基礎油對汽油機油清凈性的影響

孫文斌+武志強+鐘錦聲+王立華+蓋慧龍

摘要：通過熱管試驗考察了兩個不同ⅢG發動機試驗油清凈性的變化，考察了不同基礎油以及在不同氣氛下基礎油清凈性的變化，用GC-MS、FTIR對基礎油及熱管試驗后油進行了組成分析。研究發現：熱管試驗可以區分這兩個不同的ⅢG發動機試驗油的清凈性能； Ⅰ類基礎油清凈性能差， Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎油清凈性能較好；氧氣的存在使基礎油在老化過程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增多，導致油品清凈性變差。

關鍵詞：ⅢG發動機試驗；基礎油；清凈性能；汽油機油

中圖分類號：TE626.33文獻標識碼：A

0引言

高溫清凈性是內燃機油的重要性能。隨著汽車工業的迅速發展，內燃機向著小型化、大功率、高壓縮比的方向迅速發展，內燃機的使用溫度和工作負荷不斷提高。油品在使用過程中受到氧氣、金屬、燃油等作用，會發生氧化、聚合、裂解等復雜的化學變化并在活塞表面形成積炭、漆膜等沉積物，嚴重影響內燃機油的使用[1-2]。

ⅢG發動機試驗主要考察汽油機油的抗氧化性能和高溫清凈性能。2010年美國公布了GF-5汽油機油規格，與GF-4汽油機油規格相比， GF-5汽油機油ⅢG臺架試驗通過指標中活塞沉積物加權評分由不小于3.5變為不小于4[3-4]，對油品的清凈性能有了更加嚴格的要求。基礎油約占內燃機配方的80%～90%，其清凈性的好壞直接影響到成品油的清凈性能，因此研究基礎油對油品清凈性的影響，對于油品配方的開發具有重要的指導作用。

通過熱管試驗考察兩個不同ⅢG發動機試驗油品清凈性的變化；通過熱管試驗考察不同基礎油以及在不同氣氛下基礎油清凈性的變化，用GC-MS、FTIR對基礎油及熱管試驗后油進行組成分析。

1試驗

1.1試驗用油

5W-30 ⅢG發動機試驗油1#，5W-30 ⅢG發動機試驗油2#，Ⅰ類基礎油、Ⅱ類基礎油、Ⅲ類基礎油、Ⅳ類基礎油。

1.2分析及評定方法

（1）熱管試驗

將一定量的氧氣通入在L型玻璃管內加熱循環的油品中，試驗一段時間后，觀察玻璃管壁上沉積的漆膜顏色，考查油品的高溫清凈性能。設備：SY-9506型；試驗溫度：290 ℃。

（2）ⅢG發動機臺架試驗

試驗方法：程序ⅢG發動機試驗，ASTM D7320[5]。

（3）分析方法

FTIR分析：傅里葉紅外分析，美國Nicolet公司Magna750型傅立葉紅外光譜儀；GC-MS分析：質譜分析，SH/T 0659-1998。

2結果與討論

2.1不同ⅢG發動機試驗時間油品清凈性的變化

將5W-30試驗油1#和5W-30試驗油2#進行100 h的ⅢG發動機試驗，1#試驗油沒有通過ⅢG發動機試驗，2#試驗油通過了ⅢG發動機試驗。分別取試驗0 h、20 h、40 h、60 h、80 h、100 h油樣進行1 h熱管試驗。圖1是不同ⅢG發動機試驗時間油品的清凈性變化，其中左側為1#試驗油熱管試驗結果，右側為2#試驗油熱管試驗結果。

由圖1可以看出，對于試驗油1#， 20 h油樣的熱管就出現黃色漆膜，40 h油樣的清凈性能急劇下降，80 h后整個熱管被黃色或黑色漆膜覆蓋；與1#油樣相比，2#油樣0 h的熱管評級與1#油樣0 h的熱管評級幾乎相同，主要原因可能是設定的熱管的試驗條件對于兩個0 h油樣來說，條件相對緩和。除0 h油品的熱管評級外，2#油樣在各個小時油品的熱管評級都比相對應的1#油品的熱管評級好。由此可見，熱管試驗可以區分這兩個ⅢG發動機試驗油的清凈性能。

2.2不同基礎油熱管試驗

基礎油是內燃機油的重要組成部分，其清凈性的好壞直接影響到油品的清凈性能。本文通過熱管試驗考察了14個不同批次的基礎油，其中包括4個Ⅰ類基礎油、4個Ⅱ類基礎油、3個Ⅲ類基礎油、3個Ⅳ類基礎油，其熱管試驗結果如圖2所示。

從表1中可以看出，鏈烷烴和少環環烷烴含量多，熱管評級低，清凈性好；多環環烷烴和芳烴含量高，熱管評級高，油品清凈性差，芳烴和多環環烷烴是清凈性的非理想組分。Ⅰ類基礎油中芳烴和多環環烷烴明顯高于其他種類基礎油，這可能是其清凈性差的主要原因。

2.3氧化對油品清凈性的影響

在熱管試驗中，基礎油在高溫和氧氣共同作用下發生變質，為了區分高溫和氧化的作用，在氮氣氣氛下，用熱管試驗考察了基礎油清凈性的變化。圖3是四個基礎油在氮氣和氧氣氣氛條件下熱管試驗結果。

從圖4可以看出，四個基礎油在氮氣氣氛下，熱管幾乎都為無色，清凈性好。在氧氣氣氛下，熱管都有黃色或黑色漆膜出現。這說明基礎油僅在熱作用下，變質不明顯；在氧氣的作用下，清凈性變差。圖4到圖7分別是四個不同基礎油在氮氣和氧氣氣氛下熱管試驗后油品的紅外分析譜圖。

從圖4到圖7可以看出，氮氣氣氛下的熱管試驗油與氧氣氣氛下的熱管試驗油主要有4個不同強度的峰：3400 cm-1、1710 cm-1、1600 cm-1、1150 cm-1，氧氣氣氛下的熱管試驗油四個峰的強度明顯大于氮氣氣氛下的峰強度。3400 cm-1為締合羥基的峰，結合熱管試驗后，瓶底有微量的水出現，推斷氧氣氣氛下的熱管試驗后油含有更多的水；1710 cm-1為C=O的峰，1150 cm-1左右為C-O的峰，說明氧氣氣氛下的熱管試驗油含有更多的氧化物；1600 cm-1為芳烴的峰，氧氣氣氛下的熱管試驗油在1600 cm-1峰強度明顯高于氮氣氣氛下峰強度，氧氣的存在，促進了油品的芳構化反應，使油品中芳烴類物質增多。

圖8為5W-30試驗油1#進行ⅢG發動機試驗的新油與試驗100 h后油的紅外差譜圖，從圖中可以看出，油品在ⅢG發動機試驗100 h后1717 cm-1（C=O峰），1601 cm-1（苯環峰）處峰明顯增大。結合上面分析，基礎油在熱氧化條件下，含氧物質和芳烴類物質增多。可以推斷基礎油在ⅢG臺架試驗中生成氧化物質和芳烴類物質，這是導致油品清凈性變差的重要因素。

3結論

（1）利用熱管試驗對基礎油的清凈性進行了考察，結果表明：Ⅰ類基礎油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環烷烴是清凈性的理想組分，多環烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗中，氧氣的存在使基礎油在老化過程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎油變質過程中，氧化作用明顯強于熱解作用。氧化脫氫促進了油品的芳構化反應，使油品中芳烴類物質增多。

（3）ⅢG發動機試驗100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結合基礎油在氧化變質過程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎油的氧化變質是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強，王立華，等.ILSAC節能車用潤滑油和發動機臺架評定技術的進展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測定法（質譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。

3結論

（1）利用熱管試驗對基礎油的清凈性進行了考察，結果表明：Ⅰ類基礎油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環烷烴是清凈性的理想組分，多環烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗中，氧氣的存在使基礎油在老化過程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎油變質過程中，氧化作用明顯強于熱解作用。氧化脫氫促進了油品的芳構化反應，使油品中芳烴類物質增多。

（3）ⅢG發動機試驗100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結合基礎油在氧化變質過程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎油的氧化變質是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強，王立華，等.ILSAC節能車用潤滑油和發動機臺架評定技術的進展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測定法（質譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。

3結論

（1）利用熱管試驗對基礎油的清凈性進行了考察，結果表明：Ⅰ類基礎油清凈性較差，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類基礎油清凈性較好。鏈烷烴和一、二環烷烴是清凈性的理想組分，多環烷烴和芳烴使油品的清凈性變差。

（2）熱管試驗中，氧氣的存在使基礎油在老化過程中水的含量、芳烴含量、氧化物含量增大。在基礎油變質過程中，氧化作用明顯強于熱解作用。氧化脫氫促進了油品的芳構化反應，使油品中芳烴類物質增多。

（3）ⅢG發動機試驗100 h后，油品中含氧化合物和芳烴的含量增大，結合基礎油在氧化變質過程中芳烴和氧化物含量增大，推斷基礎油的氧化變質是油品清凈性變差的重要因素。

參考文獻：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 謝欣，武志強，王立華，等.ILSAC節能車用潤滑油和發動機臺架評定技術的進展＼[J＼]. 石油煉制與化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中飽和烴餾分的烴類測定法（質譜法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。