上海默芮達專業(yè)知識與您分享：發(fā)動機潤滑油煙炱分散技術分析

    為了滿足日趨嚴格的排放法規(guī)，重負荷柴油發(fā)動機不斷采用新的發(fā)動機技術，例如延遲噴射柴油、尾氣顆粒捕捉器、選擇性催化還原器、氧化催化轉換器等。這些新技術的應用，改變了發(fā)動機潤滑油的工作環(huán)境，對機油的使用性能提出了越來越高的要求，尤其是煙炱分散性能。

發(fā)動機潤滑中煙炱含量的增長將對發(fā)動機正常運行產生負面影響：首先，機油中的小煙炱微粒會逐步積聚為較大顆粒，會在摩擦副表面產生磨粒磨損，如曲軸及連桿軸承、缸套及活塞環(huán)以及相關閥系的磨損。煙炱也可以在高溫及低溫條件下形成活塞沉積漆膜或油泥。煙炱在機油中積聚成較大顆粒，形成網(wǎng)狀結構，從而阻礙了機油正常流動，同時加速油品氧化，加速消耗機油堿性，使油中的功能添加劑過早失效。在重負荷柴油發(fā)動機潤滑油規(guī)格發(fā)展過程中，油品在各方面性能要求上都有著不同程度的提高，從CF-4到CJ-4，在防止油品粘度增長、缸套拋光、閥系及軸承磨損性能方面得到了顯著提升，而這些性能都與潤滑油的煙炱分散性能緊密相連，對于煙炱分散性能的要求越來越高。

煙炱是柴油發(fā)動機不完全燃燒的產物，通過竄氣及氣缸壁的油膜經(jīng)氣缸油環(huán)刮入曲軸箱。重負荷柴油機排放的固體顆粒物主要是由碳黑、有機碳和磺酸鹽等組成。煙炱表面元素分析表明，煙炱表面含有氮、氫及硫元素，也含有來自潤滑油添加劑的鈣、鎂、鋅、磷等元素，為了提高機油的煙炱分散性，通常的做法是加大分散劑的用量。實驗證明，過多的分散劑用量會影響油品的低溫流變性（CCS和MRV）、抗磨性和密封材料相容性，用此方法不能完全滿足實際應用及Mack T8E臺架條件下油品粘度增長過快的問題。

煙炱顆粒直徑在20~40nm，其表面積很大，微粒間吸引力很強，很容易團聚。采用不同結構、不同堿值的聚異丁烯二酰亞胺分散劑搭配使用可明顯提高機油的煙炱分散性?；撬猁}和硫化烷基酚鹽是表面活性劑。在油中，油溶性烷基鏈向外側把極性基聚集起來，形成膠束而溶解。因此，清凈劑具有增溶作用、膠束作用及酸中和作用，從而能抑制或減少各種發(fā)動機潤滑油沉淀物。清凈劑的膠溶作用主要是指其能夠吸附于煙炱及其它非油溶性固體顆粒表面，形成覆蓋膜，從而阻止了其聚集成較大粒子而在金屬表面沉積。而正是清凈劑在煙炱表面強的吸附力影響了分散劑在煙炱表面的吸附，致使油品的煙炱分散性能降低。CF-4~CJ-4對機油煙炱分散性大幅度提高，因此其配方主組成中無灰分散劑的比例較早先的CD油有明顯提高，二者之間的平衡是研究配方的關鍵。分散劑的選擇及加劑量還要充分考慮各種性能之間的平衡，如分散劑對煙炱分散能力、熱氧化穩(wěn)定性、對油品高溫清凈性的影響以及對油泥的控制。無灰分散劑的堿值（氮含量）越高，分散能力越強，但熱穩(wěn)定性、高溫清凈性變差，這就是不同結構分散劑復合使用的原因。

美國API和歐洲ACEA重負荷柴油發(fā)動機潤滑油規(guī)格對油品抗磨性能的評價主要體現(xiàn)在高煙炱條件下機油對發(fā)動機摩擦副的保護能力。CUMMINS M11臺架主要評價在高煙炱條件下潤滑油對閥系的保護能力；Mark T-9實驗主要評價機油在煙炱存在條件下，機油對缸套-----活塞環(huán)的保護能力。通過各種實驗模擬和臺架實驗表明，提高油品對煙炱的分散能力，防止煙炱聚集，不但可以降低煙炱引起的粘度增長，而且可減少煙炱所造成的磨損。提高機油組成中ZDDP加劑量，可以降低油中高煙炱含量對抗磨性所造成不利影響，但其含量的提高又會直接影響油品的高溫清凈性，相應的要提高油品組成中清凈劑的加量。因此在研制高檔重負荷柴油發(fā)動機潤滑油時，與CD油相比，可適當增加ZDDP的加劑量，以保證抗磨性，同時要復合L-57、L-135、T323之類高溫抗氧化劑，以提高油品的熱氧化安定性。

發(fā)動機臺架實驗表明，活塞頂岸和頂環(huán)槽沉積物含有約15~40%的無機殘留物，油品中硫酸鹽灰分越大，沉積物中無機殘留物相對含量增大，但頂岸重碳率和潤滑油灰分關系不大，說明高堿值清凈劑對油品高溫清凈性的影響是一個非常復雜的過程。一方面高堿值清凈劑的熱氧化分級生成的殘留物直接影響相關臺架試驗結果，另一方面，高堿值清凈劑所含皂鹽又起清凈作用，由于燃料中所含的硫在燃燒過程中生成的SOX，會造成缸套、活塞等部件的化學腐蝕而燃料不完全燃燒產物及潤滑油氧化產物所生成的酸性物質也會造成瓦軸腐蝕，為了減少各種酸性物質對發(fā)動機部件化學腐蝕的影響，必須添加高咸值清凈劑以中和這些酸性物質。資料數(shù)據(jù)表明，在硫化烷基酚鹽與磺酸鹽復配體系中，硫化烷其酚鹽對降低第一環(huán)槽積碳有利，磺酸鹽對降低二環(huán)以下的積碳和漆膜有利。

提高煙炱分散性是高檔重負荷柴油發(fā)動機潤滑油的主要性能特性，其主要途徑是使用具有高煙炱分散性能的無灰分散劑，同時高溫清凈劑和抗氧抗磨劑都對油品的煙炱分散性有很大影響。

目前我國市場上柴油中硫含量在0.15%以下，行車實驗表明，潤滑油中的堿值（TBN））在大于燃油中硫含量60倍以上時，才能有效中和生成的SOx,防止發(fā)動機部件的化學腐蝕磨損，因此在調制CF-4油時，在滿足TBN大于90時，盡可能使用中性磺酸鈣比例高的，清凈分散性好低堿值磺酸鈣T101或T104。API重負荷柴油發(fā)動機潤滑油規(guī)格從CF-4到CH-4，最關鍵指標是大大提高了對煙怠所造成負面影響的Mack T8E臺架試驗苛刻度增加，由150h增加到300h，煙炱分散性好壞直接關系的Cummins M11臺架。CH-4在高溫清凈性方面提高不是很大，但由于煙炱分散、抗磨損性和抗氧化性能要求的提高，無灰分散劑和ZDDP加量增加，這樣會給高溫區(qū)清凈性帶來不利影響，因此清凈劑的選擇和加量是至關重要的。CH-4與CF-4最重要的區(qū)別之一是提高了其對抗氧化性能的要求，MS程序IIIE的臺架實驗要求粘度增長不大于200%，較SJ汽油機不大于375%的要求還要苛刻，因此配方中要相應提高抗氧劑的比例，特別是添加高效抗氧劑。綜上所訴，CH-4組成要較CF-4油有較大幅度的改進，加劑量至少提高50%，根據(jù)這一思路，CH-4組成要在CF-4基礎上抗氧劑和無灰分散劑各提高加劑量1.2%，而增加劑量的余部則要提高清凈劑，其中抗氧劑中除了適當提高ZDDP加量外，主要是添加高溫抗氧劑L-57、L-35和T324等。

為了進一步減少NOX的排放，2002年歐美廠家生產柴油機都安裝廢氣再循環(huán)后處理體統(tǒng)EGR，帶有EGR裝置的柴油機對潤滑油提出了更加苛刻的要求，這是因為尾氣中SOX進入氣缸內，增加了缸內酸濃度，廢氣換熱器需要通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)帶走熱量，使熱負荷增加25%，油底殼溫度可達120℃，加快了機油氧化；進入發(fā)動機再循環(huán)廢氣還會將大量的炭黑、NOX、SOX、水蒸氣以及未完全燃燒所產生的酸性物質帶入機內，會使機油變稠造成機件腐蝕磨損，因此帶EGR裝置的發(fā)動機油必須能夠承受熱的煙炱以及控制酸腐蝕能力，CI-4油的使用性能較上一代標準有了明顯提高。

發(fā)動機零部件，特別是連桿端的抗磨損性能大幅度提高；機油耗量減少，為發(fā)動機冷啟動時提供極好的抗磨損保護，保持冷車狀態(tài)下良好的低溫流動性；良好的防止機濾被積碳堵塞的能力；密封件的壽命更長；良好的機油粘度穩(wěn)定性，防止因煙炱過多而導致粘度升高；使曲軸軸承更好的防腐蝕性能；提高良好的高溫抗氧化性能。我國目前缺少評定CI-4油的相關臺架評定設備，此類油只能選擇國外公司生產復合劑來調制。

重負荷柴油發(fā)動機潤滑油最新規(guī)格API CJ-4為了適用排放法規(guī)要求，對油品的硫、磷、硫酸鹽灰分做了嚴格限制，這對目前發(fā)動機潤滑油配方技術提出了挑戰(zhàn)?；曳謥碜越饘偾鍍魟┖?/span>ZDDP，硫酸來自硫化烷基酚煙、ZDDP和基礎油。硫含量的限制和揮發(fā)性指標的降低要求使用II類以上的基礎油調制CJ-4。在添加劑方面，使用代替或部分代替ZDDP作用的添加劑，如無灰無硫無磷的抗氧劑、抗磨劑。在最新的重負荷柴油發(fā)動機潤滑油配方專利中，也體現(xiàn)了上述發(fā)展趨勢。例如有一專利發(fā)明，一定水平的硼添加劑可以使機油具備滿意的抗磨性能，并使配方中硫和磷處于較低水平，油中硼含量在200mg/kg,硫含量小于4000mg/kg，灰分小于1.5%，并含有相當數(shù)量的鉬鹽和水楊鹽酸。另一專利則涉及一種低灰配方，主要通過減少金屬清凈劑的用量降低油中灰分，而高溫清凈劑和氧化安定性的保持通過加入了氮硼酸脂來實現(xiàn)。