采用Mack T-9臺架試驗分析機油理化性質的變化

楊 鶴，宋海清，郝麗春，盧文彤

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

采用Mack T-9臺架試驗分析機油理化性質的變化

楊 鶴，宋海清，郝麗春，盧文彤

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

以Mack T-9發動機臺架為研究工具，分析了8種柴油機油在500 h臺架試驗過程中的煙炱含量、黏度、金屬含量、總酸值、總堿值、硝化物和磷元素化學狀態等性質的變化過程，探索了柴油機油性質的變化對缸套磨損的影響。試驗結果表明：黏度穩定、抗氧化能力強和總堿值偏高的柴油機油有助于降低發動機磨損，分析結果將對高品質柴油機油的開發提供指導。

柴油機油 Mack T-9發動機臺架 抗磨性能 理化性質

為了滿足日益苛刻的環保要求，柴油發動機技術不斷向前發展，這對柴油機油性能提出了更高的要求，促使柴油機油規格不斷發展，伴隨著產生了相對應的柴油機油評定臺架試驗[1-4]。

由于我國發動機潤滑油標準已與國際接軌，高檔油品配方的確定均需要通過符合國際標準要求的臺架試驗，因此中國石化石油化工科學研究院引進并建立了相應的臺架Mack T-9柴油機油評定臺架。Mack T-9 發動機臺架試驗是ASTM標準中用來評定柴油發動機油對活塞環和氣缸襯里抗磨損和抗腐蝕的試驗，屬于柴油發動機油規格CF-4， CG-4， CH-4指標中的一項試驗。

韓恒文[5]綜述了Mack系列柴油機油臺架試驗的發展過程，概括了Mack臺架試驗對開發高性能柴油機油的重要參考價值。盧文彤等[6]研究分析了Mack T-9柴油機油臺架試驗中潤滑油流變性質、添加劑和潤滑油中煙炱等因素對缸套、活塞環和軸瓦磨損腐蝕的影響。而Mack T-9柴油機油臺架試驗測試運行時間長達500 h，在試驗過程中柴油機油的理化性質發生了較大的變化，這一變化過程需要進行深入研究，這將有助于理解柴油機油升級對配方的深度要求。因此針對Mack T-9柴油機油臺架試驗，利用常規方法、紅外光譜法、核磁共振(NMR)P譜分析法等手段分析8種柴油機油在Mack T-9柴油機油臺架試驗過程的性質變化，以期有助于高品質柴油機油的開發。

1 試驗過程及試驗油樣

Mack T-9 發動機臺架試驗分為2個階段，第一階段發動機運行75 h，使煙炱產生速率最大化；第二階段發動機運行425 h，使發動機磨損最大化。試驗結束后分析缸套、活塞環和軸瓦的磨損情況，本研究重點關注缸套的平均磨損深度。詳細的試驗過程可參見SHT 0761—2005[7]。表1列出了試驗中所用的柴油機油質量級別、黏度級別，以及Mack T-9臺架試驗后缸套平均磨損深度。

表1 Mack T-9臺架的柴油機油樣品及缸套平均磨損深度

在發動機臺架試驗過程中定期抽取柴油機油油樣測量其性質。

2 結果與討論

從表1可以看出，油樣T9-B所對應的缸套平均磨損深度最小，為25.12 μm，表明該油樣的抗磨性能最好；油樣T9-G所對應的缸套平均磨損深度最大，為58.89 μm，表明該油樣的抗磨性能最差。

2.1 不同試驗階段油樣的常規性能分析

由于潤滑油中的煙炱含量與柴油發動機的磨損和正常運行密切相關，并且各種新型柴油機技術使潤滑油中煙炱的含量越來越高，因此煙炱含量的測定對于柴油機而言已越來越重要。圖1給出了7種柴油機油樣品在Mack T-9臺架試驗過程中煙炱含量隨時間的變化。

圖1 柴油機油煙炱含量隨時間的變化■—T9-A； ●—T9-B； ▲—T9-C； ； ◆—T9-E； ； 。 圖2同

由圖1可以看出：在相同的臺架試驗操作條件下，平均磨損值高的柴油機油煙炱含量也高，說明煙炱能加劇缸套-活塞環的磨損；但也存在煙炱含量較低，平均磨損值高的油樣，如缸套平均磨損值為49.66 μm的T9-F油樣，其煙炱含量不高，但平均磨損值較高，說明油樣的抗磨性能很差。由此可初步判斷柴油機油的潤滑能力除了要體現在降低缸套-活塞環的正常做功磨損，還要體現在改善發動機的工作條件，降低煙炱含量及煙炱所產生的磨損，最終才能滿足指標要求。

潤滑油的黏度是其潤滑性能的重要參數，圖2列出了柴油機油黏度隨時間的變化過程。由圖2可知：在Mack T-9臺架試驗的前100 h中，柴油機油先因剪切造成黏度的下降，后由于煙炱的產生而造成黏度升高，各油樣在此階段的黏度變化規律類似；后期的400 h中黏度變化較大的油樣，平均磨損值都較高；后期的400 h中平均磨損值較低的油樣黏度均能保持穩定。因此，在長時間的試驗中，黏度發生較大變化的油樣，在Mack T-9臺架試驗中不會取得好的試驗結果。

圖2 柴油機油黏度隨時間的變化

內燃機油的總堿值和總酸值可以反映出潤滑油中添加劑的添加和消耗情況。圖3和圖4分別是不同油樣總堿值和總酸值隨試驗時間的變化曲線。從圖3可以看出：由于各系列潤滑油的配方不同，油樣的總堿值各不相同，但隨著時間的延長，各系列油樣的總堿值均存在降低的趨勢，說明隨著時間延長潤滑油中添加劑逐漸被消耗；除油樣T9-G外，總堿值高的油樣磨損值較低，潤滑油抗磨性好，這可能與高堿磺酸鹽-清凈劑的加入量高有關。

圖3 柴油機油總堿值隨時間的變化■—T9-B； ●—T9-C； ▲—T9-D； ； ◆—T9-F； ； 。 圖4同

圖4 柴油機油總酸值隨時間的變化

從圖4可以看出，由于各系列潤滑油的配方不同，油樣的總酸值基本相同，但隨著取樣時間的延長，各系列油樣的總酸值均存在增加的趨勢，說明試驗過程中潤滑油逐漸氧化變質或添加劑被消耗。

在Mack T-9臺架試驗中使用的主要摩擦副均為鋼鐵合金材料，只要有磨損的產生，就會有金屬元素進入潤滑油中。為此，對進行Mack T-9臺架試驗的柴油機油，選取平均磨損值較高的T9-G油樣和平均磨損值較低的T9-B油樣，測定其各試驗階段金屬元素的含量，結果見圖5～圖7。

圖5 柴油機油Fe含量隨時間的變化■—Y9-B； ●—T9-G。 圖6、圖7同

圖6 柴油機油Cu含量隨時間的變化

圖7 柴油機油Na含量隨時間的變化

由圖5可知：平均磨損值大的T9-G油樣各階段的鐵含量均高于平均磨損值小的T9-B油樣，前100 h的差別尚不明顯，后400 h的試驗中則差別越來越大，說明T9-G油樣的抗磨能力開始就比T9-B油樣差；而后隨著試驗的進行T9-G油樣的抗磨性能越來越差，產生這一現象的原因可能是試驗過程的高溫高壓等惡劣環境造成了潤滑油的氧化、抗磨劑的消耗和煙炱的增多等。

圖6列出了T9-G油樣和T9-B油樣Cu含量隨時間的變化情況。Cu元素來自于發動機中軸瓦等巴氏合金材料，其磨損的程度表明潤滑油對除發動機缸套活塞環外其它發動機摩擦副的抗磨損能力。由圖6可知，T9-G油樣對其它部位的抗磨能力也很差。

圖7列出了T9-G油樣和T9-B油樣Na含量隨時間的變化情況。Na元素主要來自于潤滑油清凈劑。由圖7可知，T9-B油樣中Na含量較高，由此可以初步判斷，較高含量的清凈劑有利于柴油機油抗磨性能的提高。

2.2 不同試驗階段油樣的氧化值、硝化值和磺化值分析

利用紅外光譜監測法對Mack T-9臺架試驗油樣T9-B，T9-G，T9-H的氧化值、硝化值和磺化值進行檢測，結果見圖8～圖10。

圖8 不同取樣時間油樣的氧化值■—T9-B； ●—T9-C； ▲—T9-H。 圖9、圖10同

圖9 不同取樣時間油樣的硝化值

從圖8可以看出：隨著取樣時間增加，氧化值增加，這說明在使用過程中潤滑油逐漸發生氧化；對比油樣T9-B，T9-G，T9-H發現，油樣T9-G的氧化值遠高于其它2個系列。表明提高配方的抗氧化能力有利于提高柴油機油的抗磨性能。

從圖9可以看出，隨著取樣時間的增加，3個系列油樣的硝化值均增加，說明潤滑油在使用過程中硝化的存在，反映了潤滑油使用性能的衰減；從該試驗結果來看，這3個系列油樣硝化物的多少及其隨試驗時間的變化相差不大，但比較0 h油樣和500 h油樣的硝化值，可看出不同配方的抗硝化程度有所差異。

圖10 不同取樣時間油樣的磺化值

從圖10可以看出：隨著取樣時間延長，磺化值增加，且油樣T9-G系列的磺化值遠高于其它2個油樣系列；T9-G中的磺酸鹽產物值從0 h就偏高，可能是油樣中本身含有磺酸鹽類組分，而這種組分可能不利于配方抗磨作用的發揮。

2.3 不同試驗階段油樣的抗磨組分(ZDDP)分析

依據文獻[8-9]報道，31P NMR譜圖中的磷原子譜峰可分成7組，分別歸屬于7種磷化合物，這7種磷化合物的結構式及其化學位移列于表2。上述7種磷化合物可以分為3類：有效磷、中間磷、氧化磷；堿性ZDDP(b-ZDDP)、中性ZDDP(n-ZDDP)以及二硫代磷酸酯(SPS)為ZDDP抗氧抗磨的有效組分，稱為有效磷，表示為P[S2O2]；硫代磷酸酯(SPO和OPS)和硫代磷酸鹽(SPO-)是ZDDP在行車試驗中進行氧化降解反應的中間產物，還具備一定的抗氧抗磨作用，稱為中間磷，表示為 P[SO3]；磷酸酯(鹽)(OPO-)則是ZDDP的最終氧化降解產物，已經完全喪失抗氧抗磨作用，因此稱為氧化磷，表示為P[O4]。

表2 磷化合物的分類及其化學位移

對T9-B，T9-G，T9-H 3個系列的新油與Mach T-9臺架試驗500 h油樣的31P NMR譜進行對比，結果見圖11。根據上述方法分析新油和500 h試驗后油樣中磷原子類型分布，結果列于圖12。

從圖11可以看出，T9-B，T9-G，T9-H 3個系列潤滑油新油中加入的磷化合物都是以堿性ZDDP為主，也存在少量其它的類型。這三者的其它類型磷化合物不同，油樣T9-B含有一些中性ZDDP和二硫代磷酸酯，油樣T9-G主要是二硫代磷酸酯，而油樣T9-H則主要是中性ZDDP。從圖11還可以看出，經過500 h臺架試驗后，油樣的磷譜出現了硫代磷酸酯、硫代磷酸鹽及磷酸酯(鹽)，分別屬于中間磷和氧化磷。此3種油的磷化合物類型與含量也各不相同，即三者的磷化合物的變化各不相同。

從圖12可以看出，各系列油樣新油中磷原子96%以上以有效磷的形式存在，而在500 h油樣中磷原子大部分以氧化磷的形式存在，且隨各系列潤滑油配方的不同，磷化合物的分布各不相同。經過500 h臺架試驗后，有效磷含量較低，說明其有效磷在試驗過程中通過化學反應發揮了其抗氧和抗磨作用，而后轉化為中間磷和氧化磷。

圖11 試驗油樣的31P NMP圖譜

圖12 新油與500 h油樣中的磷化合物類型分布■ —有效磷； ■ —中間磷； ■ —氧化磷

3 結 論

(1) 柴油機油的黏度在T-9臺架試驗中保持穩定有利于降低磨損。

(2) 抗磨能力較差的油樣中金屬元素含量較高，可通過試驗過程中金屬元素的監控預測試驗結果。

(3) 磨損值較高的柴油機油的總酸值總體偏高，總堿值總體偏低。

(4) 抗氧化能力較差的柴油機油不利于提高抗磨能力。

(5) 經過500 h發動機臺架試驗后，油樣中ZDDP的有效磷大部分轉化為氧化磷。

對柴油機油在Mack T-9臺架試驗過程的理化性質變化過程的研究和分析，將有助于開發高端柴油機油。

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ANALYSIS OF PHYSICOCHEMICAL PROPERTY CHANGES OF ENGINE OIL IN MACK T-9 BENCH TEST

Yang He， Song Haiqing， Hao Lichun， Lu Wentong

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The changes in soot content， viscosity， mental content， total acid value， total alkali value， nitrification and phosphorus chemical state of eight kinds of engine oils in 500-hours Mack T-9 bench test were analyzed to investigate the effects on the cylinder liner wear. The results indicate that the diesel engine oil with steady viscosity， strong anti-oxidization ability and high total alkali value is useful to improve the anti-wear performance. The knowledge from the results is helpful to develop high-grade diesel engine oils.

diesel engine oil； Mack T-9 engine bench； anti-wear performance； physicochemical properties

2016-05-30； 修改稿收到日期： 2016-09-02。

楊鶴，博士，高級工程師，主要從事燃油、潤滑劑等石油產品的應用研究工作。

楊鶴，E-mail：yanghe.ripp@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(111051)。