張 倩，孫文斌

（中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京100083）

Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后油品的分析

張 倩，孫文斌

（中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京100083）

對(duì)兩種柴油機(jī)油在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后的油樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，隨著煙炱含量的增加，煙炱顆粒的粒徑逐漸增大；分散性能較差的油品，煙炱顆粒不斷聚集，粒徑明顯變大，導(dǎo)致油品黏度大幅增加，同時(shí)磨粒磨損加劇；對(duì)于帶EGR系統(tǒng)的Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，油品需具備足夠的堿值，以中和EGR系統(tǒng)帶來(lái)的酸性氣體。

Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 煙炱 分散性能 磨損 堿值

為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，進(jìn)一步降低NOx的排放，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商多采用尾氣再循環(huán)（EGR）裝置。EGR裝置通過(guò)將冷卻后的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再次送向燃燒室進(jìn)行二次燃燒來(lái)達(dá)到降低NOx的排放要求，但是EGR系統(tǒng)的副產(chǎn)物之一煙炱會(huì)經(jīng)燃燒室進(jìn)入柴油機(jī)油，使柴油機(jī)油中煙炱含量大幅增加，煙炱含量的增加會(huì)加速油品的黏度增長(zhǎng)、增加發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，造成發(fā)動(dòng)機(jī)濾網(wǎng)堵塞等問(wèn)題，因此，EGR技術(shù)的引入，對(duì)柴油機(jī)油的煙炱分散能力有了更高的要求［1－4］。

Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是CJ－4柴油機(jī)油規(guī)格中用于評(píng)估油品煙炱分散能力的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，2015年美國(guó)西南研究院測(cè)定樣品通過(guò)率僅為33%。Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR系統(tǒng)和低漩渦燃燒技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)都會(huì)增加煙炱的生成，試驗(yàn)中產(chǎn)生的最高煙炱含量達(dá)到了7.0%左右，對(duì)油品的煙炱分散能力要求非常高［5－7］。

本研究通過(guò)對(duì)比兩種油品Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后油樣中煙炱、堿值、Fe含量及油質(zhì)分析結(jié)果，以期為油品通過(guò)Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及高檔柴油機(jī)油的研發(fā)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的兩種油品均為CJ－4 15W－40柴油機(jī)油，其中油1未通過(guò)Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，油2通過(guò)了Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。其基本理化指標(biāo)見表1。

表1 Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品的主要理化指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及油品分析方法如表2所示。煙炱粒徑分析方法：通過(guò)納米粒度及Zeta電位分析儀對(duì)含煙炱油品進(jìn)行煙炱粒徑大小的分析。磨損試驗(yàn)：通過(guò)高頻往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)（HFRR）對(duì)油品的抗磨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)溫度110℃，試驗(yàn)時(shí)間1h，載荷300g，頻率20Hz。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及油品分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品的分散性能分析

將油1和油2分別進(jìn)行Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，測(cè)定油品中煙炱含量及黏度增加值。其中油1試驗(yàn)168h后，黏度增長(zhǎng)值達(dá)到205.1mm2/s，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，試驗(yàn)終止。油1和油2的黏度增長(zhǎng)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖1。兩個(gè)油品的Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果見表3。從圖1和表3可以看出：隨發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的進(jìn)行，油1的黏度增加值呈指數(shù)型增長(zhǎng)，最終未能通過(guò)Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；油2的黏度增長(zhǎng)比較緩慢，通過(guò)Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。

圖1 Mack T－11試驗(yàn)油樣的黏度增加值

表3 Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

油品的黏度增長(zhǎng)主要由兩個(gè)原因?qū)е拢阂皇怯推返难趸?，產(chǎn)生一些大分子的含氧物質(zhì)，造成油品的黏度增加；二是油品的煙炱分散性能差，煙炱聚集造成的黏度增加。為了探究氧化對(duì)兩種油品黏度增長(zhǎng)的影響，對(duì)油1和油2經(jīng)不同試驗(yàn)時(shí)間的油樣進(jìn)行了油質(zhì)分析，用氧化值來(lái)表征油品的氧化程度。圖2為油1和油2的氧化值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化。從圖2可以看出：隨發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的進(jìn)行，油1和油2的氧化值相差不大，表明在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，油品氧化不是黏度增長(zhǎng)的主要因素，影響油品黏度增長(zhǎng)的主要因素為油品的分散性能。

為了更好地分析油品中煙炱的存在狀態(tài)，通過(guò)納米粒度及Zeta電位分析儀對(duì)含煙炱油品進(jìn)行煙炱粒徑的分析，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：隨煙炱含量的增加，油品中煙炱不斷聚集，煙炱的粒徑也逐漸增大；對(duì)比油1和油2，分散性能好的油2煙炱粒徑隨煙炱含量的增加增長(zhǎng)比較緩慢，而分散性能差的油1煙炱粒徑增長(zhǎng)較快；在相同的煙炱含量情況下，油1的煙炱粒徑明顯大于油2的煙炱粒徑。

圖2 Mack T－11試驗(yàn)油樣的氧化值

圖3 Mack T－11試驗(yàn)油樣煙炱粒徑與含量關(guān)系

油品添加劑中對(duì)煙炱起分散作用的主要是聚異丁烯丁二酰亞胺型無(wú)灰分散劑，分散劑分子的極性端吸附在煙炱表面并將其包圍起來(lái)，油溶性基團(tuán)伸向油中，如此可將煙炱微粒隔離開來(lái)，通過(guò)空間屏障作用和靜電斥力作用，來(lái)防止煙炱聚集。不同分散劑對(duì)油品的煙炱分散能力不同，如果分散劑不能有效作用就會(huì)導(dǎo)致煙炱顆粒聚集，從而引起黏度增長(zhǎng)。結(jié)合上述黏度、煙炱粒徑與黏度增長(zhǎng)相關(guān)性的分析，表明分散性能好的油品可以有效分散油品中的煙炱，防止其聚集形成粒徑更大的煙炱，從而很好地控制油品的黏度增長(zhǎng)；對(duì)于分散性能差的油品，當(dāng)煙炱含量較高時(shí)，油品不能有效分散產(chǎn)生的煙炱，小粒徑的煙炱顆粒不斷聚集，形成粒徑更大的煙炱，從而造成油品黏度的大幅增加，不能通過(guò)Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。

2.2 Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品的堿值分析

CH－4、CI－4柴油機(jī)油規(guī)格中采用Mack T－8發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)評(píng)定油品的煙炱分散性能，其用于測(cè)試的E7發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有EGR系統(tǒng)，而CJ－4和CK－4柴油機(jī)油規(guī)格中的Mack T－11試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)采用了EGR系統(tǒng)，用于評(píng)估帶EGR系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中油品對(duì)煙炱的分散性能。

EGR系統(tǒng)通過(guò)將含有H2SO3，H2SO4，HNO3等酸性物質(zhì)的廢氣返回燃燒室，通過(guò)竄氣等方式造成柴油機(jī)油中酸性物質(zhì)增多，進(jìn)而造成機(jī)油堿值的快速消耗。圖4為油1、油2、Mack T－11臺(tái)架標(biāo)油和Mack T－8臺(tái)架通過(guò)油的堿值。從圖4可以看出：在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，油1、油2及Mack T－11臺(tái)架標(biāo)油的堿值不斷減小，252h試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，油2及Mack T－11臺(tái)架通過(guò)標(biāo)油的堿值均降為0；對(duì)比Mack T－8發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，可以看出油品在Mack T－8發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中堿值下降緩慢，300h試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，油品的堿值仍然有5mgKOH/g。因此對(duì)于含EGR系統(tǒng)的Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，調(diào)配油品必須具有足夠的堿值來(lái)應(yīng)對(duì)EGR系統(tǒng)帶來(lái)的酸性物質(zhì)。

圖4 不同發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品的堿值變化

2.3 Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油品的抗磨性能分析

Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR系統(tǒng)和低漩渦燃燒技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)都會(huì)增加煙炱的生成，可能造成由煙炱帶來(lái)的磨粒磨損［8］。為了分析Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中油品的抗磨性能，對(duì)Mack T－11試驗(yàn)油品進(jìn)行了Fe含量分析和HFRR磨損試驗(yàn)評(píng)價(jià)。Fe含量分析結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副產(chǎn)生磨損，油品中的Fe含量逐漸增加；對(duì)比油1和油2中Fe含量的變化，油1在試驗(yàn)后期，F(xiàn)e含量增加較多，說(shuō)明使用分散性能差的油1在試驗(yàn)后期使發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損加劇。

圖5 Mack T－11試驗(yàn)油品的Fe含量

為了更清楚地了解煙炱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的影響，對(duì)Mack T－11試驗(yàn)油品進(jìn)行HFRR磨損試驗(yàn)，圖6和圖7分別為油1和油2在HFRR試驗(yàn)中成膜率和鋼球磨斑直徑的變化。從圖6和圖7可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，兩個(gè)油品的成膜率均逐漸減小，鋼球磨斑直徑逐漸增大。其原因?yàn)椋阂皇强鼓┰贛ack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中逐漸消耗；二是煙炱含量增加，與抗磨劑之間存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，使抗磨劑不能在金屬表面有效作用；三是煙炱不斷聚集，粒徑逐漸增大，造成油品的磨粒磨損。

圖6 油1及油2在HFRR試驗(yàn)中的成膜率

圖7 油1及油2在HFRR試驗(yàn)中的磨斑直徑

對(duì)比油1和油2，兩種新油的成膜率和試驗(yàn)鋼球磨斑直徑相近，隨著Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的進(jìn)行，油1的成膜率明顯低于油2，油1作用下的鋼球磨斑直徑明顯大于油2，抗磨性能明顯比油2差。結(jié)合前述煙炱粒徑分析結(jié)果，油1的煙炱粒徑明顯大于油2的煙炱粒徑，可見分散性能差的油品，煙炱不斷聚集，煙炱的粒徑大，加劇油品的磨粒磨損，使油品的抗磨性能變差。因此，提高油品對(duì)煙炱的分散性能，防止煙炱聚集是提高油品抗磨性能的途徑之一。

3 結(jié) 論

（1）在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，隨煙炱含量的增加，煙炱顆粒的粒徑逐漸增大；分散性能差的油品，煙炱顆粒不斷聚集，粒徑變大，導(dǎo)致油品黏度大幅增加。

（2）對(duì)于帶EGR系統(tǒng)的Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，油品需要具備足夠的堿值，以中和EGR系統(tǒng)帶來(lái)的酸性氣體。

（3）在Mack T－11發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，隨煙炱含量的增加，油品的抗磨性能變差。分散性能差的油品試驗(yàn)后，煙炱粒徑大，造成的磨損也更嚴(yán)重。

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ANALYSIS OF DIESEL ENGINE OIL AFTER MACK T－11ENGINE TEST

Zhang Qian，Sun Wenbin
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing，Beijing100083）

The analysis results of two diesel engine oils after Mack T－11engine test show that during the Mack T－11engine test，the soot particle size increases with increasing of the soot concentration.The poor soot dispersity leads to a significant viscosity increase of the oil and abrasive wear due to formation of larger soot particle through aggregation.The diesel engine oil needs high enough base number to neutralize the acids from the circulation of the exhaust gas in the Mack T－11engine test with exhaust gas recirculation system.

Mack T－11engine test；soot；dispersity；wear；TBN

2016－11－08；修改稿收到日期：2016－12－15。

張倩，碩士，高級(jí)工程師，主要從事潤(rùn)滑油配方的研發(fā)工作。

張倩，E－mail：zhangqian.ripp＠sinopec.com。

中國(guó)石油化工股份有限公司合同項(xiàng)目（113114）。