重负荷柴油发动机对润滑油的要求分析

 为了满足日趋严格的排放法规，重负荷柴油发动机不断采用新的发动机技术，例如延迟喷射柴油、尾气颗粒捕捉器、选择性催化还原器、氧化催化转换器等。这些新技术的应用，改变了发动机润滑油的工作环境，对机油的使用性能提出了越来越高的要求，尤其是烟炱分散性能。
    发动机润滑油中烟炱含量的增长将对发动机正常运行产生负面影响：首先，机油中的小烟炱微粒会逐步积聚为较大颗粒，会在摩擦副表面产生磨粒磨损，如曲轴及连杆轴承、缸套及活塞环以及相关阀系的磨损。烟炱也可以在高温及低温条件下形成活塞沉积漆膜或油泥。烟炱在机油中积聚成较大颗粒，形成网状结构，从而阻碍了机油正常流动，同事促进油品氧化，加速消耗机油碱性，使油中的功能添加剂过早失效。在重负荷柴油发动机润滑油规格发展过程中，油品在各方面性能要求上都有着不同程度的提高，从CF-4到CJ-4，在防止油品粘度增长、缸套抛光、阀系及轴承磨损性能发面得到了显著提升，而这些性能都与润滑油的烟炱分散性能紧密相连，对于烟炱分散性能的要求越来越高。
    烟炱是柴油发动机不完全燃烧的产物，通过窜气及气缸壁的油膜经气缸油环刮入曲轴箱。重负荷柴油机排放的固体颗粒物主要是由碳黑、有机碳和磺酸盐等组成。烟炱表面元素分析表明，烟炱表面含有氮、氢及硫元素，也含有来自润滑油添加剂的钙、镁、锌、磷等元素，为了提高机油的烟炱分散性，通常的做法是加大分散剂的用量。实验证明，过多的分散剂用量会影响油品的低温流变性(CCS和MRV)、抗磨性和密封材料相容性，用此方法不能完全满足实际应用及Mack T8E台架条件下油品粘度增长过快的问题。
    烟炱颗粒直径在20-40nm，其比表面积很大，微粒间吸引力很强，很容易团聚。采用不同结构、不同碱值的聚异丁烯丁二酰亚胺分散剂搭配使用可明显提高机油的烟炱分散性。磺酸盐和硫化烷基酚盐是表面活性剂，在油中，油溶性烷基链向外侧把极性基聚集起来，形成胶束而溶解。因此，清净剂具有增溶作用、胶束作用及酸中和作用，从而能抑制或减少各种发动机润滑油沉淀物。清净剂的胶溶作用主要是指其能够吸附于烟炱及其它非油溶性固体颗粒表面，形成覆盖膜，从而阻止了其聚集成较大粒子而在金属表面沉积。而正是清净剂在烟炱表面强的吸附力影响了分散剂在烟炱表面的吸附，致使油品的烟炱分散性能降低。CF-4—CJ-4对机油烟炱分散性大幅度提高，因此其配方组成中无灰分散剂的比例较早先的CD油有明显提高，二者之间的平衡是研究配方的关键。分散剂的选择及加剂量还要充分考虑各种性能之间的平衡，如分散剂对烟炱分散能力、热氧化稳定性、对油品高温清净性的影响以及对油泥的控制。无灰分散剂的碱值（氮含量）越高，分散能力越强，但热稳定性、高温清净性变差，这就是不同结构分散剂复合使用的原因。
    美国API和欧洲ACEA重负荷柴油发动机润滑油规格对油品抗磨性能的评价主要体现在高烟炱条件下机油对发动机摩擦副的保护能力。CUMMINS M11台架主要评价在高烟炱条件下润滑油对阀系的保护能力；Mark T-9实验主要评价机油在烟炱存在条件下，机油对缸套—活塞环的保护能力。通过各种实验室模拟和台架实验表明，提高油品对烟炱的分数能力，防止烟炱聚集，不但可以降低烟炱引起的粘度增长，而且可减少烟炱所造成的磨损。提高机油组成中ZDDP加剂量，可以降低油中高烟炱含量对抗磨性所造成不利影响，但其含量的提高又会直接影响油品的高温清净性，相应的要提高油品组成中清净剂的加量。因此在研制高档重负荷柴油发动机润滑油时，与CD油相比，可适当增加ZDDP的加剂量，以保证抗磨性，同时要复合L-57、L-135、T323之类高温抗氧剂，以提高油品的热氧化安定性。
    发动机台架实验表明，活塞顶岸和顶环槽沉积物含有约15%—40%的无机残留物，油品中硫酸盐灰分越大，沉积物中无机残留物相对含量增大，但顶岸重碳率和润滑油灰分关系不大，说明高碱值清净剂对油品高温清净性的影响是一个非常复杂过程，一方面高碱值清净剂的热氧化分级生成的残留物直接影响相关台架试验结果，另一方面，高碱值清净剂所含皂盐又起清净作用，由于燃料中所含的硫在燃烧过程中生成的SOx，会造成缸套、活塞等部件的化学腐蚀，而燃料不完全燃烧产物及润滑油氧化产物所生成的酸性物质也会造成瓦轴腐蚀，为了减少各种酸性物质对发动机部件化学腐蚀的影响，必须添加高碱值清净剂以中和这些酸性物质。资料数据表明，在硫化烷基酚盐与磺酸盐复配体系中，硫化烷基酚盐对降低第一环槽积碳有利，磺酸盐对降低二环以下的积碳和漆膜有利。
提高烟炱分散性是高档重负荷柴油发动机润滑油的主要性能特性，其主要途径是使用具有高烟炱分散性能的无灰分散性，同时高温清净剂和抗氧抗磨剂都对油品的烟炱分散性有很大影响。通过上述对无灰分散剂、高温清净剂和抗氧抗磨剂的性能、作用分析，在实验室做了反复模拟台架实验，调整了各种添加剂的比例，大致拟定了CF-4油的配方中各种添加剂的比例及添加量。
    无灰分散剂41%，高温清净剂（高碱值硫化烷基酚盐和磺酸盐）43%，抗氧抗磨剂16%，总加剂量8.6%，配发的组成最终还要经过标准规格中的相关发动机台架实验和行车使用实验来确定。
    目前我国市场上柴油中硫含量在0.15%以下，行车使用实验表明，润滑油中的碱值（TBN)在大于燃油中硫含量60倍以上时，才能有效中和燃烧中生成德SOx，防止发动机部件的化学腐蚀磨损，因此在调制CF-4油时，在满足TBN大于90时，尽可能多使用含中性磺酸钙比例高的、清净分散性好的低碱值磺酸钙T101或T104。
    API重负荷柴油发动机润滑油规格从CF-4到CH-4，最关键指标是大大提高了对烟炱的分散性能和抗氧化性能。评定烟炱所造成负面影响的Mack T8E台架试验苛刻度增加，由150h增加到300h，烟炱含量从3.8%增加到4.8%，并要求过滤器降压不超过100kpa，还增加了与烟炱分散性好坏有直接关系的Cummins M11台架。CH-4在高温清净性方面增加了Cat.1P双金属活塞的台架试验，但较CF-4在高温清净性方面提高不是很大，但由于烟炱分散、抗磨损性和抗氧化性能要求的提高，无灰分散剂和ZDDP加量增加，这样会给高温区清净性带来不利影响，因此清净剂的选择和加量是至关重要的。CH-4与CF-4最重要的区别之一是提高了其对抗氧化性能的要求，MS程序ⅢE的台架试验要求粘度增长不大于200%，较SJ汽油机油不大于375%的要求还要苛刻，因此配方中要相应提高抗氧剂的比例，特别是要添加高效无灰抗氧剂。综上所述，CH-4组成要较CF-4油有较大幅度的改进，加剂量至少提高50%。根据这一思路，CH-4组成要在CF-4基础上抗氧剂和无灰分散剂各提高加剂量1.2%，而增加剂量的余部则要提高清净剂，其中抗氧剂中除了适当提高ZDDP加量外，主要是要添加高温抗氧剂L-57、L-135和T323等。
     为了进一步减少NOX的排放，2002年欧美厂家生产柴油机都安装废气再循环后处理系统EGR，带有EGR装置的柴油机对润滑油提出了更加苛刻要求，这是因为尾气中SOX进入汽缸内，增加了缸内酸浓度，废气换热器需要通过发动机冷却系统带走热量，使热负荷增加25%，油底壳温度可达120℃,加快了机油氧化；进入发动机进行再循环的废气还会将大量的炭黑、NOX、SOX、水蒸气以及未完全燃烧所产生的酸性物质带入机内，会使机油变稠造成机件腐蚀磨损，因此带来EGR装置的发动机用油必须能够承受热的烟炱以及控制酸腐蚀能力，CI-4油的使用性能较上一代标准有了明显提高。
    发动机零部件，特别是连杆端的抗磨损性能大幅提高；机油耗量减少；为发动机冷启动时提供极好的抗磨损保护，保持冷车状态下良好的低温流动性；良好的防止机滤被积碳堵塞的能力；密封件的寿命更长；良好的机油粘度稳定性，防止因烟炱过多而导致粘度升高；使曲轴轴承更好的防腐蚀性能；提供良好的高温抗氧化性能。我国目前缺少评定CI-4油的相关台架评定设备，此类油只能选择国外公司生产复合剂来调制。
    重负荷柴油发动机润滑油最新规格API CJ-4为了适应排放法规要求，对油品的硫、磷、硫酸盐灰分做了严格限制，这对目前发动机润滑油配方技术提出了挑战，机油中磷来源ZDDP。灰分来自金属清净剂和ZDDP，硫来着硫化烷基酚盐、ZDDP和基础油。硫含量的限制和挥发性指标的降低要求使用Ⅱ类以上的基础油调制CJ-4，在添加剂方面，使用代替或部分代替ZDDP作用的添加剂，如无灰无硫无磷的抗氧剂、抗磨剂、金属清净剂会更多的使用无硫的水杨酸盐。在最新的重负荷柴油发动机润滑油配方专利中，也体现了上述发展趋势。例如有一专利发明，一定水平的硼添加剂可以使机油具备满意的抗磨性能，并使配方中硫和磷处于较低水平，油中硼含量在200mg/kg以上，而磷小于600mg/kg，硫含量小于4000mg/kg，灰分小于1.5%，并含有相当数量的钼盐和水杨酸盐。另一专利则涉及一种低灰配方，主要通过减少金属清净剂的用量降低油中灰分，而高温清净剂和氧化安定性的保持则通过加入含氮硼酸酯来实现。