生物柴油對發(fā)動機油抗氧化性能的影響

李小剛，雷愛蓮，蘇 輝，張遂心，張大華

(1.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心，蘭州 730070；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室；3.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心)

發(fā)動機工作時，燃料油混入發(fā)動機潤滑油(簡稱發(fā)動機油)是一種普遍現(xiàn)象。據(jù)文獻[1-2]報道，廢航空潤滑油中平均含有2%～3%的航空燃料，廢車用潤滑油中平均含有10%～15%的車用汽油，拖拉機潤滑油中平均含有30%以上的柴油。因此，對于各種發(fā)動機油，需要考慮燃料油對其性能的影響。

生物柴油原料來源廣泛、可再生、環(huán)境友好、發(fā)動機啟動性能好、燃燒性能好，是一種典型的“綠色能源”[3-4]。近年來，生物柴油用作發(fā)動機燃料的比例不斷增大，因此有必要考察生物柴油對發(fā)動機油性能的影響。生物柴油的主要成分是混合脂肪酸甲酯，其燃燒特性與礦物柴油相似；但是脂肪酸甲酯分子中含有大量的不飽和鍵，高溫時易發(fā)生熱氧化，進而會誘導發(fā)動機油變質，導致發(fā)動機油膠質增多、腐蝕性增大、清凈分散性變差，甚至引起系統(tǒng)結焦、過濾器和噴油嘴堵塞等問題[5-6]。

王學春等[7]采用內燃機油熱氧化模擬試驗(SH/T 0299—1992)方法和四球試驗(GB 3142—1982)方法分別評價了含不同含量脂肪酸甲酯的柴油機油的摩擦學特性，結果表明：高溫氧化后，含脂肪酸甲酯的內燃機油的摩擦學特性明顯降低，且含不飽和脂肪酸甲酯的內燃機油的摩擦學特性下降更為顯著。吳江等[8]考察了添加生物柴油/礦物柴油的柴油機油的氧化性能，結果發(fā)現(xiàn)：高溫氧化后，添加生物柴油的柴油機油黏度和酸值增長幅度較大，說明生物柴油對柴油機油氧化衰變的加速作用比礦物柴油更明顯。吳江等[9]在柴油機油中添加不同原料(地溝油、大豆油、棕櫚油)制備的生物柴油后，采用《柴油機油清凈性測定法(熱管氧化法)》(SH/T 0645—1997)考察了其高溫清凈性的變化，發(fā)現(xiàn)不同原料制備的生物柴油對柴油機油高溫清凈性的影響不同。綜上可知，目前國內主要采用SH/T 0299—1992和SH/T 0645—1997試驗考察生物柴油對發(fā)動機油的影響。

歐洲評價生物柴油對發(fā)動機油性能影響的試驗方法主要為CEC L-109標準方法，該方法已于2016年列入歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)規(guī)格(A3/B3，A3/B4，A5/B5，C1～C5，E4～E9)的質量控制指標中[10]。因此，國內潤滑油行業(yè)要開發(fā)符合ACEA規(guī)格要求的油品必須通過CEC L-109方法測試，而CEC L-109標準測試方法的核心試劑為B100生物柴油(其生產原料由質量分數(shù)80%的菜籽油和20%的大豆油組成)，B100在國內很難買到，因而限制了國內相關產品的開發(fā)。基于此，本研究依照CEC L-109標準試驗方法，自主研制與B100苛刻度一致的生物柴油配方，以實現(xiàn)在國內建立與CEC L-109標準一致的試驗方法，進而用該方法考察棕櫚油生物柴油、地溝油生物柴油、自制生物柴油對滿足ACEA規(guī)格和API規(guī)格的發(fā)動機油抗氧化性能的影響。

1 實 驗

1.1 儀器和原料

3種發(fā)動機油C5，SN，CK4，分別符合ACEA C5 0W-20規(guī)格、API SN 5W-30規(guī)格、API CK4 15W-40規(guī)格要求；2種參比油RL257和RL258，其中RL257抗氧化性能較差，RL258抗氧化性能較好。自主設計生物柴油樣品1、樣品2、樣品3，均按照CEC L-109方法的要求，由棕櫚酸甲酯、芥酸甲酯、亞油酸甲酯、油酸甲酯等按一定比例調配而成，與歐洲B100生物柴油苛刻度一致，其配方組成見表1。

表1 自主設計的生物柴油配方組成 g

棕櫚油生物柴油和地溝油生物柴油均由馬歇爾(廈門)貿易有限公司提供，其中棕櫚油生物柴油是馬歇爾(廈門)貿易有限公司從印度尼西亞引進，其脂肪酸甲酯含量如表2所示。由表2可知，3種生物柴油中不飽和脂肪酸甲酯含量從高到低的順序依次為自制生物柴油>地溝油生物柴油>棕櫚油生物柴油。

表2 3種生物柴油中脂肪酸甲酯的組成分布 w，%

1.2 抗氧化試驗

參考標準方法CEC L-109考察含生物柴油的發(fā)動機油抗氧化性能。試驗方法：稱取生物柴油質量分數(shù)為7%的試驗油267.5 g，加入10 mL催化劑(乙酰丙酮鐵溶液)，然后在150 ℃下通入10 L/h的空氣進行氧化試驗，氧化時間216 h。在試驗進行到168 h和216 h時分別采樣20 mL，分析其100 ℃運動黏度和氧化值，通過黏度變化和氧化值增長來評價油品的抗氧化性能。油品的氧化值通過測定發(fā)動機油組分分子中特定基團在紅外光譜波數(shù)1 710 cm-1處特征峰的相對衰減來反映油品的氧化程度，氧化值的測定按照標準方法Q/SY RH4063—2020進行。CEC L-109標準方法中測試結果的再現(xiàn)性(R)按照表3進行計算。

表3 CEC L-109的再現(xiàn)性計算式

2 結果與討論

2.1 自主設計的生物柴油

生物柴油一般主要由5～7種脂肪酸甲酯組成，主要包括棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯等[11-13]。為獲得CEC L-109標準生物柴油B100試劑，自主設計了3種生物柴油調合配方，并分別將其按質量分數(shù)7%加入到兩種參比油RL257、RL258中，進行氧化試驗驗證，考察自主設計的生物柴油配方的合理性，結果如表4所示。表4中給出了在RL257和RL258中加入相應含量B100生物柴油時的CEC L-109試驗結果，若自制生物柴油與B100的試驗結果一致，則說明自主設計的生物柴油是符合CEC L-109標準要求的。

表4 自主設計的生物柴油配方考察結果

從表4可以看到：自主設計的生物柴油配方1、配方2、配方3加入?yún)⒈扔蚏L257的試驗結果均較差，油品在氧化168 h和216 h后的氧化值和黏度增長均較大；而加入?yún)⒈扔蚏L258的試驗結果較好，油品在氧化168 h和216 h后的氧化值和黏度增長均較??；自主設計的生物柴油配方2對兩種參比油的試驗結果均與B100生物柴油的測試結果一致(均在其測試結果控制范圍內)，說明自主設計的生物柴油配方2滿足CEC L-109標準方法對試驗生物柴油質量的要求。結合表4與配方1～配方3的組成可知，隨著自制生物柴油配方中兩種不飽和脂肪酸甲酯(亞油酸甲酯和油酸甲酯)含量的增加，兩種參比油在168 h和216 h的相對黏度增長、絕對黏度增長及氧化值均越來越大，說明生物柴油中不飽和酸甲酯的含量是影響參比油抗氧化性能的主要因素；此外，與配方2比較，配方3生物柴油中亞油酸甲酯占比的增加導致參比油的氧化值和黏度增長均較大，主要原因是亞油酸甲酯分子鏈中含有多個不飽和雙鍵，在高溫條件下氧化生成的初級氧化產物羧酸極不穩(wěn)定，會進一步分解生成小分子醛類化合物及甲酸等有機酸類[7]。而醛類化合物會進一步與有機酸相互作用形成脂肪酸，脂肪酸之間相互氧化耦合導致油品中生成高分子聚合物，導致油品黏度和氧化值均顯著增大。

采用配方2和B100生物柴油分別與參比油RL257、RL258進行試驗，考察試驗結果的再現(xiàn)性，結果如表5所示。從表5可以看到：兩個試驗的結果滿足標準再現(xiàn)性的要求，說明自制配方2生物柴油與B100生物柴油的苛刻度是一致的。

表5 配方2與B100生物柴油用于RL257和RL258的再現(xiàn)性試驗結果

2.2 不同生物柴油與發(fā)動機油適應性的考察

不同原料生產的生物柴油脂肪酸甲酯的類別和含量不盡相同。因此，選取棕櫚油生物柴油、地溝油生物柴油和自主設計的生物柴油分別考察其對不同規(guī)格發(fā)動機油C5，SN，CK4抗氧化性能的影響。

2.2.1不含生物柴油發(fā)動機油的抗氧化性能

按照CEC L-109方法的試驗條件，對3種不含生物柴油的發(fā)動機油C5，SN，CK4進行抗氧化性能試驗，結果見表6。

表6 不含生物柴油的發(fā)動機油的抗氧化性能

由表6可知：在3種不含生物柴油的發(fā)動機油中，C5的黏度增長和氧化值變化均較小；SN的黏度增長與C5接近但氧化值相對較大；而CK4的黏度增長和氧化值均相對較大。這主要與發(fā)動機油的基礎油和添加劑體系組成有關：C5和SN的基礎油均為PAO，C5的復合劑加量(w，下同)一般超過12%，且其中抗氧劑、分散劑含量相對較多，因而油品的黏度增長及氧化值均最小；SN的復合劑加量一般為7%～8%，且其中抗氧劑、分散劑含量相對C5的復合劑較少，致使其氧化時黏度增長及氧化值較C5油品大；CK4的復合劑加量在10%以上，但是其抗氧劑的含量較低，且其基礎油組成中含有一定量的Ⅰ類基礎油，這導致其氧化后的黏度增長和氧化值變化比其他兩種油品大。

從表6還可以看出，實際上3種油品的絕對黏度增長均較小，這可能是因為該試驗中需要在試驗油中加入10 mL催化劑(乙酰丙酮鐵溶液)，其黏度很小，對油品有較大稀釋作用，從而導致油品自身黏度顯著下降且氧化后黏度變化幅度較小。

2.2.2生物柴油對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能的影響

將棕櫚油生物柴油、地溝油生物柴油、自制生物柴油分別按質量分數(shù)7%加入到C5,SN,CK4中，考察不同生物柴油對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能的影響，結果如表7所示。

表7 不同生物柴油與不同規(guī)格的發(fā)動機油試驗結果

從表7可以看到：氧化試驗后，添加棕櫚油生物柴油的發(fā)動機油的黏度增長和氧化值均最小，說明棕櫚油生物柴油對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能的影響最小，這主要是因為棕櫚油生物柴油的主要成分為棕櫚酸甲酯，棕櫚酸是飽和脂肪酸，不易氧化，因而對發(fā)動機的性能影響較??；添加自主設計的生物柴油的發(fā)動機油的黏度增長和氧化值均最大，說明自主設計的生物柴油對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能的影響最大，這主要是因為自主設計的生物柴油的主要成分為不飽和脂肪酸甲酯，且其含量是3種生物柴油中最高的，不飽和脂肪酸易氧化斷鏈生成極不穩(wěn)定的羧酸，然后進一步分解生成小分子醛類化合物及甲酸等物質，加速油品的氧化，使油品氧化衰敗，進而聚合為高分子物質，影響油品的黏度和氧化值；添加地溝油生物柴油對3種發(fā)動機油抗氧化性能的影響介于棕櫚油生物柴油和自主設計的生物柴油之間。因此，3種生物柴油對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能影響由大到小的順序為自主設計的生物柴油>地溝油生物柴油>棕櫚油生物柴油；不同原料制備的生物柴油影響發(fā)動機油抗氧化性能的主要因素是其不飽和脂肪酸甲酯的含量。

此外，3種生物柴油對3種發(fā)動機油抗氧化性能的影響由大到小的順序均為CK4>SN>C5，主要是由于C5油品的復合劑加量(包括抗氧劑、分散劑)大于SN油品，在基礎油相同的情況下前者氧化后的黏度增長和氧化值均小于后者；CK4油品的復合劑加量雖大于SN油品，但因其基礎油組成中含有一定量的抗氧化性能較差的API Ⅰ類基礎油，從而導致其氧化后的黏度增長和氧化值變化明顯比其他兩種油品大。

3 結論與建議

(1)參考CEC L-109標準方法，自主開發(fā)了與其B100苛刻度一致的生物柴油，促進了CEC L-109標準方法在國內的應用，可以為國內ACEA規(guī)格發(fā)動機油的開發(fā)提供技術支持。

(2)發(fā)動機油中混入生物柴油，對其抗氧化性能影響較大，主要表現(xiàn)在油品黏度增長和氧化值變化幅度上；對不同規(guī)格發(fā)動機油抗氧化性能影響由大到小的順序為自制生物柴油>地溝油生物柴油>棕櫚油生物柴油；不同原料制備的生物柴油影響發(fā)動機油抗氧化性能的主要因素是其不飽和脂肪酸(亞油酸甲酯和油酸甲酯)甲酯的含量，生物柴油中不飽和脂肪酸甲酯含量越高，對發(fā)動機油抗氧化性能影響越大。

(3)不同原料制備的生物柴油對發(fā)動機油抗氧化性能的影響規(guī)律相似，主要由生物柴油中的不飽和脂肪酸的含量決定，但也在一定程度上受到發(fā)動機油基礎油性能和添加劑(抗氧劑、分散劑等)加量的影響；3種生物柴油對CK4抗氧化性能的影響均大于其對C5和SN的影響，主要是因為CK4油品的基礎油組成中含有一定量的抗氧化性能較差的API Ⅰ類基礎油。