采用Mack T-9台架试验分析机油理化性质的变化

杨 鹤，宋海清，郝丽春，卢文彤

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

采用Mack T-9台架试验分析机油理化性质的变化

杨 鹤，宋海清，郝丽春，卢文彤

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

以Mack T-9发动机台架为研究工具，分析了8种柴油机油在500 h台架试验过程中的烟炱含量、黏度、金属含量、总酸值、总碱值、硝化物和磷元素化学状态等性质的变化过程，探索了柴油机油性质的变化对缸套磨损的影响。试验结果表明：黏度稳定、抗氧化能力强和总碱值偏高的柴油机油有助于降低发动机磨损，分析结果将对高品质柴油机油的开发提供指导。

柴油机油 Mack T-9发动机台架 抗磨性能 理化性质

为了满足日益苛刻的环保要求，柴油发动机技术不断向前发展，这对柴油机油性能提出了更高的要求，促使柴油机油规格不断发展，伴随着产生了相对应的柴油机油评定台架试验[1-4]。

由于我国发动机润滑油标准已与国际接轨，高档油品配方的确定均需要通过符合国际标准要求的台架试验，因此中国石化石油化工科学研究院引进并建立了相应的台架Mack T-9柴油机油评定台架。Mack T-9 发动机台架试验是ASTM标准中用来评定柴油发动机油对活塞环和气缸衬里抗磨损和抗腐蚀的试验，属于柴油发动机油规格CF-4， CG-4， CH-4指标中的一项试验。

韩恒文[5]综述了Mack系列柴油机油台架试验的发展过程，概括了Mack台架试验对开发高性能柴油机油的重要参考价值。卢文彤等[6]研究分析了Mack T-9柴油机油台架试验中润滑油流变性质、添加剂和润滑油中烟炱等因素对缸套、活塞环和轴瓦磨损腐蚀的影响。而Mack T-9柴油机油台架试验测试运行时间长达500 h，在试验过程中柴油机油的理化性质发生了较大的变化，这一变化过程需要进行深入研究，这将有助于理解柴油机油升级对配方的深度要求。因此针对Mack T-9柴油机油台架试验，利用常规方法、红外光谱法、核磁共振(NMR)P谱分析法等手段分析8种柴油机油在Mack T-9柴油机油台架试验过程的性质变化，以期有助于高品质柴油机油的开发。

1 试验过程及试验油样

Mack T-9 发动机台架试验分为2个阶段，第一阶段发动机运行75 h，使烟炱产生速率最大化；第二阶段发动机运行425 h，使发动机磨损最大化。试验结束后分析缸套、活塞环和轴瓦的磨损情况，本研究重点关注缸套的平均磨损深度。详细的试验过程可参见SHT 0761—2005[7]。表1列出了试验中所用的柴油机油质量级别、黏度级别，以及Mack T-9台架试验后缸套平均磨损深度。

表1 Mack T-9台架的柴油机油样品及缸套平均磨损深度

在发动机台架试验过程中定期抽取柴油机油油样测量其性质。

2 结果与讨论

从表1可以看出，油样T9-B所对应的缸套平均磨损深度最小，为25.12 μm，表明该油样的抗磨性能最好；油样T9-G所对应的缸套平均磨损深度最大，为58.89 μm，表明该油样的抗磨性能最差。

2.1 不同试验阶段油样的常规性能分析

由于润滑油中的烟炱含量与柴油发动机的磨损和正常运行密切相关，并且各种新型柴油机技术使润滑油中烟炱的含量越来越高，因此烟炱含量的测定对于柴油机而言已越来越重要。图1给出了7种柴油机油样品在Mack T-9台架试验过程中烟炱含量随时间的变化。

图1 柴油机油烟炱含量随时间的变化■—T9-A； ●—T9-B； ▲—T9-C； ； ◆—T9-E； ； 。 图2同

由图1可以看出：在相同的台架试验操作条件下，平均磨损值高的柴油机油烟炱含量也高，说明烟炱能加剧缸套-活塞环的磨损；但也存在烟炱含量较低，平均磨损值高的油样，如缸套平均磨损值为49.66 μm的T9-F油样，其烟炱含量不高，但平均磨损值较高，说明油样的抗磨性能很差。由此可初步判断柴油机油的润滑能力除了要体现在降低缸套-活塞环的正常做功磨损，还要体现在改善发动机的工作条件，降低烟炱含量及烟炱所产生的磨损，最终才能满足指标要求。

润滑油的黏度是其润滑性能的重要参数，图2列出了柴油机油黏度随时间的变化过程。由图2可知：在Mack T-9台架试验的前100 h中，柴油机油先因剪切造成黏度的下降，后由于烟炱的产生而造成黏度升高，各油样在此阶段的黏度变化规律类似；后期的400 h中黏度变化较大的油样，平均磨损值都较高；后期的400 h中平均磨损值较低的油样黏度均能保持稳定。因此，在长时间的试验中，黏度发生较大变化的油样，在Mack T-9台架试验中不会取得好的试验结果。

图2 柴油机油黏度随时间的变化

内燃机油的总碱值和总酸值可以反映出润滑油中添加剂的添加和消耗情况。图3和图4分别是不同油样总碱值和总酸值随试验时间的变化曲线。从图3可以看出：由于各系列润滑油的配方不同，油样的总碱值各不相同，但随着时间的延长，各系列油样的总碱值均存在降低的趋势，说明随着时间延长润滑油中添加剂逐渐被消耗；除油样T9-G外，总碱值高的油样磨损值较低，润滑油抗磨性好，这可能与高碱磺酸盐-清净剂的加入量高有关。

图3 柴油机油总碱值随时间的变化■—T9-B； ●—T9-C； ▲—T9-D； ； ◆—T9-F； ； 。 图4同

图4 柴油机油总酸值随时间的变化

从图4可以看出，由于各系列润滑油的配方不同，油样的总酸值基本相同，但随着取样时间的延长，各系列油样的总酸值均存在增加的趋势，说明试验过程中润滑油逐渐氧化变质或添加剂被消耗。

在Mack T-9台架试验中使用的主要摩擦副均为钢铁合金材料，只要有磨损的产生，就会有金属元素进入润滑油中。为此，对进行Mack T-9台架试验的柴油机油，选取平均磨损值较高的T9-G油样和平均磨损值较低的T9-B油样，测定其各试验阶段金属元素的含量，结果见图5～图7。

图5 柴油机油Fe含量随时间的变化■—Y9-B； ●—T9-G。 图6、图7同

图6 柴油机油Cu含量随时间的变化

图7 柴油机油Na含量随时间的变化

由图5可知：平均磨损值大的T9-G油样各阶段的铁含量均高于平均磨损值小的T9-B油样，前100 h的差别尚不明显，后400 h的试验中则差别越来越大，说明T9-G油样的抗磨能力开始就比T9-B油样差；而后随着试验的进行T9-G油样的抗磨性能越来越差，产生这一现象的原因可能是试验过程的高温高压等恶劣环境造成了润滑油的氧化、抗磨剂的消耗和烟炱的增多等。

图6列出了T9-G油样和T9-B油样Cu含量随时间的变化情况。Cu元素来自于发动机中轴瓦等巴氏合金材料，其磨损的程度表明润滑油对除发动机缸套活塞环外其它发动机摩擦副的抗磨损能力。由图6可知，T9-G油样对其它部位的抗磨能力也很差。

图7列出了T9-G油样和T9-B油样Na含量随时间的变化情况。Na元素主要来自于润滑油清净剂。由图7可知，T9-B油样中Na含量较高，由此可以初步判断，较高含量的清净剂有利于柴油机油抗磨性能的提高。

2.2 不同试验阶段油样的氧化值、硝化值和磺化值分析

利用红外光谱监测法对Mack T-9台架试验油样T9-B，T9-G，T9-H的氧化值、硝化值和磺化值进行检测，结果见图8～图10。

图8 不同取样时间油样的氧化值■—T9-B； ●—T9-C； ▲—T9-H。 图9、图10同

图9 不同取样时间油样的硝化值

从图8可以看出：随着取样时间增加，氧化值增加，这说明在使用过程中润滑油逐渐发生氧化；对比油样T9-B，T9-G，T9-H发现，油样T9-G的氧化值远高于其它2个系列。表明提高配方的抗氧化能力有利于提高柴油机油的抗磨性能。

从图9可以看出，随着取样时间的增加，3个系列油样的硝化值均增加，说明润滑油在使用过程中硝化的存在，反映了润滑油使用性能的衰减；从该试验结果来看，这3个系列油样硝化物的多少及其随试验时间的变化相差不大，但比较0 h油样和500 h油样的硝化值，可看出不同配方的抗硝化程度有所差异。

图10 不同取样时间油样的磺化值

从图10可以看出：随着取样时间延长，磺化值增加，且油样T9-G系列的磺化值远高于其它2个油样系列；T9-G中的磺酸盐产物值从0 h就偏高，可能是油样中本身含有磺酸盐类组分，而这种组分可能不利于配方抗磨作用的发挥。

2.3 不同试验阶段油样的抗磨组分(ZDDP)分析

依据文献[8-9]报道，31P NMR谱图中的磷原子谱峰可分成7组，分别归属于7种磷化合物，这7种磷化合物的结构式及其化学位移列于表2。上述7种磷化合物可以分为3类：有效磷、中间磷、氧化磷；碱性ZDDP(b-ZDDP)、中性ZDDP(n-ZDDP)以及二硫代磷酸酯(SPS)为ZDDP抗氧抗磨的有效组分，称为有效磷，表示为P[S2O2]；硫代磷酸酯(SPO和OPS)和硫代磷酸盐(SPO-)是ZDDP在行车试验中进行氧化降解反应的中间产物，还具备一定的抗氧抗磨作用，称为中间磷，表示为 P[SO3]；磷酸酯(盐)(OPO-)则是ZDDP的最终氧化降解产物，已经完全丧失抗氧抗磨作用，因此称为氧化磷，表示为P[O4]。

表2 磷化合物的分类及其化学位移

对T9-B，T9-G，T9-H 3个系列的新油与Mach T-9台架试验500 h油样的31P NMR谱进行对比，结果见图11。根据上述方法分析新油和500 h试验后油样中磷原子类型分布，结果列于图12。

从图11可以看出，T9-B，T9-G，T9-H 3个系列润滑油新油中加入的磷化合物都是以碱性ZDDP为主，也存在少量其它的类型。这三者的其它类型磷化合物不同，油样T9-B含有一些中性ZDDP和二硫代磷酸酯，油样T9-G主要是二硫代磷酸酯，而油样T9-H则主要是中性ZDDP。从图11还可以看出，经过500 h台架试验后，油样的磷谱出现了硫代磷酸酯、硫代磷酸盐及磷酸酯(盐)，分别属于中间磷和氧化磷。此3种油的磷化合物类型与含量也各不相同，即三者的磷化合物的变化各不相同。

从图12可以看出，各系列油样新油中磷原子96%以上以有效磷的形式存在，而在500 h油样中磷原子大部分以氧化磷的形式存在，且随各系列润滑油配方的不同，磷化合物的分布各不相同。经过500 h台架试验后，有效磷含量较低，说明其有效磷在试验过程中通过化学反应发挥了其抗氧和抗磨作用，而后转化为中间磷和氧化磷。

图11 试验油样的31P NMP图谱

图12 新油与500 h油样中的磷化合物类型分布■ —有效磷； ■ —中间磷； ■ —氧化磷

3 结 论

(1) 柴油机油的黏度在T-9台架试验中保持稳定有利于降低磨损。

(2) 抗磨能力较差的油样中金属元素含量较高，可通过试验过程中金属元素的监控预测试验结果。

(3) 磨损值较高的柴油机油的总酸值总体偏高，总碱值总体偏低。

(4) 抗氧化能力较差的柴油机油不利于提高抗磨能力。

(5) 经过500 h发动机台架试验后，油样中ZDDP的有效磷大部分转化为氧化磷。

对柴油机油在Mack T-9台架试验过程的理化性质变化过程的研究和分析，将有助于开发高端柴油机油。

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[3] 张倩，安谧.柴油机油添加剂的稳定性研究[J].石油炼制与化工，2016，47(4)：71-75

[4] 吴长彧，马永宏，杨道胜.2015年美国下一代重负荷柴油机油规格展望[J].合成润滑材料，2015，42(1)：25-27

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[6] 卢文彤，刘顺涛，王庆新，等.柴油机油Mack T-9试验分析[J].润滑油，2004，19(3)：51-56

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ANALYSIS OF PHYSICOCHEMICAL PROPERTY CHANGES OF ENGINE OIL IN MACK T-9 BENCH TEST

Yang He， Song Haiqing， Hao Lichun， Lu Wentong

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The changes in soot content， viscosity， mental content， total acid value， total alkali value， nitrification and phosphorus chemical state of eight kinds of engine oils in 500-hours Mack T-9 bench test were analyzed to investigate the effects on the cylinder liner wear. The results indicate that the diesel engine oil with steady viscosity， strong anti-oxidization ability and high total alkali value is useful to improve the anti-wear performance. The knowledge from the results is helpful to develop high-grade diesel engine oils.

diesel engine oil； Mack T-9 engine bench； anti-wear performance； physicochemical properties

2016-05-30； 修改稿收到日期： 2016-09-02。

杨鹤，博士，高级工程师，主要从事燃油、润滑剂等石油产品的应用研究工作。

杨鹤，E-mail：yanghe.ripp@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目(111051)。