煙炱對柴油機油性能影響及解決方案

安文杰+等

摘要：重負荷柴油發動機技術的不斷革新對潤滑油的性能提出了越來越高的要求，尤其是煙炱分散性能。文章綜述了提高潤滑油煙炱分散性能的必要性，介紹了重負荷柴油機油規格中所要求的與煙炱分散性能相關的臺架試驗方法，闡述了煙炱的產生過程和煙炱對柴油機油性能的影響，分別從無灰分散劑、黏度指數改進劑和抗氧劑等方面提出了解決煙炱引起的油品黏度增長和磨損等問題的方案。

關鍵詞：煙炱；柴油機油；無灰分散劑；黏度指數改進劑；抗氧劑

中圖分類號：TE62632文獻標識碼：

Influence of Soot on the Performance of Diesel Engine Oil and Solution ethod

N Wen-jie， ZHO Zheng-hua， ZHOU Xu-guang， HUNG Qing， GUO Peng， LI Hai-ping

（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute， Lanzhou 730060， China）

bstract：With the technological innovation of heavy duty diesel engine， it requires increasing performance of lubricating oil， especially soot-dispersancy This paper summarizes the necessity of improving the soot dispersancy of lubricating oil， bench test methods associated with soot-dispersancy under the diesel engine oil specifications， describes the soot formation and the effects of soot on the performance of diesel engine oil Besides， a way to solve the problem of the oil viscosity increase and wear caused by soot is proposed from the aspects of ashless dispersant， viscosity index improver and antioxidant respectively

Key words：soot； diesel engine oil； ashless dispersant； viscosity index improver； antioxidant

0引言

[JP2]排放法規的不斷苛刻導致發動機設計不斷改進以達到新的排放要求，例如廢氣再循環（EGR）、延遲噴射等，這些技術的采用，使潤滑油中的煙炱含量大大增加，煙炱含量的高低和結構狀況直接影響到發動機的可靠性和柴油機油的耐久性，大量煙炱的聚集會造成濾網堵塞而影響供油，油品黏度增大而流動性變差，[JP3]同時會使發動機缸套—活塞環部分和進排氣閥系部分的磨損加劇，這一系列不利因素的產生，要求發動機油具有更優越的煙炱分散性能和抗磨損性能等。

重負荷柴油機油自PI CF-到CI-，在防止油品黏度增長、缸套拋光、閥系及軸承磨損性能方面得到了顯著提高，而這些性能與潤滑油的煙炱分散性能是緊密相關的。OE為向發動機提供充分有效地保護，在CF-、CG-和CH-的柴油機臺架試驗中，允許的煙炱含量分別為20%、38%及8%，在柴油機油標準中增加了ackT-8、ackT-8E和ackT-11來評價由煙炱引起的發動機油黏度增長；增加了ackT-9、ackT-10、Cummins 11及Cummins 11EGR來評價煙炱對發動機造成的磨損，可見，煙炱分散和磨損已成為重負荷柴油機油最關鍵的性能要求[1-3]。

1煙炱的生成

煙炱是一種混合物，它是柴油發動機在空氣不足條件下不完全燃燒或熱裂解而產生的不定型炭，初始大小約20～80 nm，在柴油機油中以固體不溶物的形式存在。煙炱的生成與空氣溫度、空氣中氧濃度、燃料種類及其在燃燒過程中與空氣的配比情況有關，主要有個階段的變化：（1） 低分子碳氫化合物通過高溫裂解生成不飽和烴； （2）由化學反應形成煙炱微粒核；（3） 煙炱微粒核經過聚合、碳化、表面生長等過程生長為煙炱微粒；（） 煙炱微粒通過凝結、集合形成大塊煙炱。對于化學反應形成煙炱顆粒核階段，主要有多環芳香烴中間體說（polycyclic aromatic hydrocarbons—PHs）、乙炔中間體說（polyynes-PYs）和烴離子說（ionicspecies）等。因煙炱粒子一般具有和石墨相類似的構造，所以芳香烴中間體說得到了較廣泛的認同[-6]。

2煙炱對柴油機油性能的影響

煙炱對柴油機油影響主要體現在兩個方面：一是引起油品黏度急劇增長；二是對發動機閥系和軸承造成磨損。

[JP2]當煙炱作為單獨的小顆粒存在時，一般不會引起黏度明顯地增加，但由于煙炱微粒具有很高的表面自由能，在柴油機油中具有強烈自發聚結的熱力學傾向，因此，當煙炱團聚形成網狀結構大顆粒時其直接的影響是使油品的黏度急劇增加，進而影響供油效率[7]，不同時間下煙炱顆粒的聚集程度如圖1所示

[8]等以掃描電鏡對煙炱引起的柴油發動機磨損進行了模擬試驗，見圖2。并得到結論：柴油發動機的磨損主要和基礎油、煙炱含量及ZnDTP有關，且磨損會隨著煙炱含量的增加而增大，%含量的煙炱對柴油發動機部件表面磨損很大，會影響發動機的正常工作和油品的性能，煙炱顆粒的晶體結構具有很高的硬度，煙炱含量較高將導致摩擦副磨損增大。

3分散煙炱的方法

為提高重負荷柴油機油的煙炱分散性能， 國內外各油品添加劑公司做了大量的研究， 從無灰分散劑、黏度指數改進劑、抗氧劑和添加劑配方組成等各方面研究了解決油品煙炱分散性能的方案。

（1）無灰分散劑

US 018992[9]指出：傳統的分散劑如高分子單掛無灰、高分子雙掛無灰等在ack T-11臺架試驗中均不能阻止煙炱和黏度增長，即使添加量增多也效果不明顯。而結構如下所示的芳香烴化合物，則可以在ack T-11中提供優異的煙炱分散效果。

無灰分散劑的高分子化和復配也是解決煙炱分散的一種辦法。由于煙炱顆粒的比表面積很大，微粒間的吸引力很強，很容易發生團聚，而使用高分子無灰分散劑在煙炱表面的吸附能更有效地阻止煙炱

[LL]

微粒的團聚。高分子化的途經主要有兩條：一是使用更高分子量的基團如：聚對苯、聚對苯乙炔、聚噻吩、聚吡咯等來替代傳統無灰分散劑中的聚異丁烯基團；二是通過交聯反應來提高產品分子量。US 598355[12]中采用兩種胺化度分別為18與13的丁二酰亞胺，在ack T-8試驗中38%煙炱時油品黏度增加值僅為398 mm2/s（通過值為低于115 mm2/s）；US 7018958[13]采用了23%加量的高分子單丁二酰亞胺硼化物與836%加量的非硼化丁二酰亞胺，得到滿足PI CI-規格的油品。

對于解決煙炱分散性能無灰分散劑的研究，是國內外研究熱點之一。從總體來看，主要集中在改變無灰分散劑結構，如引入芳香性基團或者添加具有芳香性基團的輔助性添加劑、提高分散劑分子量和對不同分散劑進行復配等。從各公司的重負荷柴油機油技術看， 高性能分散劑的使用仍是解決油品煙炱分散性能的主要途徑。

（2）黏度指數改進劑

研究表明：具有分散功能的黏度指數改進劑（DOCP）對油品的煙炱分散性能提高較為有利。Irwin Goldblatt等[1]以特定的DOCP部分替代油品配方中的OCP時，可通過ack T-8臺架試驗，而不含DOCP的配方則不能通過。朱和菊等[15]在油品中加入DOCP后進行煙炱分散模擬評價，并認為DOCP的加入能夠明顯提高油品的煙炱分散性能，試驗結果見表2。

從表2可以看出，黏度指數改進劑的類型與煙炱分散性能關系較為密切，加入分散型黏度指數改進劑和分散型補強劑的油品，煙炱分散性能有明顯改善。

盡管分散型黏度指數改進劑能顯著改善油品的煙炱分散性能， 但由于其中有效組分含量少（僅為普遍分散劑的10%左右）， 因而對煙炱分散性能的貢獻也只能是輔助性的， 必須與高性能的無灰分散劑共同使用。

（3）抗氧劑

US 0006855[16]認為：對因采用EGR系統后的柴油發動機特別是重負荷柴油發動機產生的煙炱，以及因煙炱引起的潤滑油黏度增加的問題，可以通過添加苯二胺化合物來改善，并且不會出現對油品不利的方面。

從圖3可見，當煙炱含量在%以下時，兩種油樣的黏度增長方面基本相似，沒有什么區別，但是當煙炱含量大于%時，特別是當煙炱含量大于5%時，“Comp1”沒有通過ack T-11試驗，而“Inv1”通過了ack T-11試驗，有很好的控制潤滑油黏度增長的作用。

顯然，如果能夠以通過改變抗氧劑方式來提高油品煙炱分散性能的方法是簡單而經濟的。

結論及建議

提高油品煙炱分散性能的主要途徑是使用具有煙炱分散性能的無灰分散劑，此外，黏度指數改進劑和抗氧劑等對油品的煙炱分散性能的影響也具有重要作用。

至今為止，國內外對柴油機油中煙炱成分認識還不深刻，未能形成完善的理論及解決方案。因此，這就需要在以后研究中加快對煙炱的認識，在研制具有煙炱分散性能無灰分散劑的同時，不斷完善配方技術。

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