柴油机油分散性模拟试验方法的研究

佘海波，丁冬梅，杨超，陈光，于梅

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032)

0 引言

近十几年来，日趋严格的排放法规推动柴油发动机制造商不断采取新的发动机技术，如燃油延迟喷射、废气再循环(EGR)、尾气颗粒捕集器(PDF)、选择性催化还原(SCR)等，以满足相应的排放法规的要求。其中燃油延迟喷射、废气再循环技术的应用导致发动机的燃料柴油不完全燃烧产生的烟炱量增多，从而使柴油机油受烟炱污染的程度越来越高。机油中烟炱含量的增加会导致油品黏度的过快增长，并导致发动机磨损量的增加。减少烟炱污染对发动机性能不良影响的最主要的有效手段是提高油品对烟炱的分散能力。ACEA规格中的轻(A/B、C系列)、重负荷柴油机油(E系列)以及API规格中的重负荷柴油机油(CF-4级及以上)都有相应的台架评定测试以考察柴油机油有效控制烟炱导致的油品黏度增长和发动机磨损的能力，并有对应的标准数值表征油品分散性能的优劣。

提高柴油机油分散性能是研发满足新排放法规的发动机设计需求油品的主要手段之一，目前在油品的研制过程中，没有针对性较好的分散性能模拟评价方法，因此有必要进行柴油机油分散性模拟试验方法的研究,得出柴油机油的组分(基础油、功能添加剂等单一及复配因素)对油品分散性能影响程度的规律性认识,为高档柴油机油的研发提供技术支持。

通过对柴油机油分散性能的研究，可以指导油品的配方研制，解决分散性能台架测试费用较高、时间周期长等在油品研制过程中面临的实际问题，提高台架的通过率。

1 柴油机油分散性模拟试验方法研究所用仪器和方法

1.1 柴油机油分散性模拟试验方法研究所用仪器

进行柴油机油分散性模拟试验方法研究所用仪器是L—5型柴油机油烟炱分散性模拟试验机，见图1。

图1 L-5型柴油机油烟炱分散性模拟试验机

1.2 柴油机油分散性模拟试验方法

一定量的油样加在试样管中，试样管连接烟炱进入管和烟炱排出管，油样通过油浴保持一定的温度，使用烟炱发生器将柴油燃烧时产生的烟炱连续通入被测样品中，通过真空泵保持一定的负压使得烟炱进入测试油样，烟炱以稳定的速率在样品中递增时，样品黏度也会递增，通过测量烟炱吸收瓶的压力变化来表征油品的分散性能，油品的分散性能由油品的衰变期来体现，衰变时间越长，说明油品的分散性越好。

2 柴油机油分散性模拟试验方法的研究实施

2.1 分散试验仪的稳定性考察

为了保证试验数据的有效性，首先必须进行分散试验仪的稳定性考察，采用分散试验仪进行重复性和区分性试验，达到进行分散性试验要求。试验条件：油样质量50 g，油浴温度：100 ℃，试验结果见表1。

表1 柴油机油分散性模拟试验重复性和区分性试验结果

表中试验结果表明：

(1)两个样品500N、20090725进行的是重复性试验；

(2)三个样品500N、20090725、0304进行的是区分性试验；

(3)试验结果表明该仪器操作稳定，重复性和区分性较好，达到进行分散性试验要求。

2.2 分散性模拟方法与柴油机油分散性台架的相关性研究

为了保证采用的分散性模拟方法与油品分散性台架具有一定的相关性，收集有DV4TD、Mack T-8台架数据的油样，进行模拟试验和台架试验相关性研究，试验结果见表2、表3。

表2 DV4台架试验与分散性模拟试验结果

试验结果说明：

(1)DV4台架试验黏度增长小的校机油(RL216)分散性模拟试验衰变期较长；DV4台架试验黏度增长大的校机油(RL223)分散性模拟试验衰变期较短；DV4台架试验黏度增长在校机油(RL216)和校机油(RL223)试验结果之间的试验油(AB-1201)分散性模拟试验衰变期在校机油(RL216)和校机油(RL223)试验结果之间；

(2)分散性模拟结果表明, 分散性模拟试验与DV4台架试验相关性较好。

采用的分散性模拟机做Mack T-8E台架试验，试验结果和台架试验油模拟结果见表3。

表3 Mack T-8E台架试验与分散性模拟试验结果

由表3可知：通过台架试验油的分散性能远远好于基础油；黏度等级不同的通过Mack T-8E台架试验油的分散性模拟结果接近。分散性模拟方法试验结果与柴油机油分散性台架试验结果具有一定的相关性。

2.3 烟炱分散性模拟试验机产生的烟炱与台架试验产生的烟炱相关性研究

采用扫描电镜考察了烟炱分散性模拟试验机产生的烟炱与Mack T-8E台架试验和DV4 台架试验产生的烟炱情况，具体情况见表4。

表4 烟炱分散性模拟试验烟炱与Mack T-8E和DV4 台架试验产生的烟炱情况分析

表4中的烟炱颗粒范围数据可以判断出：

(1)分散性模拟试验机产生的颗粒较大烟炱部分附着在油样管入口管壁上；

(2)分散性模拟试验进入试验油中的烟炱颗粒较小的溶在试验油中，颗粒较大的从试验油中排出附着在油样管出口管壁上；

(3)Mack T-8E试验后300 h油样中烟炱颗粒主要范围与分散性模拟试验溶在试验油中烟炱颗粒主要范围接近；

(4)DV4试验后120 h油样中烟炱颗粒主要范围与分散性模拟试验溶在试验油中烟炱颗粒主要范围接近。

分散性模拟试验产生的烟炱颗粒与Mack T-8E试验、DV4试验烟炱颗粒尺寸相近，为分散性模拟试验与Mack T-8E试验、DV4试验相关性研究打下了科学基础。

2.4 润滑油的分散性能与烟炱分散性模拟试验结果的规律性考察

2.4.1 润滑油中基础油对油品分散性能的影响规律考察

采用烟炱分散性模拟试验机对不同种类基础油的分散性能影响规律考察，所考察的基础油种类范围包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，试验结果见表5。

表5 不同基础油的分散性能

注：衰变时间越长，说明油品的分散性越好。

基础油分散性模拟试验结果表明：

(1)451(季戊四醇酯)由于其特殊的分子结构其本身的分散性能最好；

(2)Ⅱ基础油的HVIP6和500N相比较，黏度大的500N分散性能好于黏度小的HVIP6；

(3)其他基础油相比较，HVI400、HVIP6、PAO166的分散性能基本相当，ETRO6的分散性能稍差。

2.4.2 润滑油中降凝剂、黏度指数改进剂对油品分散性能的影响规律考察

(1)润滑油中降凝剂、黏度指数改进剂(非分散型)对油品分散性能的影响规律考察

采用同一基础油和不同结构的降凝剂、黏度指数改进剂(非分散型)(剂量相同)相复配，进行分散性试验,试验结果见表6。

表6 不同降凝剂、黏度指数改进剂(非分散型)的分散性能

注：衰变时间越长，说明油品的分散性越好。

试验结果说明：不同降凝剂、黏度指数改进剂分散性模拟试验结果表明,四个样品的衰变时间基本接近，比基础油的衰变时间稍长一些，说明降凝剂、黏度指数改进剂(非分散型)对油品的分散性能影响较小。

(2)润滑油中黏度指数改进剂(分散型)对油品分散性能的影响规律考察

采用同一基础油和黏度指数改进剂(分散型本中心合成/H5777)(剂量相同)相复配，进行分散性试验,试验结果见表7。

表7 不同降凝剂、黏度指数改进剂(分散型)的分散性能

分散性模拟试验结果表明,分散性黏度指数改进剂可有效提高油品的分散性能，本中心合成的DOCP与进口的H5777分散性能相当。

2.4.3 润滑油中抗氧抗腐抗磨剂对油品分散性能的影响规律考察

采用基础油(500N)与抗氧抗磨剂调合样品，进行分散性试验，考察抗氧抗磨剂对分散性能影响，试验结果见表8。

表8 抗氧抗磨剂对分散性能影响

试验结果说明：抗氧抗磨剂对分散性能影响不大。

2.4.4 润滑油中清净剂对油品分散性能的影响规律考察

采用基础油(500N)与常用清净剂调合样品，进行分散性试验，考察同种清净剂不同来源和不同剂量对分散性能影响，并与同剂量的国产分散剂作对比，试验结果见表9。

表9 清净剂对油品分散性能的影响

分散性模拟试验结果表明：

(1)清净剂具有一定的分散性能，清净剂T101、T115A剂量的增加，分散性能有所提高，同等剂量情况下，OLOA246、T115A的分散性能优于T101；

(2)同等剂量情况下，分散剂T152的分散性明显优于清净剂T101、T115A。

2.4.5 润滑油中分散剂对油品分散性能的影响规律考察

(1)润滑油中分散剂量对油品分散性能的影响规律考察

采用基础油(500N)与常用国产分散剂(剂量不同)调合样品，进行分散性试验，试验结果见表10。

表10 不同剂量分散剂对分散性能影响

分散性模拟试验结果表明, 随着分散剂量的增加，油品分散性能提高。

(2)润滑油中不同分散剂对油品分散性能的影响规律考察

采用基础油(500N)与不同结构国产分散剂(剂量相同)调合样品，进行分散性试验，并与进口的分散剂分散性对比，试验结果见表11。

表11 不同分散剂对油品分散性能的影响

分散性模拟试验结果表明, 不同结构国产分散剂分散性能有差异，分散性能T154B优于T152，T161A；结构相似分散剂进口的分散性能优于国产的。

2.4.6 全配方中基础油和功能添加剂之间复配对油品分散性能的影响规律考察

(1)舰船油分散性能考察

考察研制的舰船油3和竞品舰船油1及已生产舰船油2分散性能，试验结果见表12。

表12 舰船油分散性能

试验结果说明：

试验油样的氮含量可表征试验油中分散剂的加量，分散性模拟结果表明, 试验油样的氮含量与分散性模拟试验衰变期成正比，试验油样分散性能随着分散剂量的增加而增强。

(2)小渔船油分散性能考察

小渔船油分散性能考察见表13。

表13 小渔船油分散性能

表13(续)

试验结果说明：

①小渔船油1和小渔船油2进行的是重复性试验，结果表明该试验重复性较好；

②小渔船油、CD、CF-4、CH-4油样的质量级别不同，进行的区分性试验，结果表明该试验区分性较好。

(3)移动式液化天然气(LNG)发动机专用油分散性能考察

移动式液化天然气(LNG)发动机专用油分散性能考察见表14。

表14 移动式LNG发动机专用油分散性能

试验结果说明：

①分散性模拟试验结果表明, 试验油样的氮含量与分散性模拟试验衰变期成正比，试验油样分散性能随着分散剂量的增加而增强。

②分散性模拟试验结果表明, LNG2的分散性能优于参比油和竞品LNG、LNG1。

(4)考察船用柴油机油不同基础油、不同配方的分散性能

采用分散性试验仪考察船用柴油机油不同基础油、不同配方的分散性能，试验结果见表15。

表15 船用柴油机油不同基础油、不同配方的分散性能

试验结果说明：

①4040S、4040H-8样品分散性模拟试验结果表明, Ⅱ类基础油的分散性稍优于Ⅰ类基础油。

②4040、4040H-8样品分散性模拟试验结果表明, 分散剂量相同的条件下，水杨酸盐的分散性优于磺酸盐。

③4040H-8、4040H-1样品分散性模拟试验结果表明,中高碱水杨酸复配有利于提高油品的分散性能。

(5)机车油分散性能考察

机车油分散性能考察见表16。

表16 机车油分散性能

试验结果表明：机车油分散性能基本与氮含量成正比。

(6)渔船油分散性能考察

渔船油分散性考察见表17。

表17 渔船油分散性能

试验结果表明：渔船油分散性能基本与氮含量成正比。

3 柴油机油分散性模拟试验方法的研究结论

(1)分散性模拟方法与柴油机油分散性台架具有一定的相关性。

(2)通过本试验方法的研究可以建立一种分散性模拟试验方法，用于评价柴油机油分散性能。

(3)通过对润滑油中的组分(基础油、黏度指数改进剂、降凝剂、分散剂、清净剂、抗氧抗腐剂、抗磨剂等)分散性能的影响规律考察，可以得出初步的规律性认识。

(4)全配方中基础油和功能添加剂之间复配对油品分散性能的影响规律考察，可以指导全配方的不同性能之间的平衡。

(5)本分散性模拟方法的研究，对全配方油品的开发、油品分散性评价、油品配方内部性能之间的平衡等具有一定的指导意义。

(6)本方法是一种分散性模拟方法，对配方研制针对油品分散性能的筛选提供了切实可行的有效手段。