利用四球機考察含煙炱柴油機油的抗磨損性能

雷愛蓮，謝驚春，徐小紅，王愛香，夏群英

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅蘭州730060)

利用四球機考察含煙炱柴油機油的抗磨損性能

雷愛蓮，謝驚春，徐小紅，王愛香，夏群英

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅蘭州730060)

高檔柴油機油研發中，煙炱引起的磨損是要解決的關鍵問題之一。該研究采用炭黑作為煙炱模擬物，加入試驗油獲得了被煙炱污染的柴油機油，以模擬實際發動機試驗過程中產生的含煙炱油。并且利用四球磨損試驗機為平臺，研究建立了模擬試驗方法，考察了含煙炱柴油機油的抗磨損性能。結果表明:方法能夠有效區分含煙炱柴油機油的抗磨損性能，對不同類型分散劑和黏度指數改進劑在含煙炱柴油機油中的抗磨損性能具有較好的區分性，試驗方法有較好的重復性，可以幫助高檔柴油機油的研發。

含煙炱柴油機油;抗磨損性能;模擬試驗

Abstract:Wear generated by soot in oil is a critical problem in high grade diesel engine oil research work.This soot generated in the full size engine test stand was replaced by a simulator which is called carbon black in this bench test method research work.A related simulation test method was established based on 4－ball wear test machine and the anti－wear performance of the diesel engine oil containing soot was also studied.A series of test results showed that the newly developed bench test method is a good screening tool for diesel engine oil formulation research work with regard to its anti－wear performance.And this test method has good discrimination to the anti－wear performance of oils blended with different kinds of dispersants and VI improvers.The satisfied repeatability is achieved also.

Key words:diesel engine oil containing soot;anti－wear performance;simulation test

0 引言

近幾年，隨著人們對環保意識的日益增強，對機動車輛的排放物提出了苛刻的排放指標要求。為了減少NOx的排放量，柴油汽車制造商在發動機設計和燃燒技術方面采取了許多技術措施，但也帶來了負面影響。最直接的影響是:柴油機在苛刻的燃燒條件下，會產生煙炱，同時也使更多的煙炱滯留在發動機內。在高煙炱水平的條件下，要保持發動機高效工作和延長壽命，需要相應的高性能柴油機油來提供良好的保護。美國石油學會(API)發布的CF－4及以上規格的柴油機油中均涉及到了控制煙炱引起磨損的相關標準臺架試驗，Mack系列臺架用于評價高功率柴油發動機因煙炱造成的活塞環和氣缸套襯里的磨損情況，Cummins系列臺架用于評價裝有廢氣再循環裝置的發動機，產生煙炱以及由其引起十字頭閥系磨損的狀況［1］。而且已有研究表明［2－3］:提高潤滑油對煙炱的分散性能和提高潤滑油的抗磨性能，可減小煙炱引起的閥系磨損。

在柴油發動機中，磨粒磨損、黏著磨損、腐蝕磨損、擦傷是主要的磨損類型。磨粒磨損、黏著磨損和擦傷會破壞磨損表面的機械性能，而腐蝕磨損則會引起一系列的化學反應，從而導致磨損的產生。許多研究工作都報道了燃燒產生的煙炱引起發動機零部件產生磨損的機理。有人對含有煙炱的油用四球機進行了試驗，他們認為:由于研磨作用引起抗磨層的移去、未解析的ZDTP的吸附及ZDTP解析反應的變化是導致磨損產生的原因［4］。另外，還有人認為:燃燒產生的煙炱本身就是一種磨粒。低速高負荷的運轉條件通常會引起煙炱微粒和發動機金屬表面之間的油膜破裂，在這種邊界潤滑狀況下的油膜厚度通常在0.001～0.05 μm之間，但是煙炱微粒的直徑通常在0.01～0.08 μm之間，這樣會引起磨粒磨損［5］。邊界潤滑通常發生在發動機活塞運動的上止點和下止點位置。因此，最大磨損也發生在這些位置。

經過大量研究，研究人員得出了5個主要煙炱磨損機理［5］:(1)煙炱對ZDTP分解產物的優先吸附，阻礙了金屬表面抗磨膜的形成;(2)煙炱同ZDTP對金屬表面進行爭奪，減少了ZDTP的金屬表面覆蓋率;(3)煙炱改變了抗磨膜的結構，減弱了抗磨膜的機械強度和對金屬表面的黏合力;(4)由于煙炱集聚而使能夠真正起潤滑作用的油量減少; (5)由煙炱引起的磨粒磨損。其中大多數研究是在模擬試驗機上進行的，一些機理在實際發動機中尚未被證實。

近些年的有關研究表明，柴油機的煙炱磨損主要是由磨粒磨損引起的。

在實驗室模擬評定方法研究方面，由于模擬試驗具有簡單、快捷、重復性好的特點，越來越得到各大石油公司研究機構的重視，國外一些大石油公司的研究機構都在研究和建立評定柴油機油煙炱引起的磨損性能的實驗室模擬評定方法。常用的模擬評定方法有四球法［6］、球－盤法［7］、銷－盤法［7］，這幾種方法在基礎研究方面用得比較多，但目前尚未見到與標準臺架試驗相關性的資料。

本研究是利用四球磨損試驗機為平臺，研究考察了含煙炱柴油機油的抗磨損性能，以指導和幫助高檔柴油機油的研發。

1 試驗設備及試驗件

本研究采用磨損四球機，試驗最高轉速為2000 r/min，可以實現無級變速，試驗溫度可以達到150，試驗最高負荷為5000 N。試驗件采用四球機試驗專用鋼球，符合GB 308要求。

2 結果與討論

2.1 煙炱模擬物的選擇

本項研究關鍵的問題之一是煙炱模擬物的選擇。因為，煙炱是在發動機燃燒過程中產生的，并慢慢滯留于曲軸箱潤滑油中，屬于納米級產物，因此，在模擬試驗中必須要找到一種替代物質。國內外進行此項研究工作的人們普遍采用物理形態與煙炱非常相似的炭黑模擬煙炱。將相同含量下同一試樣按照確定的試驗條件進行了四球磨損試驗，其磨斑形貌的SEM照片分別見圖1及圖2。

圖1 含煙炱油的SEM照片

圖2 含炭黑油的SEM照片

發動機煙炱與炭黑的分析結果表明:由所選擇炭黑產生的磨斑的形貌看出，含炭黑試樣的磨斑大小和形貌與含煙炱試樣的也比較接近。因此，選擇用炭黑代替煙炱進行抗磨損性能試驗研究。

2.2 模擬試驗條件的確定

參比油選用Cummins ISM臺架試驗通過油和失敗油，加入了一定含量的炭黑，考察了對臺架試驗失敗油和通過油有較好區分性的試驗條件。試驗方案見表1。試驗結果見圖3。

表1 試驗條件考察方案

續表

圖3 不同條件下的試驗結果

圖3的試驗結果表明:所考察的6個條件下，失敗油的磨斑直徑均大于通過油的磨斑直徑，說明均有區分，但條件5的區分性更為顯著一些。因此，確定條件5為四球磨損的試驗條件。

2.3 試驗條件的重復性考察

重復性是試驗方法可靠性的關鍵。為了考察試驗方法的重復性，選取了12個油樣，在一定的炭黑含量下進行了兩種方法的重復性考察，試驗結果分別見表2。

表2 試驗條件的重復性考察

表2的結果表明:四球磨斑直徑小于0.55 mm的樣品，參照GB 6683方法計算獲得的重復性偏差較小，r為0.10 mm;四球磨斑直徑大于0.55 mm的樣品，有些樣品，由于單次試驗結果的重復性偏差不理想，為了提高評定結果的可靠性，采取了取2次試驗結果平均值的措施，參照GB 6683方法計算獲得的重復性偏差仍然較大，r為0.20 mm。說明抗磨損性能差的樣品，重復性偏差較大，這可能是由于樣品本身對炭黑的分散性不好所致。為了確保試驗數據的可靠性，本方法規定用2次重復測定結果的平均值來評價含煙炱油的抗磨損性能。

2.4 潤滑油添加劑的影響

2.4.1 分散劑類型對抗磨損性能的影響

本研究對相關添加劑在含煙炱油中抗磨損性能影響進行了考察。選擇了表3所示的6種無灰分散劑，在同一基準配方中分別加入等劑量的分散劑，考察了分散劑類型對含煙炱油品抗磨損性能的影響，結果見圖4。

表3 分散劑類型

圖4 分散劑類型對含煙炱油抗磨損性能的影響

圖4的試驗結果表明:高分子型無灰分散劑T161A、T161B、LZ181在含煙炱油中的抗磨性能均優于低分子型分散劑T151A、T152，另外，硼化型無灰分散劑H648優于非硼化的T152，說明方法對此有較好的區分。

2.4.2 黏度指數改進劑類型對含煙炱油抗磨損性能的影響

在本研究中，還考察了黏度指數改進劑類型對含煙炱油抗磨損性能的影響。選擇了4種非分散型和2種分散型黏度指數改進劑，基礎油和復合劑類型和劑量均相同，黏度指數改進劑以達到15W－40的黏度級別的量加入，黏度指數改進劑情況見表4，模擬試驗結果見圖5。

表4 黏度指數改進劑類型

圖5 黏度指數改進劑類型對含煙炱油抗磨損性能的影響

圖5的試驗結果表明，分散型黏度指數改進劑D－1和D－2在含煙炱油中的抗磨損性能優于非分散型黏度指數改進劑RHY615、OCP－1、OCP－2和HSD，方法對此有一定的區分。

3 結論

利用四球磨損試驗機研究建立的模擬試驗方法經濟、簡單、數據可靠，能夠有效區分含煙炱柴油機油抗磨損性能，對不同類型分散劑和黏度指數改進劑在含煙炱柴油機油中的抗磨損性能具有較好的區分性，試驗方法有較好的重復性。

［1］張春暉，朱建華.柴油發動機對煙炱的處理能力要求及評定［J］.潤滑與密封，2003(6):33－36.

［2］Wim Van Dam，Willis W Wills，Mark W Cooper.The Impact of Additive Chemistry and Lubricant Rheolgy on Wear in Heavy Duty Diesel Engine［C］.SAE 1999－01－3575，1999.

［3］F Stum Menberg，P Duchesne，W M Kleiser.Similarities and Differences Between Acea E3，E4 and E5 Specifications and Their Impact on Heavy Duty Diesel Engine Oil Formulations［C］.SAE 2000－01－1986，2000.

［4］Rounds F G.Cause of Diesel Engine Wear［C］.SAE 770829.

［5］Cheng C Kuo，Charies A Passut，Tze－Chi Jao.Wear Mechanism in Cummins M－11 High Soot Diesel Test Engines［C］.SAE 981372.

［6］Round F G.Soot from Used Diesel Engine Oils－Their Effect on Wear as Measured in 4－Ball Wear Tests［C］.SAE 810049.

［7］R Mainwaring.Soot and Wear in Heavy Duty Diesel Engines［C］.SAE 971613.

Study on the Anti－Wear Performance of Diesel Engine Oil Containing Soot Based on 4－Ball Test Machine

LEI Ai－lian，XIE Jing－chun，XU Xiao－hong，WANG Ai－xiang，XIA Qun－ying
(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Lanzhou 730060，China)

TE626.32

A

2012－04－19。

雷愛蓮(1970－)，女，高級工程師 ，1992年畢業于西安交通大學內燃機專業，2004年獲得中科院蘭州化物所物理化學專業碩士學位，現從事潤滑油評定技術及管理工作，已公開發表論文10余篇。

1002-3119(2012)05-0016-04