超低劑量CF-4柴油機油的研制及其應用

王欣，楊雪，趙正華，金鵬，段況華，郭鵬

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油克拉瑪依潤滑油廠，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

縱觀全球，內燃機油一次次的更新換代都有著排放法規和發動機結構的改變在背后不斷驅使著。而我國汽車工業的發展和社會經濟的狀況，與發達國家相比差距較大，將長時期保持高檔油和中、低檔油并存的局面。據資料統計，2018年API CF-4及更低的油品占總市場約35%，根據相關預測，2020年CF-4油品仍會維持12%的市場份額。中國車用柴油機油需求結構見表1。

表1 中國車用柴油機油需求結構 %

表1(續) %

即使柴油機油從API CF-4向更高性能的API CH-4、CI-4轉變，但是配方的經濟性、靈活性能夠為潤滑油品公司帶來極大的市場競爭力。所以在抓住下一個風口API CH-4的過程中，必須兼顧如今的API CF-4市場，確保最大程度地保持以及掠獲更大的市場。

1 研究與測試

1.1 原材料選擇

基礎油是添加劑的載體，是潤滑油的重要組成部分，本研究中首先對基礎油進行了考察。在基礎油的選擇上充分考慮了油品的性能要求和基礎油資源的高效合理利用。用加氫工藝生產潤滑油基礎油是目前世界上生產高檔潤滑油基礎油的趨勢，其目的在于通過加氫工藝除去基礎油中的不理想組分，以提高潤滑油基礎油的氧化安定性和黏度指數。另外，加氫基礎油具有優良的煙炱分散能力[1]，不同基礎油對油品煙炱分散性能的影響見圖1。為了保證油品對低溫性能、抗氧化、煙炱分散等性能的要求，按照基礎油立足國內的原則，本研究在調合CF-4 15W-40柴油機油時，基礎油選用Ⅱ類加氫基礎油。

圖1 不同基礎油對油品煙炱分散性能的影響

在特定的基礎油中控制煙炱的聚集，主要通過分散劑的合理使用來實現。目前常用的無灰分散劑有丁二酰亞胺、酯類、硼化等無灰分散劑，國外文獻報道了一些其他類型的無灰分散劑(如接入酚型抗氧基團等分散劑)，但目前市場上還沒有出現該類產品，國外添加劑公司一般不對外出售，只在自己的配方中使用[2]。因此，利用傳統無灰分散劑解決現代柴油機油中的煙炱分散性能，對配方研究者來說是一個非常大的難題，需要綜合各種對煙炱分散性能的影響因素。各種無灰分散劑性能對比見表2[3]。CF-4柴油機油需要通過Mack T-8A和Mack T-9臺架試驗，Mack T-8A臺架試驗主要用于評定因煙炱引起的油品黏度的增長，要求試驗運行100～150 h之間，100 ℃運動黏度平均黏度增長不大于0.2 mm2·s-1·h-1。Mack T-9臺架試驗用于評價在一定煙炱含量下，油品對發動機活塞環和氣缸套磨損能力的影響[4]。兩個臺架試驗都與煙炱有關，因此無灰分散劑的選擇需從對兩個臺架影響的角度考慮。又考慮到成本等綜合因素，該課題選用高分子丁二酰亞胺類分散劑。

表2 各種無灰分散劑性能對比

金屬清凈劑是各種內燃機油的重要添加劑，目前內燃機油中常用的金屬清凈劑主要包括磺酸鹽、硫化烷基酚鹽、烷基水楊酸鹽、環烷酸鹽以及其他羧酸鹽，前三種金屬清凈劑仍然是使用較為廣泛的金屬清凈劑。烷基水楊酸鹽是在烷基酚上引入羧基，并將金屬由羥基位置轉到羧基位置。這種轉變使得其分子極性強，高溫清凈性大為提高。近年來，蘭州潤滑油研究開發中心研究發現，由于烷基水楊酸鹽分子極性強，高溫清凈性好，尤其是對于現代負荷重、活塞溫度高的大型柴油機用油所要求的頂環槽充炭和頂環臺重炭具有極好的清凈作用，磺酸鹽清凈劑是很難達到這一效果的。同時由于該劑具有良好的高溫清凈性、酸中和能力、較好的熱穩定性以及一定的低溫分散能力和抗氧抗腐蝕性能，它的使用對于保證發動機內部清凈、減少積炭、延長發動機壽命起到重要作用，因而被廣泛應用于高檔內燃機潤滑油領域[5]。因此，本研究選擇以烷基水楊酸鹽清凈劑為主劑，并復配部分硫化烷基酚鹽，提高油品的抗氧化、抗腐蝕性能。該體系一方面使研制的油品具有優良的高溫清凈性，另外一方面充分發揮中國石油蘭州潤滑油研發中心在利用烷基水楊酸鹽進行配方研發方面的優勢，使研制的產品具有自己獨特的技術特色。

長期以來對ZDDP系列在加氫基礎油中的適應性研究發現：雙辛基二硫代磷酸鋅對加氫基礎油感受性較好，同時因其具有比其他ZDDP更好的熱穩定性，已廣泛應用于柴油機油中；而異丙基異辛基二硫代磷酸鋅具有比其他ZDDP更強的抗磨性能，George[6]等考察了柴油機油中不同含量的二烷基二硫代磷酸鋅對煙炱磨損的影響，發現在相同煙炱含量下，二烷基二硫代磷酸鋅含量較高時，柴油機油的煙炱磨損較小。因此本研究的抗氧抗腐抗磨劑考慮選用二者復配的方案。各種ZDDP性能對比見表3。

表3 各種ZDDP性能對比

1.2 復配規律研究

在選定添加劑種類及加量的基礎上，對清凈劑、無灰分散劑以及抗氧抗腐抗磨劑之間的復配規律進行7個方案的考察。主要模擬測試方法見表4，調整后的配方組成及實驗室模擬評定結果見表5。

表4 主要模擬測試方法

表5 不同添加劑復配規律研究

根據成焦板、熱管，磨斑直徑等模擬數據，選定5號方案為臺架方案，并將其與國外某復合劑調制的CF-4 15W-40柴油機油進行對比評價，具體結果見表6。

表6 與國外某復合劑調制油品對比分析

表6(續)

由表6可見，5號方案調制的CF-4 15W-40油品與國外某復合劑調制的CF-4 15W-40柴油機油相比，模擬性能相當，且具有較高的堿值。選定的5號方案通過了Mack T-8A、 Cat.1K和CRCL-38臺架試驗。但未通過Mack T-9臺架試驗。試驗結果見表7。

表7 Mack T-8A、 Cat.1K和CRCL-38臺架試驗結果

由表7中試驗結果看出，該油品在進行Mack T-9試驗后，頂環失重嚴重，一方面可能是油品的抗磨損性能不夠，另一方面是油品的煙炱分散能力不夠，造成油品在使用中煙炱大量聚集形成的過度磨損。因此，在5號方案的基礎上，依據配方變動原則：可對單劑加量適當增加，當復合劑中某一單劑在成品油中的加量大于1%，且復合劑及單劑加量增加不超過15%時，不需要再次進行臺架試驗。實驗室在5號方案的基礎上對分散劑與抗磨劑的加量進行了適當提高，并進行4個復配方案的考察，重新確定Mack T-9臺架試驗方案，調整后的配方組成及實驗室模擬評定結果見表8。

表8 不同添加劑復配規律研究

根據表8中模擬評定試驗，磨斑直徑(四球法)和SRV摩擦磨損試驗均為考察潤滑油抗磨損性能的模擬評定方法，從試驗結果可見，11號方案調合的油品磨斑直徑和缸套、活塞環的失重均有較大幅度下降；煙炱分散試驗是在試驗樣品中添加8%煙炱模擬物(炭黑)通過黏度增長考察油品對煙炱的分散能力，由試驗結果可見，11號方案調合的油品黏度增長率最低。可見在改變了分散劑劑量之后，11號方案整體配方體系中各功能添加劑發揮了很好的協同作用，使煙炱均勻分散在油中，減少了磨粒磨損以及煙炱對抗磨劑表面吸附的影響，使分散劑和抗磨劑均發揮了最大作用。因此確定11號方案為第二次Mack T-9臺架試驗方案，油品順利通過了臺架試驗標準要求，試驗結果見表9。

表9 第二次Mack T-9臺架試驗結果

2 行車試驗

2.1 試驗方案確認

為了進一步考核研制復合劑調合CF-4 15W-40柴油機油的實際使用性能，在國內某OEM主流車型的三輛重型卡車上(1、2、3號車)進行1.8萬公里行車試驗，同時在三輛車上(4、5、6號車)以國外某品牌CF-4 15W-40柴油機油作為競品，進行性能對比。試驗油新油理化分析數據見表10。

表10 試驗油新油理化數據分析

2.2 油液監測

根據行使里程，分別取樣，并對油品進行分析檢測，檢測項目包括常規理化指標、紅外光譜和磨損金屬元素三個方面。指標變化趨勢如圖2～圖9所示。

(1)100 ℃運動黏度

圖2 100 ℃運動黏度

整個試驗過程中，兩種試驗油品100 ℃運動黏度變化趨勢平緩，這說明試驗油品具有良好的抗剪切穩定性和黏度保持能力，使得油品在使用之初，油品的黏度沒有較大的下降；完成行車試驗后，沒有因為油品的氧化而造成油品黏度有較大的增長，表明兩種油品具有優異的抗氧化安定性。

(2) 堿值變化趨勢

圖3 堿值變化趨勢

兩種試驗油品的堿值隨使用時間的延長，呈緩慢下降趨勢，這表明油品具有良好的堿保持性和酸中和能力。

(3) 酸值變化趨勢

圖4 酸值變化趨勢

兩種試驗油品的酸值隨著行駛里程的延長，呈現了緩慢增加的趨勢，但增勢緩慢，酸值增值均小于2.0 mgKOH/g，這表明油品具有良好的抗氧化性能、使用性能穩定。

(4) 氧化值、硝化值

圖5 氧化值變化趨勢

圖6 硝化值變化趨勢

由圖5、圖6可見，兩種試驗油品的氧化值、硝化值變化正常，這表明試驗油品的氧化安定性能良好，發動機工作狀況良好、試驗穩定。

(5) 磨損金屬元素

圖7 銅含量

圖8 鐵含量

圖9 鉛含量

由圖7～圖9可見，兩種試驗油品在試驗過程中主要磨損金屬含量的變化隨著行駛里程的增長，雖稍有起伏，但卻保持在一個較低的水平上，表明油品的抗磨性能、潤滑性能良好。

3 結論

(1)通過實驗室研究，選擇性能優異的金屬清凈劑、無灰分散劑和抗氧抗腐抗磨劑等添加劑研制的復合劑，以5.85%的加劑量應用于適宜基礎油中，調合的CF-4 15W-40柴油機油，通過了Mack T-8A、Cat.1K、CRCL-38和Mack T-9臺架試驗，產品質量滿足GB 11122-2006中CF-4 15W-40柴油機油標準的要求，具有優良的性價比。

(2)本研究研制的復合劑調合的CF-4 15W-40柴油機油完成了1.8萬公里行車試驗，油品具有較好的高溫清凈性和堿值保持性，抗氧化、抗硝化、抗腐抗磨損等性能優異，可滿足國Ⅲ及以下排放發動機的重負荷車輛使用要求。