一种船用柴油机油的研制及其性能评价
2020-12-14王莉王欣刘功德杨超丁元庆
王莉，王欣，刘功德，杨超，丁元庆
(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032;2.中国人民解放军92228部队，北京 100000;3.大连新意业材料开发有限公司，辽宁 大连 116000 )
0 引言
本项目研制的船用柴油机油是一种适用于高黏度油的高速大功率、重负荷带增压器的船用柴油发动机。以前研制过船用低增压柴油机油,但其质量等级低，处于CB质量等级(现已淘汰)。低温性能和高温清净性都较差，且不具有分水性能。因此需要一种高黏度等级，优异的低温性能和高温清净性能，并且有很好的分水性能来解决船中的润滑油因进水而引起乳化的问题。本项目研制的船用柴油机油从黏度指数不小于80提高到不小于90，倾点不大于-15 ℃，更有利于低温环境下的储存和运输。通过基础油和添加剂的复配得到了一种具有优良的高温清净性、氧化安定性、分水性和添加剂抗水洗性的船用柴油机油。
1 配方研制
1.1 基础油研究
基础油的选择对于配方的研制起着至关重要的作用[1]，基础油不但要有合适的黏度，还应该有很好的黏温性能和氧化安定性等特性。不同加工工艺生产的基础油，由于其本身存在差异 ，会导致分水性能不同[2]。在原来配方常规选用MVI 150BS基础上，此次选择性能更佳的加氢基础油。因此选用中国石油优质的基础油HVIH8、HVIP8、HVIH150BSM，并在基础油不同配比下进行流变性研究，见表1。
表1 HVIH8和HVIH150BSM对流变性能的影响
表1(续)
适当改变基础油比例，油品100 ℃运动黏度和黏度指数以满足指标要求。但随着功能添加剂加剂量的改变，基础油的比例可适当调整。HVIP8和HVIH150BSM对流变性能的影响见表2。
表2 HVIP8和HVIH150BSM对流变性能的影响
结果表明中国石油优质的基础油HVIH8、HVIP8、HVIH150BSM经过合理的配比都可以满足本试验要求。
1.2 添加剂的研究
1.2.1 清净剂
清净剂通常是由碳酸盐与吸附在碳酸盐表面上的表面活性剂所组成的稳定的载荷胶团和游离的表面活性剂分子等所构成[3]。在内燃机油中有酸中和、增溶、分散和洗涤的作用。目前，常用的清净剂主要包括烷基水杨酸盐、硫化烷基酚盐和磺酸盐三大类。磺酸盐是润滑油中清净剂最常用的一种，由于磺酸镁盐清净剂具有低灰分的优点，能够降低灰分，同时具有更好的防锈性能，因此，多用于高档润滑油[4-5]。高碱值的烷基酚盐清净剂其有机链长相对较短，分散性能较差，因此，它通常与磺酸盐清净剂进行复配使用[6]。烷基水杨酸盐是含羟基的芳香酸盐，其高温清净性比硫化烷基酚盐要高，有很好的酸中和能力、高温清净性能、抗氧和抗腐蚀性能，综合了磺酸盐和硫化烷基酚盐的优点，并弥补了两者的不足。本项目主要选用烷基水杨酸钙作为清净剂。
1.2.2 无灰分散剂
本项目研究的分散剂以丁二酰亚胺为主[7],它由亲油基、极性基和连接部分组合而成。该结构易形成胶团，对氧化产物有增溶作用，所以对积炭、烟灰等固态颗粒有很好的分散作用。
1.2.3 抗氧抗腐抗磨剂
本项研究选择的抗氧抗腐剂为硫代磷酸盐[8]。硫代磷酸盐具有抑制游离基生成、分解过氧化物、减缓氧化物生成速度的作用，同时还具有抗腐、抗磨损性，是内燃机油中常用的抗氧抗腐剂。
1.2.4 降凝剂
降凝剂就是加入少量就可以改善蜡结晶的过程，降低润滑油的凝点，使其在低温下可以流动。目前国内外已相继开发出多种类型柴油降凝剂，如聚乙烯乙酸乙烯酯、聚α-烯烃、马来酸酐、聚甲基丙烯酸酯、含氮类极性化合物等[9]。本项研究选择的降凝剂为聚α-烯烃，降凝剂的结构对降凝的效果起着很重要的作用。
1.2.5 抗泡剂
为了解决发泡问题，需加入一定量的抗泡剂，抗泡剂主要是含硅、非硅和复合抗泡剂[10]。本项研究选择的抗泡剂为聚甲基硅油。
本项目通过对各种添加剂进行复配研究[11]。利用分水性试验对其分水性能进行测定，这也是船用柴油机油区别于陆用产品的主要标志[12]。利用抗水洗性试验测定了水可能对油中的添加剂有抽提作用[13]，造成油品性能下降。通过四球试验考察了油品的抗磨损能力[14]，曲轴箱试验考察其高温清净的性能，PDSC试验考察了其抗氧化的能力[15]。经过不同的配比考察方案，综合考察各项性能后，最终确定该船用柴油机油的最优组成为方案9，见表3。
表3 试验油各方案性能考察
表3(续)
2 性能评价
2.1 实验室理化性能评价
对研制油品进行实验室理化性能考察，见表4，可以看出该油品具有良好的分散性、抗氧抗腐蚀性、抗磨性能和清净分散性能，并且都能满足指标的要求。
表4 研制油实验室实测数据
2.2 储存稳定性考察
对本试验新研制出的油品和老油品按照1∶3、1∶1、3∶1比例进行混兑，混合后油样在-20 ℃、100 ℃条件及常温条件下储存10 d，每24 h观察一次并记录外观变化，均澄清透明无沉淀产生。结果表明，在高温、低温和常温储存条件下，油品稳定性良好。
2.3 相容性试验考察
对两种油品进行相容性试验，新研制试验油品和老油品按照1∶3、1∶1、3∶1比例进行混兑，储存半年外观清澈透明见图1。对其混合油品进行了实验室理化性能的考察，基本理化性能都可以满足试验要求，见表5。
表5 相容性试验分析结果
图1 储存半年外观
3 台架评定
3.1 内燃机油高温氧化和轴瓦腐蚀评定试验(L-38法)
L-38法是利用专用的单缸汽油机，使发动机在一定的操作条件下，测定轴瓦的失重以及生成的沉淀物和样品的黏度变化等。本试验的部分测定结果见表6～表9。可以看出本试验油具有很好的高温抗氧化性能和抗腐蚀性能。
表6 轴瓦失重
表7 发动机沉积物评定
表7(续)
表8 机油消耗量
表9 机油黏度分析
3.2 内燃机油清净性和抗磨损性能评定(CATERPILLAR 1H2法)
CATERPILLAR 1H2法是在规定转速和燃油消耗率的条件下，使增压单缸发动机运转,测定其活塞沉积物的性质以及数量、活塞环黏结状况、活塞环和气缸套的磨损程度，检测结果见表10、表11。1-H2台架试验中活塞的图片见图2。表明本试验油品具有良好的清净性能和抗磨性能。
表10 活塞评分
表11 机油消耗量
图2 CATERPILLAR 1H2试验活塞照片
综上所述，该新研制的船用柴油机油，通过了L-38、1-H2和FZG承载性能测定台架试验，台架评定汇总结果见表12。从实验结果可以看出该试验油具有良好的高温抗氧化性能、抗腐蚀性能、清净性能和抗磨性能等，符合指标要求。
表12 研制油台架评定结果
4 结论
本项目选用中国石油优质的基础油，通过对其流变性和各种添加剂复配影响的研究，研制出一种新型船用柴油机油，该油品各项实验室理化性能均满足指标要求，并通过了Caterpillar1H2和L38、FZG台架试验，具有很好的分水性、防锈性，优良的高温清净性、氧化安定性，并具有良好的储存稳定性能。该油品能很好地适用于高黏度油的高速大功率、重负荷带增压器的船用柴油发动机的使用。
