利用四球机考察含烟炱柴油机油的抗磨损性能

雷爱莲，谢惊春，徐小红，王爱香，夏群英

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州730060)

利用四球机考察含烟炱柴油机油的抗磨损性能

雷爱莲，谢惊春，徐小红，王爱香，夏群英

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州730060)

高档柴油机油研发中，烟炱引起的磨损是要解决的关键问题之一。该研究采用炭黑作为烟炱模拟物，加入试验油获得了被烟炱污染的柴油机油，以模拟实际发动机试验过程中产生的含烟炱油。并且利用四球磨损试验机为平台，研究建立了模拟试验方法，考察了含烟炱柴油机油的抗磨损性能。结果表明:方法能够有效区分含烟炱柴油机油的抗磨损性能，对不同类型分散剂和黏度指数改进剂在含烟炱柴油机油中的抗磨损性能具有较好的区分性，试验方法有较好的重复性，可以帮助高档柴油机油的研发。

含烟炱柴油机油;抗磨损性能;模拟试验

Abstract:Wear generated by soot in oil is a critical problem in high grade diesel engine oil research work.This soot generated in the full size engine test stand was replaced by a simulator which is called carbon black in this bench test method research work.A related simulation test method was established based on 4－ball wear test machine and the anti－wear performance of the diesel engine oil containing soot was also studied.A series of test results showed that the newly developed bench test method is a good screening tool for diesel engine oil formulation research work with regard to its anti－wear performance.And this test method has good discrimination to the anti－wear performance of oils blended with different kinds of dispersants and VI improvers.The satisfied repeatability is achieved also.

Key words:diesel engine oil containing soot;anti－wear performance;simulation test

0 引言

近几年，随着人们对环保意识的日益增强，对机动车辆的排放物提出了苛刻的排放指标要求。为了减少NOx的排放量，柴油汽车制造商在发动机设计和燃烧技术方面采取了许多技术措施，但也带来了负面影响。最直接的影响是:柴油机在苛刻的燃烧条件下，会产生烟炱，同时也使更多的烟炱滞留在发动机内。在高烟炱水平的条件下，要保持发动机高效工作和延长寿命，需要相应的高性能柴油机油来提供良好的保护。美国石油学会(API)发布的CF－4及以上规格的柴油机油中均涉及到了控制烟炱引起磨损的相关标准台架试验，Mack系列台架用于评价高功率柴油发动机因烟炱造成的活塞环和气缸套衬里的磨损情况，Cummins系列台架用于评价装有废气再循环装置的发动机，产生烟炱以及由其引起十字头阀系磨损的状况［1］。而且已有研究表明［2－3］:提高润滑油对烟炱的分散性能和提高润滑油的抗磨性能，可减小烟炱引起的阀系磨损。

在柴油发动机中，磨粒磨损、黏着磨损、腐蚀磨损、擦伤是主要的磨损类型。磨粒磨损、黏着磨损和擦伤会破坏磨损表面的机械性能，而腐蚀磨损则会引起一系列的化学反应，从而导致磨损的产生。许多研究工作都报道了燃烧产生的烟炱引起发动机零部件产生磨损的机理。有人对含有烟炱的油用四球机进行了试验，他们认为:由于研磨作用引起抗磨层的移去、未解析的ZDTP的吸附及ZDTP解析反应的变化是导致磨损产生的原因［4］。另外，还有人认为:燃烧产生的烟炱本身就是一种磨粒。低速高负荷的运转条件通常会引起烟炱微粒和发动机金属表面之间的油膜破裂，在这种边界润滑状况下的油膜厚度通常在0.001～0.05 μm之间，但是烟炱微粒的直径通常在0.01～0.08 μm之间，这样会引起磨粒磨损［5］。边界润滑通常发生在发动机活塞运动的上止点和下止点位置。因此，最大磨损也发生在这些位置。

经过大量研究，研究人员得出了5个主要烟炱磨损机理［5］:(1)烟炱对ZDTP分解产物的优先吸附，阻碍了金属表面抗磨膜的形成;(2)烟炱同ZDTP对金属表面进行争夺，减少了ZDTP的金属表面覆盖率;(3)烟炱改变了抗磨膜的结构，减弱了抗磨膜的机械强度和对金属表面的黏合力;(4)由于烟炱集聚而使能够真正起润滑作用的油量减少; (5)由烟炱引起的磨粒磨损。其中大多数研究是在模拟试验机上进行的，一些机理在实际发动机中尚未被证实。

近些年的有关研究表明，柴油机的烟炱磨损主要是由磨粒磨损引起的。

在实验室模拟评定方法研究方面，由于模拟试验具有简单、快捷、重复性好的特点，越来越得到各大石油公司研究机构的重视，国外一些大石油公司的研究机构都在研究和建立评定柴油机油烟炱引起的磨损性能的实验室模拟评定方法。常用的模拟评定方法有四球法［6］、球－盘法［7］、销－盘法［7］，这几种方法在基础研究方面用得比较多，但目前尚未见到与标准台架试验相关性的资料。

本研究是利用四球磨损试验机为平台，研究考察了含烟炱柴油机油的抗磨损性能，以指导和帮助高档柴油机油的研发。

1 试验设备及试验件

本研究采用磨损四球机，试验最高转速为2000 r/min，可以实现无级变速，试验温度可以达到150，试验最高负荷为5000 N。试验件采用四球机试验专用钢球，符合GB 308要求。

2 结果与讨论

2.1 烟炱模拟物的选择

本项研究关键的问题之一是烟炱模拟物的选择。因为，烟炱是在发动机燃烧过程中产生的，并慢慢滞留于曲轴箱润滑油中，属于纳米级产物，因此，在模拟试验中必须要找到一种替代物质。国内外进行此项研究工作的人们普遍采用物理形态与烟炱非常相似的炭黑模拟烟炱。将相同含量下同一试样按照确定的试验条件进行了四球磨损试验，其磨斑形貌的SEM照片分别见图1及图2。

图1 含烟炱油的SEM照片

图2 含炭黑油的SEM照片

发动机烟炱与炭黑的分析结果表明:由所选择炭黑产生的磨斑的形貌看出，含炭黑试样的磨斑大小和形貌与含烟炱试样的也比较接近。因此，选择用炭黑代替烟炱进行抗磨损性能试验研究。

2.2 模拟试验条件的确定

参比油选用Cummins ISM台架试验通过油和失败油，加入了一定含量的炭黑，考察了对台架试验失败油和通过油有较好区分性的试验条件。试验方案见表1。试验结果见图3。

表1 试验条件考察方案

续表

图3 不同条件下的试验结果

图3的试验结果表明:所考察的6个条件下，失败油的磨斑直径均大于通过油的磨斑直径，说明均有区分，但条件5的区分性更为显著一些。因此，确定条件5为四球磨损的试验条件。

2.3 试验条件的重复性考察

重复性是试验方法可靠性的关键。为了考察试验方法的重复性，选取了12个油样，在一定的炭黑含量下进行了两种方法的重复性考察，试验结果分别见表2。

表2 试验条件的重复性考察

表2的结果表明:四球磨斑直径小于0.55 mm的样品，参照GB 6683方法计算获得的重复性偏差较小，r为0.10 mm;四球磨斑直径大于0.55 mm的样品，有些样品，由于单次试验结果的重复性偏差不理想，为了提高评定结果的可靠性，采取了取2次试验结果平均值的措施，参照GB 6683方法计算获得的重复性偏差仍然较大，r为0.20 mm。说明抗磨损性能差的样品，重复性偏差较大，这可能是由于样品本身对炭黑的分散性不好所致。为了确保试验数据的可靠性，本方法规定用2次重复测定结果的平均值来评价含烟炱油的抗磨损性能。

2.4 润滑油添加剂的影响

2.4.1 分散剂类型对抗磨损性能的影响

本研究对相关添加剂在含烟炱油中抗磨损性能影响进行了考察。选择了表3所示的6种无灰分散剂，在同一基准配方中分别加入等剂量的分散剂，考察了分散剂类型对含烟炱油品抗磨损性能的影响，结果见图4。

表3 分散剂类型

图4 分散剂类型对含烟炱油抗磨损性能的影响

图4的试验结果表明:高分子型无灰分散剂T161A、T161B、LZ181在含烟炱油中的抗磨性能均优于低分子型分散剂T151A、T152，另外，硼化型无灰分散剂H648优于非硼化的T152，说明方法对此有较好的区分。

2.4.2 黏度指数改进剂类型对含烟炱油抗磨损性能的影响

在本研究中，还考察了黏度指数改进剂类型对含烟炱油抗磨损性能的影响。选择了4种非分散型和2种分散型黏度指数改进剂，基础油和复合剂类型和剂量均相同，黏度指数改进剂以达到15W－40的黏度级别的量加入，黏度指数改进剂情况见表4，模拟试验结果见图5。

表4 黏度指数改进剂类型

图5 黏度指数改进剂类型对含烟炱油抗磨损性能的影响

图5的试验结果表明，分散型黏度指数改进剂D－1和D－2在含烟炱油中的抗磨损性能优于非分散型黏度指数改进剂RHY615、OCP－1、OCP－2和HSD，方法对此有一定的区分。

3 结论

利用四球磨损试验机研究建立的模拟试验方法经济、简单、数据可靠，能够有效区分含烟炱柴油机油抗磨损性能，对不同类型分散剂和黏度指数改进剂在含烟炱柴油机油中的抗磨损性能具有较好的区分性，试验方法有较好的重复性。

［1］张春晖，朱建华.柴油发动机对烟炱的处理能力要求及评定［J］.润滑与密封，2003(6):33－36.

［2］Wim Van Dam，Willis W Wills，Mark W Cooper.The Impact of Additive Chemistry and Lubricant Rheolgy on Wear in Heavy Duty Diesel Engine［C］.SAE 1999－01－3575，1999.

［3］F Stum Menberg，P Duchesne，W M Kleiser.Similarities and Differences Between Acea E3，E4 and E5 Specifications and Their Impact on Heavy Duty Diesel Engine Oil Formulations［C］.SAE 2000－01－1986，2000.

［4］Rounds F G.Cause of Diesel Engine Wear［C］.SAE 770829.

［5］Cheng C Kuo，Charies A Passut，Tze－Chi Jao.Wear Mechanism in Cummins M－11 High Soot Diesel Test Engines［C］.SAE 981372.

［6］Round F G.Soot from Used Diesel Engine Oils－Their Effect on Wear as Measured in 4－Ball Wear Tests［C］.SAE 810049.

［7］R Mainwaring.Soot and Wear in Heavy Duty Diesel Engines［C］.SAE 971613.

Study on the Anti－Wear Performance of Diesel Engine Oil Containing Soot Based on 4－Ball Test Machine

LEI Ai－lian，XIE Jing－chun，XU Xiao－hong，WANG Ai－xiang，XIA Qun－ying
(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Lanzhou 730060，China)

TE626.32

A

2012－04－19。

雷爱莲(1970－)，女，高级工程师 ，1992年毕业于西安交通大学内燃机专业，2004年获得中科院兰州化物所物理化学专业硕士学位，现从事润滑油评定技术及管理工作，已公开发表论文10余篇。

1002-3119(2012)05-0016-04