王慶瑞，孟祥云，王麗雙，崔曉瑩，葉 鋒

(1.浙江丹弗中綠科技股份有限公司潤(rùn)滑技術(shù)中心，天津 300071；2.天津南開(kāi)大學(xué)蓖麻工程科技有限公司)

近年來(lái)，設(shè)備廠商采用更加先進(jìn)的技術(shù)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)革新，致力于提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低尾氣排放。然而，小型化、渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等新技術(shù)的應(yīng)用使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況更加苛刻，對(duì)潤(rùn)滑油各項(xiàng)性能提出了更高要求，有效推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)油更頻繁地升級(jí)換代[1]。

為了滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求，維護(hù)自身利益，美國(guó)和日本共同成立了國(guó)際潤(rùn)滑油標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)可委員會(huì)，用于制定、發(fā)布節(jié)能汽油機(jī)油規(guī)格[2]。針對(duì)汽油機(jī)油的要求主要分為以下3個(gè)方面：一是延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)油換油期；二是改善燃油經(jīng)濟(jì)性；三是改善與尾氣排放控制系統(tǒng)的適應(yīng)性，降低尾氣排放。其中，GF-5汽油機(jī)油規(guī)格就是基于以上要求，經(jīng)過(guò)廣泛征求意見(jiàn)，于2009年底正式發(fā)布。GF-5系列節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量要求較為苛刻，須使用更多高低溫性能優(yōu)良的API Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油(簡(jiǎn)稱(chēng)基礎(chǔ)油)，從而達(dá)到抗氧化性和節(jié)能的雙重要求[3]。然而，API Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油是礦物基礎(chǔ)油，屬于不可再生資源。采用植物油脂等可再生資源提煉、化學(xué)改性制備的生物基基礎(chǔ)油，除具備很好的高低溫性能、抗氧化性能、抗磨減摩性能外，還具備可生物降解、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)[4]。基于生物基基礎(chǔ)油自主開(kāi)發(fā)的GF-5系列汽油機(jī)油具有潤(rùn)滑性能好、節(jié)能、環(huán)保等多重優(yōu)點(diǎn)。

行車(chē)試驗(yàn)可全面考察油品的綜合性能，是最直接可靠的驗(yàn)證方法，一般參照GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》來(lái)判定油品的換油期[5-6]。然而，該標(biāo)準(zhǔn)只適用于SL/GF-3及較低質(zhì)量級(jí)別汽油機(jī)油換油，對(duì)于GF-5是否適用該標(biāo)準(zhǔn)還有待于進(jìn)一步研究。為考察研制油品的適用性，為市場(chǎng)推廣作準(zhǔn)備，開(kāi)展了GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油在豐田普瑞維亞轎車(chē)的行車(chē)試驗(yàn)。通過(guò)定期抽取油樣，客觀分析油品質(zhì)量變化規(guī)律，探討研制油品與車(chē)輛的適應(yīng)性，為科學(xué)判定換油周期提供技術(shù)依據(jù)。本課題還特別針對(duì)生物基基礎(chǔ)油的特點(diǎn)，采用卡爾費(fèi)休法初步探索試驗(yàn)油樣水分的變化規(guī)律，為制定生物基汽油機(jī)油的換油指標(biāo)限值提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及試劑

行車(chē)試驗(yàn)燃料油均在中國(guó)石化長(zhǎng)城加油站加注，符合國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)(不含乙醇)。

行車(chē)試驗(yàn)用油為GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油，來(lái)源于浙江丹弗中綠科技股份有限公司，其主要理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油的主要理化指標(biāo)

1.2 行車(chē)試驗(yàn)

試驗(yàn)車(chē)輛為未經(jīng)過(guò)大修、正常保養(yǎng)且運(yùn)行良好的豐田普瑞維亞轎車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率為125 kW，最大車(chē)速180 km/h，排量2.362 L。車(chē)輛初始換油時(shí)行駛里程為249 286 km。

為確保行車(chē)安全，安排兩個(gè)階段性試驗(yàn)：5 000 km為A階段、10 000 km為B階段。兩個(gè)階段均更換新的試驗(yàn)用油，總計(jì)約15 000 km行駛里程。

A階段：將試驗(yàn)用油注入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱中至油尺中上限，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min左右，放凈試驗(yàn)用油，再加入新的試驗(yàn)油至油尺上限。記錄裝機(jī)油量和起始里程，開(kāi)始道路試驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輛行駛里程到達(dá)5 000 km時(shí)結(jié)束。

B階段：更換新的試驗(yàn)用油。熱車(chē)時(shí)，放凈發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)用過(guò)的試驗(yàn)油；更換濾芯，加注試驗(yàn)油繼續(xù)B階段試驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輛行駛里程到達(dá)10 000 km時(shí)結(jié)束。

1.3 試驗(yàn)油取樣

冷車(chē)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)怠速5～10 min后取樣；經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間行駛的熱車(chē)狀態(tài)下，在保證安全的前提下于30 min內(nèi)取樣。從機(jī)油標(biāo)尺口抽取試驗(yàn)油樣200 mL，取樣后補(bǔ)加等量的新試驗(yàn)油。

1.4 試驗(yàn)油換油指標(biāo)要求

試驗(yàn)油的檢測(cè)及換油指標(biāo)主要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》的技術(shù)要求。同時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2414-10(2018)以紅外光譜法監(jiān)控試驗(yàn)油的氧化衰變情況。本課題試驗(yàn)油的換油技術(shù)指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)油換油技術(shù)指標(biāo)要求

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)油的各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)隨著行駛里程發(fā)生變化，通過(guò)A、B兩個(gè)階段的行車(chē)試驗(yàn)，在不同行駛里程下進(jìn)行取樣檢測(cè)，進(jìn)而分析試驗(yàn)油的衰變規(guī)律。

2.1 運(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是潤(rùn)滑油中常用的理化性能指標(biāo)，是液體流動(dòng)性的度量。黏度越大，潤(rùn)滑油的流動(dòng)性就越差，反之亦然。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑油由于高溫、金屬催化氧化而生成油泥、膠質(zhì)、積炭等，從而導(dǎo)致油品黏度增大。而黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切斷鏈、燃油稀釋及冷卻液的混入均可導(dǎo)致油品黏度降低。發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度的變化是以上因素的綜合反饋，是反映油品質(zhì)量衰變和使用壽命的重要參數(shù)。此外，黏度指數(shù)的變化可以衡量黏度指數(shù)改進(jìn)劑的優(yōu)劣。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)變化率見(jiàn)圖1。

圖1 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)變化率

從圖1可以看出：在A、B兩個(gè)階段，試驗(yàn)油樣品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)的變化率很小，均在±3%范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于±20%的換油指標(biāo)，說(shuō)明試驗(yàn)油的運(yùn)動(dòng)黏度非常穩(wěn)定。黏度指數(shù)基本未變化，黏度指數(shù)改進(jìn)劑剪切安定性較好。綜合分析認(rèn)為，該油品抗氧化性、抗剪切性等均較為優(yōu)異，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

A階段前期，因?yàn)樯锘蜋C(jī)油具有極佳的清凈分散性，首次使用時(shí)將原有的油泥、積炭清洗至油中，活塞和缸壁之間的間隙較之前稍大，在燃油的竄入稀釋及黏指劑的剪切下降雙重作用下，黏度有所下降；試驗(yàn)后期，主要由于油品中油泥、積炭逐步增多，使得黏度又有所上升。而B(niǎo)階段時(shí)，黏度一直較為穩(wěn)定，因?yàn)榈诙胃鼡Q生物基汽油機(jī)油后，機(jī)體內(nèi)部較之前更為清潔，活塞環(huán)彈性隨著積炭的減少而逐步恢復(fù)彈性，燃油竄入量得到一定改善，綜合表現(xiàn)為試驗(yàn)油的運(yùn)動(dòng)黏度更加穩(wěn)定。

2.2 酸值及堿值

針對(duì)生物基汽油機(jī)油，因其基礎(chǔ)油的特點(diǎn)，行車(chē)試驗(yàn)特別關(guān)注油品的酸值增長(zhǎng)。油品在使用過(guò)程中酸值會(huì)逐漸變大，主要由以下幾方面原因?qū)е拢阂皇怯推吩谑褂眠^(guò)程中由于高溫氧化作用會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)而導(dǎo)致酸值升高；二是汽油燃燒產(chǎn)生的酸性成分，如硝化物、硫化物，經(jīng)過(guò)活塞環(huán)間隙串入油品中產(chǎn)生酸性物質(zhì)；三是可生物降解的生物基基礎(chǔ)油在水等物質(zhì)的影響下水解釋放酸性物質(zhì)。另一方面，因酸性添加劑的消耗會(huì)導(dǎo)致油品的酸值下降。因此，酸值的變化是油品衰變和添加劑消耗的綜合反映，作為重要的換油指標(biāo)之一，酸值增長(zhǎng)值一般不超過(guò)2.0 mgKOH/g。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的酸值增長(zhǎng)值見(jiàn)圖2。

圖2 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的酸值增長(zhǎng)值

從圖2可以看出：A、B兩試驗(yàn)階段，油品的酸值隨著行駛里程增加而逐漸增大；A階段的酸值增長(zhǎng)率稍快于B階段，認(rèn)為應(yīng)是首次使用生物基汽油機(jī)油，機(jī)體內(nèi)的油泥、膠質(zhì)等雜質(zhì)被帶入到油品中，加速油品酸值的增長(zhǎng)。B階段，由于更換了新的試驗(yàn)用油，機(jī)體內(nèi)較為干凈，酸值增長(zhǎng)相對(duì)緩和，在7 500 km到10 000 km時(shí)，油品的酸值基本穩(wěn)定，未超過(guò)2.0 mgKOH/g，油品仍可繼續(xù)使用。

油品的堿值作為換油指標(biāo)的參考也具有極其重要的意義，其代表了油品的酸中和能力。油品的堿值來(lái)源于功能添加劑中的清凈劑、分散劑及胺類(lèi)抗氧劑。油品堿值隨著行駛里程的延長(zhǎng)而逐漸降低，堿性添加劑因中和酸性物質(zhì)而消耗。一般認(rèn)為，油品的堿值與酸值的差值不低于0.5 mgKOH/g才能保證油品的正常使用。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的(堿值-酸值)見(jiàn)圖3。

圖3 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的堿值與酸值的差值

從圖3可以看出：兩個(gè)試驗(yàn)階段，堿值與酸值的差值隨著行駛里程增長(zhǎng)均逐漸變小，到10 000 km時(shí)仍有很大余量，因?yàn)橛推肪邆漭^高的堿值，機(jī)油穩(wěn)定性好。

2.3 正戊烷不溶物

正戊烷不溶物是表征油品容污能力的指標(biāo)，主要來(lái)源于3個(gè)方面：一是油品在使用過(guò)程中生成油泥、膠質(zhì)、積炭等雜質(zhì)；二是發(fā)動(dòng)機(jī)磨損產(chǎn)生的金屬屑；三是外來(lái)的灰塵等。正戊烷不溶物會(huì)隨著油品的使用時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增多，當(dāng)達(dá)到一定限值，油品的黏度增大且流動(dòng)性變差，不溶物聚集成團(tuán)析出，進(jìn)而堵塞主油道、濾清器等，造成潤(rùn)滑不良等嚴(yán)重后果。A、B兩個(gè)階段的試驗(yàn)油樣品的正戊烷不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不大于0.1%，遠(yuǎn)低于1.5%的換油指標(biāo)，表明試驗(yàn)用油具有優(yōu)異的清凈分散性和氧化安定性。

2.4 燃油稀釋

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在高壓作用下，部分燃料會(huì)進(jìn)入到曲軸箱的油品中。燃料的進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致油品黏度降低，從而影響油品的潤(rùn)滑性能，過(guò)多的燃料甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。此外，通過(guò)對(duì)油品中汽油含量的測(cè)定，還可以側(cè)面反映發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的密封狀態(tài)。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的汽油含量見(jiàn)圖4。

圖4 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的汽油含量

從圖4可以看出，在試驗(yàn)初期，A階段的汽油含量增長(zhǎng)率稍大于B階段。分析認(rèn)為，汽油的竄入量與活塞缸壁密封性具有正相關(guān)性，密封性越好，汽油竄入量越小，汽油含量越低。B階段的活塞缸壁密封性?xún)?yōu)于A階段，是因?yàn)榻?jīng)過(guò)A階段的油品清潔，活塞環(huán)恢復(fù)部分彈性，這也正好驗(yàn)證了試驗(yàn)油品具有優(yōu)異的清潔性能。

此外，A、B兩階段試驗(yàn)油品的汽油含量相對(duì)穩(wěn)定，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.5%，遠(yuǎn)小于換油指標(biāo)的5%，說(shuō)明活塞缸壁密封性、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好。

2.5 元素含量

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要磨損部件為活塞環(huán)、缸套、曲軸等，通過(guò)測(cè)定油品的鐵、銅、鋁等含量的增長(zhǎng)，可以了解其磨損及腐蝕情況。金屬含量的迅速增長(zhǎng)，則可能出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的異常磨損，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢修。而硅含量的變化則是監(jiān)測(cè)油品受外界污染程度的指標(biāo)，主要是來(lái)自于空氣中灰塵雜質(zhì)的影響。若硅含量過(guò)高，代表其灰塵雜質(zhì)多，可能會(huì)出現(xiàn)磨粒磨損，則要及時(shí)更換空氣濾芯。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)值見(jiàn)圖5。

圖5 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)值

從圖5可以看出，在10 000 km的試驗(yàn)周期下，鐵含量均未出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，增長(zhǎng)量依然較小，僅為9 μg/g，遠(yuǎn)低于70 μg/g的換油指標(biāo)，說(shuō)明油品具有極其優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，這與生物基基礎(chǔ)油本身極強(qiáng)的潤(rùn)滑特性有關(guān)。由于氧原子上孤對(duì)電子的強(qiáng)吸附性，可以在摩擦表面形成牢固的吸附膜，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損。此外，銅、鋁含量均未明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明油品具有優(yōu)異的潤(rùn)滑及防腐性能。硅含量增長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明油品并無(wú)明顯的灰塵污染及異常磨粒磨損。

2.6 氧化值和硝化值

采用紅外光譜法進(jìn)行氧化值、硝化值的測(cè)定，用于監(jiān)控油品的氧化衰變。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，燃燒廢氣進(jìn)入油品中，在一定條件下反應(yīng)生成氧化物、硝化物等酸性物質(zhì)，使油品使用性能下降。而抗氧劑等添加劑主要抑制和減緩以上酸性物質(zhì)的產(chǎn)生。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的氧化值和硝化值見(jiàn)圖6。

圖6 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的氧化值和硝化值

從圖6可以看出，試驗(yàn)油的氧化值和硝化值在不同行駛里程下的變化趨勢(shì)一致，隨著行駛里程的增加而緩慢增加，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氧化、硝化變質(zhì)，其測(cè)量值均低于0.25 Abs/(0.1 mm)的指標(biāo)要求，汽油機(jī)油的穩(wěn)定性好[7]。

2.7 水 分

因生物基基礎(chǔ)油的特點(diǎn)須對(duì)水分特別關(guān)注。油品中的水主要來(lái)源于兩方面：一是生產(chǎn)環(huán)節(jié)新油自身攜帶的水；二是通過(guò)油箱呼吸孔吸入的水；三是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中燃料燃燒產(chǎn)生的水。油中的水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致油品乳化并造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件的銹蝕等，因此，需要嚴(yán)格控制油品中的水含量。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》中是采用GB/T 260標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)測(cè)試水含量，該方法主要對(duì)礦物型機(jī)油的水含量測(cè)量有一定的指導(dǎo)意義；然而，對(duì)于生物基基礎(chǔ)油的極性特點(diǎn)，其易與少量分子形式存在的水結(jié)合，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 260采用帶水的方式將水帶出，測(cè)試結(jié)果并不準(zhǔn)確。因此，本課題采用卡爾費(fèi)休法來(lái)測(cè)定試驗(yàn)油的水含量，為生物基汽油機(jī)油的換油指標(biāo)提供參考依據(jù)[8]。A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油的水含量見(jiàn)圖7。

圖7 A、B兩個(gè)階段不同行駛里程下試驗(yàn)油樣品的水含量

從圖7可以看出，試驗(yàn)油在兩個(gè)階段的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在1 000～2 000 μg/g。結(jié)合前面的分析數(shù)據(jù)，試驗(yàn)油的潤(rùn)滑性及防腐性能等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)良，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，說(shuō)明試驗(yàn)油的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2 000 μg/g時(shí)，可以維持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

B階段行駛里程為10 000 km時(shí)試驗(yàn)油水含量的下降，可能與活塞環(huán)彈性恢復(fù)、密封性變好導(dǎo)致燃燒氣體竄入量變少有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油在豐田普瑞維亞轎車(chē)上進(jìn)行兩個(gè)階段的行車(chē)試驗(yàn)后，仍具有一定堿值保持能力和抗氧化性能，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、酸值、正戊烷不溶物、燃油含量、氧化值及硝化值、水分等指標(biāo)均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》的換油技術(shù)指標(biāo)要求，運(yùn)行性能良好，不需換油。

(2)采用卡爾費(fèi)休法替代蒸餾法(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 260)測(cè)試生物基汽油機(jī)油的水含量可行，但仍需要通過(guò)大量的行車(chē)數(shù)據(jù)來(lái)確定合理的水含量指標(biāo)限值。

(3)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》的主要技術(shù)指標(biāo)與紅外光譜法分析的指標(biāo)具有很好的對(duì)應(yīng)性。紅外光譜法具有樣品微量、快速、準(zhǔn)確的多重優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)或可作為一種快速檢測(cè)的有效方法，對(duì)簡(jiǎn)化換油指標(biāo)、合理快速地指導(dǎo)用油具有重要意義。