shí)的堿值，表明1K臺架試驗(yàn)252 h后油品的老化程度，高于40000 km行車試驗(yàn)油品的老化程度。其中，初始堿值最低的4#樣品，在40000 km使用后堿值下降幅度最小，推測仍具有較長的剩余壽命。

結(jié)論

☆Caterpillar 1K/1N臺架試驗(yàn)證實(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值下降幅度，隨著燃料中硫含量的下降而變緩；在燃料中硫含量相同時(shí)，不同清凈劑體系的發(fā)動(dòng)機(jī)油堿值變化趨勢存在差異；不同堿值的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油，其初始堿值的高低與缸套/活塞環(huán)摩擦副的磨損情況無直接關(guān)聯(lián)；堿值保持能力更好的油品，呈現(xiàn)出更好的清凈性。

☆行車試驗(yàn)證實(shí)，柴油機(jī)油初始堿值的高低，與油品老化程度和磨損情況無顯著的直接關(guān)聯(lián)；堿值保持能力更好的機(jī)油，具備更優(yōu)異的使用性能。

☆隨著市場上燃料油中硫含量水平的降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)油添加劑技術(shù)的進(jìn)步，部分具有良好配方平衡性的發(fā)動(dòng)機(jī)油，盡管初始堿值較低，但當(dāng)油品具備較好的堿值保持能力時(shí)，仍然能夠滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的潤滑性、清凈性、抗磨損以及抗腐蝕的使用需求[6，7]。