柴油潤滑性及潤滑性添加劑的研究進展

王冠英（山西省產品質量監督檢驗研究院，山西 太原030006）

在柴油發動機運行的過程中，柴油除了用作燃料之外，還是輸油泵和高壓油泵的潤滑劑，因此柴油的潤滑性直接影響著油泵的運行效果，在潤滑性偏差的情況下，會使柴油發動機的精密部件出現嚴重的磨損。因此如何有效保障柴油的潤滑性是一個十分重要的問題。

1 會對柴油潤滑性產生影響的組分分析

柴油中硫的含量、十六烷值以及多環芳烴的含量是柴油發動機排放的幾項主要影響因素。在相同功率下柴油發動機比汽油機節省燃料30%(按體積計)，并且排放的CO、NO，和烴類低95%，排放的C0：也少25%，因此柴油發動機受到青睞。我國柴油主要由直餾柴油、催化裂化柴油、加氫精制柴油組成，其分別約占57%、19%、22%。柴油中硫的含量直接影響著發動機運行所排放的硫化物的量。在新時期下，可持續發展理念的廣泛滲透促使人們開始研究含硫量更低的柴油產品。根據新時期環保標準的規范要求，我國所使用的柴油發動機的噴油壓力獲得提升，相應的噴射靈活性、復雜性都得到了明顯的加強。在這樣的情況下，噴射系統對柴油潤滑性提出了更高的要求。在進行柴油生產時，為了減少污染物的排放，通常會采取一定的工序將柴油中的硫和芳烴脫除，但這些工序會使柴油中所包含的潤滑組分被除去，導致柴油的潤滑性受到損傷。受此影響，柴油機運行中噴油泵將出現磨損以及失效的問題。因此如何在滿足環保標準的條件下提升柴油的潤滑性是一個十分關鍵的問題。

結合現有技術發展來看，人們所采取的提升柴油潤滑性的措施主要有以下幾種：其一，使用質量更好、含硫量更低的柴油組分。其二，通過優化加氫工藝實現對柴油組分中潤滑性物質濃度的有效控制，始終保持在較高的水準。其三，在柴油中使用具有潤滑性的添加劑。在上述三種方法中，使用添加劑是最有效且經濟的方法。

1.1 柴油潤滑性的影響組分

根據現有研究成果來看，柴油的潤滑性主要取決于多環芳烴、含氮雜質、含氧雜質等因素。例如，Wang等使用SBOCLE對低硫含量柴油進行評價，結果顯示，低硫含量柴油的硫含量對其潤滑性不存在影響，而是由其黏度以及多環芳烴的含量所決定的。范文琴、趙良等通過對柴油潤滑性影響因素的研究發現，柴油中的硫含量的高低取決于柴油中極性化合物含量的多少。而根據朱軍等人的研究成果來看，含硫化合物對柴油潤滑性的影響并不大，而含氮和含氧化合物才是決定柴油潤滑性的關鍵性因素，其中環烷酸發揮著重要的影響，因此從某種程度上可以通過酸度來判斷的柴油的潤滑性。一般情況下，不同種類化合物的混合對柴油潤滑性產生的影響表現出一定的區別，最常見的三種影響分別是加和效果、協同效果以及對抗效果。根據胡澤祥和高文偉等人的研究可知，含硫量、含氮量以及芳烴含量等因素和柴油潤滑性之間的關聯性并不明顯，強極性的芳香性雜環化合物才是影響柴油潤滑性的關鍵組分。基于以上研究成果我們可以做出判斷，低硫含量環烷基原油直餾柴油組分應該具有良好的潤滑性。此外需要注意的是，雖然酸性組分是柴油中有效的抗磨組分，但并不意味著柴油的酸度值越高越好，因為該組分會形成一定的腐蝕磨損作用。

1.2 柴油的抗磨機理研究

根據郭和軍、黃志勇等人的研究可知，柴油中包含的硫化物具有促進磨損的效果，在對柴油進行脫硫處理的過程中，通常會將芳烴、多環芳烴、含氮含氧化合物等一同脫出，導致柴油的抗磨性出現明顯的下降。就當前研究來看，油泵的磨損機理尚不明晰，低黏度輕質的燃油若是處于高溫條件下，會出現潤滑膜破裂的情況，進而引發氧化磨損、擦傷、疲勞、腐蝕等一系列問題。針對一些比較常見的磨損形式，韋淡平通過研究提出了解決方法，一是減少氧化腐蝕、二是使用高潤滑性低硫含量的柴油，在摩擦部件之間形成轉移膜提供保護效果。根據李春生、周立坤等人的研究，極性雜質的抗磨機理表現出顯著的復雜性特征，一是含氧雜質通過吸附—氧化—分解起到抗磨作用。二是芳香性含氮化合物發揮出類似油性劑的作用。三是形成了具有抗摩擦效果的聚合物。

柴油發動機的潤滑屬于邊界潤滑，具有低溫、高負荷的特征，目前通常是通過物理和化學吸附膜來實現。分子結構是否科學合理影響著抗磨劑所發揮的潤滑效果。

2 柴油潤滑性添加劑的相關研究

通過上文內容已知，在柴油中使用抗磨添加劑是提高柴油潤滑性最有效的途徑。當前階段，比較常用的柴油潤滑性添加劑包括脂肪胺、醇、脂肪酸、脂肪酸酯等化合物，這些添加劑都屬于油性劑的范疇，其中包含的氧或是氮會附著在金屬表面形成一層保護膜，避免金屬之間直接接觸，這樣就可以有效的緩解磨損問題。柴油中的添加劑加入量，根據添加劑及柴油的種類不同而異，一般在50～300 μg／g。不同種類的添加劑在柴油中的使用量也存在差異性，一般情況下，使用添加劑之后柴油的酸度值不宜過高。

2.1 脂肪胺

一般來講，脂肪胺是由多烯多胺和脂肪酸經過酰胺化反應生成的，其對柴油潤滑性影響的高低取決于其中多烯多胺相對分子質量的大小，質量越大，柴油潤滑性的提升幅度也就越高。根據現有研究、實踐成果可知，將酰胺作為柴油潤滑性添加劑的最佳質量分數為0.5%，乙酰乙酸己酯和辛酯的最佳質量分數為0.075%。但要特別注意的一點是，由于酰胺化反應產物的酸值普遍偏高，很容易和柴油發動機燃料系統中潤滑油所包含的堿性成分發生反應，反應產物中所包含的沉渣由于無法溶解，必然會對燃料系統的運行產生影響，因此應盡量不選用酸性的抗磨劑。

2.2 脂肪酸酯

柴油中使用的脂肪酸值化合物主要有脂肪酸單酯、脂肪酸雙酯、多酯等。根據Goodrum等的研究，脂肪酸單酯中，乙酯對柴油潤滑性的改善效果要優于甲酯，含羥基的植物油甲酯對柴油潤滑性的改善效果則優于普通的植物油。在硫含量較低的柴油中使用多種脂肪酸甲酯對柴油潤滑性的改善效果比使用一種脂肪酸甲酯要強。朱同榮等研究發現，脂肪酸與1、2—環氧丙烷反應生成酯的潤滑性取決于其脂肪酸鏈的長度以及不飽和度，鏈越長，潤滑性越高；不飽和度越大，潤滑性越高。

脂肪酸雙酯、多酯對柴油潤滑性的改善效果取決于其醇碳鏈的長度，同一種二元酸雙酯的醇碳鏈越長，所生成酯的潤滑性越好。但是對同一種醇，二元酸碳鏈的長度與其酯的潤滑性沒有關系。研究發現，二羧酸酯的最佳添加量為500～750μg/g。根據Brid.D的研究，多元醇酯具有良好的潤滑效果，且在少量使用的情況下不會對柴油的基本性能產生損害。為了解決多元醇酯應用中引發的過濾網堵塞問題，可以將多種多元醇酯進行混合使用。

在柴油中使用脂肪酸酯及其衍生型添加劑的過程中，最好進行混合使用，這樣能夠取得比單種使用更佳的效果。目前，市場上的很多柴油抗磨劑產品都是由長鏈的不飽和酸以及多元醇制備獲得的。但這種方法的成本偏高，而且產品中或多或少的會殘留一定量未反應的脂肪酸。

2.3 羥酸

羥酸型潤滑劑在柴油中的使用也十分廣泛，這類添加劑主要是由長鏈的脂肪酸化合物構成，它能夠在金屬的表面形成致密的吸附膜，起到緩解摩擦和磨損的作用。羧酸的添加量在50～100μg／g都能顯示較好的潤滑性，因此羧酸型潤滑劑曾被廣泛使用。但這類添加劑存在一定的不足，如容易造成燃料過濾網堵塞，而且酸性抗磨劑容易和金屬發生化學反應，造成金屬腐蝕。

3 結語

綜上所述，在環保標準不斷提高的背景下，為了確保柴油的潤滑性，應加強對柴油潤滑性機理以及添加劑的研究，了解影響柴油潤滑性的組分，確定柴油的有效抗磨潤滑組分，基于此研制更加高效的抗磨添加劑，為柴油發動機的穩定運行提供保障。