摩擦改進(jìn)劑在重負(fù)荷柴油機(jī)油中的應(yīng)用

吉 祥，蔡 璐，吉澤鵬，劉 杰

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

提高重型卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性，一方面，重卡柴油機(jī)的技術(shù)不斷更新，包括柴油機(jī)四氣門、頂置凸輪軸、可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)技術(shù)[2-3]等；另一方面，減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗。柴油機(jī)油最新API規(guī)格FA-4的推出[4-5]，也主要是針對(duì)這兩個(gè)方面的問題，具有節(jié)能性能的柴油機(jī)油也受到生產(chǎn)商、物流公司及車隊(duì)的廣泛關(guān)注。如何提高現(xiàn)有柴油機(jī)油規(guī)格CI-4的燃油經(jīng)濟(jì)性也成為潤(rùn)滑油企業(yè)研究的方向。

中海油氣(泰州)石化有限公司(簡(jiǎn)稱泰州石化)400 kta石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油高壓加氫裝置，以西江石蠟基減壓餾分油為原料，采用“加氫裂化-異構(gòu)脫蠟-加氫補(bǔ)充精制”全氫組合工藝生產(chǎn)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。本研究采用泰州石化生產(chǎn)的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油制備柴油機(jī)油CI-4 15W-40，并使用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)考察重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40中有機(jī)鉬型、有機(jī)高分子聚合物等摩擦改進(jìn)劑的加入對(duì)摩擦磨損性能的影響，并進(jìn)行實(shí)際行車試驗(yàn)評(píng)價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及添加劑

試驗(yàn)原料為泰州石化生產(chǎn)的4種石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油(編號(hào)分別為A，B，C，D)，其基本理化性質(zhì)如表1所示。柴油機(jī)油復(fù)合劑H12200，由美國雅富頓公司生產(chǎn)；黏度指數(shù)改進(jìn)劑7077，由美國路博潤(rùn)公司生產(chǎn)；降凝劑1-248，由贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)；復(fù)合抗泡劑1號(hào)，由上海申浦精細(xì)化工廠生產(chǎn)；有機(jī)鉬摩擦改進(jìn)劑Molyvan 3000，鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%～11.2%，由范德比爾特公司生產(chǎn)；高分子聚合物摩擦改進(jìn)劑Perfad 3057，由英國禾大公司生產(chǎn)。

表1 4種石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的基本理化性質(zhì)

1.2 分析方法

運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定采用美國CANNON公司生產(chǎn)的CAV4.2自動(dòng)運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀。密度測(cè)定采用法國ISL公司生產(chǎn)的VIDA40密度儀。低溫動(dòng)力黏度測(cè)定采用美國CANNON公司生產(chǎn)的CCS-2100LT測(cè)定儀。傾點(diǎn)測(cè)定采用意大利SCAVINI公司生產(chǎn)的CPPP-EVO自動(dòng)傾點(diǎn)測(cè)定儀。閃點(diǎn)測(cè)定采用德國Anton Paar公司生產(chǎn)的CLA5開口閃點(diǎn)測(cè)定儀。堿值測(cè)定采用瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的G10S自動(dòng)堿值電位滴定儀。泡沫性測(cè)定采用大連北方分析儀器有限公司生產(chǎn)的BF-24潤(rùn)滑油抗泡沫測(cè)定儀?？鼓バ阅懿捎脧B門天機(jī)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的MS-10A四球機(jī)。金屬元素測(cè)定采用德國耶拿公司生產(chǎn)的PQ9000油料元素光譜分析儀。

1.3 重負(fù)荷柴油機(jī)油的制備

將潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油攪拌均勻加熱至60～65 ℃，攪拌10 min，然后根據(jù)配方加入相應(yīng)的添加劑后繼續(xù)攪拌30 min，制備重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40。

1.4 四球機(jī)抗磨試驗(yàn)

采用四球機(jī)抗磨試驗(yàn)評(píng)價(jià)重負(fù)荷柴油機(jī)油的抗磨損和極壓性能?？鼓p性能的測(cè)試方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NBSHT 0189—2017，測(cè)試條件為：試驗(yàn)溫度75 ℃，試驗(yàn)載荷392 N，轉(zhuǎn)速1 200 rmin，測(cè)試時(shí)間1 h。極壓性能測(cè)試方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 12583—1998。

1.5 行車試驗(yàn)

行車實(shí)驗(yàn)測(cè)試車輛來自山東壽光的某物流公司。該公司貨物多為橡膠制品，品種較為固定，載貨量為35～40 t，基本保持滿負(fù)荷。車輛路線為山東壽光至上海往返，全程為高速公路。測(cè)試車輛主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)車主要技術(shù)參數(shù)

每次行車試驗(yàn)前熱機(jī)狀態(tài)下放凈廢機(jī)油，使用測(cè)試油品進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)清洗2次，并更換全新原廠空氣濾芯及機(jī)油濾芯，再裝入測(cè)試油品。實(shí)驗(yàn)車輛每行駛10 000 km進(jìn)行采樣分析，采用負(fù)壓取樣器，每次采樣100 mL，并補(bǔ)加相應(yīng)測(cè)試油品。通過檢測(cè)貨車油耗及試驗(yàn)油品的運(yùn)動(dòng)黏度、金屬元素含量、平均油耗的變化來表征摩擦改進(jìn)劑對(duì)實(shí)際行車性能的影響。

由于電氣設(shè)備在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，受到溫度及濕度的影響較大。當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在運(yùn)行當(dāng)中，所產(chǎn)生的熱量將難以散發(fā)出去，這對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備使用的可靠性造成嚴(yán)重影響。因此，在對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的實(shí)際安裝過程當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)人員需要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備散熱功能的考慮，做好相關(guān)的保障措施，促使電氣自動(dòng)化設(shè)備熱量及時(shí)被散發(fā)出去，降低設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫度，充分保證電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40配方及理化性質(zhì)

根據(jù)重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40的黏度、低溫動(dòng)力黏度、高溫剪切黏度和傾點(diǎn)的性能要求，石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油A和B的黏度(100 ℃)和閃點(diǎn)較低，優(yōu)選黏度合適、閃點(diǎn)高、低溫性能佳的石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油C和D用于制備重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40。在調(diào)合后的基礎(chǔ)油中加入適當(dāng)比例的黏度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑、柴油機(jī)油復(fù)合劑，制備得到不同配方的重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。詳細(xì)的配方信息如表3所示。

表3 4種柴油機(jī)油CI-4 15W-40的配方 w,%

由于摩擦改進(jìn)劑的加入量極低，對(duì)重負(fù)荷柴油機(jī)油的理化性能影響很小，所以只列出1號(hào)柴油機(jī)油CI-4 15W-40的理化性質(zhì)，結(jié)果見表4。

表4 1號(hào)柴油機(jī)油CI-4 15W-40的理化性質(zhì)

2.2 潤(rùn)滑性能試驗(yàn)

采用四球試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)4種重負(fù)荷柴油機(jī)油CI-4 15W-40的潤(rùn)滑和極壓抗磨性能，具體結(jié)果見表5和圖1。

表5 4種重負(fù)荷柴油機(jī)油的四球機(jī)摩擦試驗(yàn)結(jié)果

圖1 4種重負(fù)荷柴油機(jī)油的四球機(jī)摩擦試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)■—1號(hào)； ●—2號(hào)； ▲—3號(hào)； 號(hào)

Molyvan 3000為液體硫代氨基甲酸鉬，其減摩作用機(jī)理是通過自身分解生成層間具有弱范德華力的MoS2保護(hù)膜而降低摩擦因數(shù)[6]。由表5和圖1可以看出，單獨(dú)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Molyvan 3000的2號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油試驗(yàn)時(shí)磨斑直徑增大，極壓性能最大無卡咬負(fù)荷PB降低，說明Molyvan 3000對(duì)柴油機(jī)油的摩擦改進(jìn)效果不明顯，反而增大磨損。但是，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，40 min后摩擦因數(shù)顯著下降，這是因?yàn)镸olyvan 3000形成MoS2保護(hù)層需要一定的作用時(shí)間，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，會(huì)有較佳的表現(xiàn)。Perfad 3057是高分子型有機(jī)摩擦改進(jìn)劑，梳狀結(jié)構(gòu)，單獨(dú)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Perfad 3057的3號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油，低溫下即可有效提升抗磨性能，降低四球機(jī)抗磨試驗(yàn)時(shí)的鋼球磨斑直徑，說明在低溫短時(shí)間接觸的情況下，有機(jī)無灰摩擦改進(jìn)劑即可吸附在摩擦表面，降低磨損。

從表5和圖1還可以看出，同時(shí)加入Molyvan 3000和Perfad 3057的4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油的抗磨性能表現(xiàn)最佳，磨斑直徑從0.442 mm下降至0.425 mm，最大無卡咬負(fù)荷PB提升，說明Molyvan 3000和Perfad 3057二者復(fù)配起到了良好的抗磨效果。4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油與2號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油相比，摩擦因數(shù)在25 min后顯著下降，說明引入有機(jī)無灰摩擦改進(jìn)劑可以有效縮短Molyvan 3000形成保護(hù)膜前的時(shí)間。4種重負(fù)荷柴油機(jī)油的燒結(jié)負(fù)荷PD均為1 568 N，說明摩擦改進(jìn)劑在高負(fù)荷下均會(huì)失效，無法增強(qiáng)潤(rùn)滑油的極壓承載上限。對(duì)比4種重負(fù)荷柴油機(jī)油的抗磨、減摩性能，添加劑Molyvan 3000和Perfad 3057在油品中具有一定的協(xié)同性，使兩者的抗磨、減摩性能均更加優(yōu)異。

2.3 行車試驗(yàn)

根據(jù)四球機(jī)摩擦試驗(yàn)的結(jié)果，選擇1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油和4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油進(jìn)行行車試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)車輛分別采用2種重負(fù)荷柴油機(jī)油各進(jìn)行一次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)按車牌號(hào)-1號(hào)，車牌號(hào)-4號(hào)來命名。

2.3.1 運(yùn)動(dòng)黏度黏度是判斷油品是否劣化變質(zhì)的重要指標(biāo)。在油品使用過程中，黏度的變化趨勢(shì)一般是先降低再升高，這是因?yàn)樾掠褪馨l(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的剪切作用，大分子被剪切為小分子，從而導(dǎo)致黏度下降；隨著使用時(shí)間增加，油品在高溫自身氧化以及磨損金屬顆粒的催化氧化和煙炱的共同作用下，黏度緩慢增長(zhǎng)。試驗(yàn)油品的運(yùn)動(dòng)黏度隨行駛里程的變化見圖2。

圖2 試驗(yàn)油品的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)隨行駛里程的變化■—魯GE7213-1號(hào)； ▲—魯GE7213-4號(hào)； ●—魯GP9133-1號(hào)； 魯GP9133-4號(hào)。圖3～圖6同

由圖2可以看出，兩種重負(fù)荷柴油機(jī)油在兩臺(tái)試驗(yàn)車上的表現(xiàn)均較為穩(wěn)定，黏度變化平穩(wěn)，變化率均在國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 7607的指標(biāo)要求±25%范圍內(nèi)，說明是否加入摩擦改進(jìn)劑對(duì)油品的抗剪切和抗氧化能力影響不大。

2.3.2 金屬元素分析通過測(cè)試試驗(yàn)油品中金屬元素含量的變化，可以分析油品的運(yùn)行質(zhì)態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況。一般認(rèn)為，柴油機(jī)油中Cu元素來自軸承、軸瓦、油冷器，Al元素來自活塞裙部，F(xiàn)e元素來自缸套、配氣機(jī)構(gòu)、噴油嘴堅(jiān)固件。試驗(yàn)油品中Cu，Al，F(xiàn)e的元素含量隨行駛里程的變化見圖3～圖5。

圖3 試驗(yàn)油品中Cu含量隨行駛里程的變化

圖4 試驗(yàn)油品中Al含量隨行駛里程的變化

圖5 試驗(yàn)油品中Fe含量隨行駛里程的變化

由圖3可以看出，兩臺(tái)試驗(yàn)車使用2種重負(fù)荷柴油機(jī)油時(shí)Cu元素含量均表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在行駛里程達(dá)到60 000 km時(shí)，Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均在15 μgg以下，遠(yuǎn)低于50 μgg的指標(biāo)上限。這說明摩擦改進(jìn)劑的引入對(duì)軸承、軸瓦磨損情況影響較小。由圖4和圖5可以看出，兩臺(tái)試驗(yàn)車使用的油品中Al、Fe元素含量總體變化相似，均是隨著行駛里程的增加而增加，并且都遠(yuǎn)低于指標(biāo)上限，說明這兩種重負(fù)荷柴油機(jī)油均能提供有效保護(hù)。在試驗(yàn)中期階段行駛里程在20 000～50 000 km時(shí)，兩臺(tái)試驗(yàn)車使用4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油中Al、Fe元素含量增長(zhǎng)趨勢(shì)均低于使用1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油，說明加入摩擦改進(jìn)劑的4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油在活塞和缸套摩擦副上表現(xiàn)的抗磨損性能更佳。

2.3.3 燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)記錄兩輛試驗(yàn)車兩次取樣之間的加油量和行車?yán)锍?，得到每階段的平均油耗，通過比較使用1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油和4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油的平均油耗變化情況，考察其對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 試驗(yàn)車輛的平均油耗變化

由圖6可以看出，兩臺(tái)試驗(yàn)車的平均油耗隨著行駛里程增加，總體呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著油品在發(fā)動(dòng)機(jī)中劣質(zhì)化，潤(rùn)滑性能逐步下降，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副之間的磨損增大。同時(shí)，兩臺(tái)試驗(yàn)車使用2種重負(fù)荷柴油機(jī)油的油耗有一定波動(dòng)，整體來看使用4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油相比使用1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油平均油耗均有一定下降。在行駛里程低于45 000 km時(shí)，試驗(yàn)車使用4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油總體平均油耗相比使用1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油低，此時(shí)摩擦改進(jìn)劑的作用較為明顯。在行駛里程為45 000～60 000 km時(shí)，使用2種重負(fù)荷柴油機(jī)油平均油耗相似。這是因?yàn)殡S著行駛里程的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)油中煙炱、金屬磨粒含量上升，有機(jī)鉬摩擦改進(jìn)劑與油品氧化產(chǎn)生的過氧化物發(fā)生反應(yīng)[7]，導(dǎo)致有效鉬含量逐漸下降，摩擦阻力增大，燃料消耗加快。

由于魯GP9133試驗(yàn)車采用1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油在行駛里程為5 000 km時(shí)的平均油耗有異常，因此計(jì)算全里程平均油耗時(shí)采用行駛里程為5 000～60 000 km，兩輛試驗(yàn)車使用兩種重負(fù)荷柴油機(jī)油的全里程平均油耗比較見表6。

表6 試驗(yàn)車輛的全里程平均油耗 L(100 km)

表6 試驗(yàn)車輛的全里程平均油耗 L(100 km)

車輛數(shù) 據(jù)魯GE7213-1號(hào)34.82魯GE7213-4號(hào)34.24魯GP9133-1號(hào)37.01魯GP9133-4號(hào)36.62

由表6可以看出，整個(gè)行駛里程周期里，魯GE7213和魯GP9133平均油耗下降幅度為1%～2%，兩種摩擦改進(jìn)劑的引入確實(shí)可以在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，提供更好的潤(rùn)滑作用，從而降低燃油消耗。

3 結(jié) 論

(1)有機(jī)鉬摩擦改進(jìn)劑應(yīng)用于潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油中，低溫下需要一定的時(shí)間才能發(fā)揮作用，2號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油四球機(jī)試驗(yàn)40 min后，摩擦因數(shù)明顯降低，從0.11降低至0.07；高分子聚合物摩擦改進(jìn)劑在在潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油中低溫下表現(xiàn)出抗磨、減摩性能，特別是對(duì)于極壓抗磨性能提升較為明顯，3號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油相比1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油最大無卡咬負(fù)荷PB提升。

(2)添加劑Molyvan 3000和Perfad 3057在油品中會(huì)表現(xiàn)出協(xié)同性，與未添加兩種摩擦改進(jìn)劑的1號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油相比，4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油進(jìn)行四球機(jī)試驗(yàn)時(shí)的磨斑直徑從0.442 mm下降至0.425 mm，極壓性能最大無卡咬負(fù)荷PB提升，說明兩種摩擦改進(jìn)劑復(fù)配起到了良好的抗磨效果。

(3)引入兩種摩擦改進(jìn)劑的4號(hào)重負(fù)荷柴油機(jī)油行車試驗(yàn)時(shí)，油品中的Al、Fe元素增長(zhǎng)較為緩慢，油品在活塞和缸套摩擦副上抗磨表現(xiàn)較佳，同時(shí)在行車試驗(yàn)中表現(xiàn)出一定的節(jié)油性能，試驗(yàn)車平均油耗下降1%～2%。