烟炱对柴油机油性能影响及解决方案

安文杰+等

摘要：重负荷柴油发动机技术的不断革新对润滑油的性能提出了越来越高的要求，尤其是烟炱分散性能。文章综述了提高润滑油烟炱分散性能的必要性，介绍了重负荷柴油机油规格中所要求的与烟炱分散性能相关的台架试验方法，阐述了烟炱的产生过程和烟炱对柴油机油性能的影响，分别从无灰分散剂、黏度指数改进剂和抗氧剂等方面提出了解决烟炱引起的油品黏度增长和磨损等问题的方案。

关键词：烟炱；柴油机油；无灰分散剂；黏度指数改进剂；抗氧剂

中图分类号：TE62632文献标识码：

Influence of Soot on the Performance of Diesel Engine Oil and Solution ethod

N Wen-jie， ZHO Zheng-hua， ZHOU Xu-guang， HUNG Qing， GUO Peng， LI Hai-ping

（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute， Lanzhou 730060， China）

bstract：With the technological innovation of heavy duty diesel engine， it requires increasing performance of lubricating oil， especially soot-dispersancy This paper summarizes the necessity of improving the soot dispersancy of lubricating oil， bench test methods associated with soot-dispersancy under the diesel engine oil specifications， describes the soot formation and the effects of soot on the performance of diesel engine oil Besides， a way to solve the problem of the oil viscosity increase and wear caused by soot is proposed from the aspects of ashless dispersant， viscosity index improver and antioxidant respectively

Key words：soot； diesel engine oil； ashless dispersant； viscosity index improver； antioxidant

0引言

[JP2]排放法规的不断苛刻导致发动机设计不断改进以达到新的排放要求，例如废气再循环（EGR）、延迟喷射等，这些技术的采用，使润滑油中的烟炱含量大大增加，烟炱含量的高低和结构状况直接影响到发动机的可靠性和柴油机油的耐久性，大量烟炱的聚集会造成滤网堵塞而影响供油，油品黏度增大而流动性变差，[JP3]同时会使发动机缸套—活塞环部分和进排气阀系部分的磨损加剧，这一系列不利因素的产生，要求发动机油具有更优越的烟炱分散性能和抗磨损性能等。

重负荷柴油机油自PI CF-到CI-，在防止油品黏度增长、缸套抛光、阀系及轴承磨损性能方面得到了显著提高，而这些性能与润滑油的烟炱分散性能是紧密相关的。OE为向发动机提供充分有效地保护，在CF-、CG-和CH-的柴油机台架试验中，允许的烟炱含量分别为20%、38%及8%，在柴油机油标准中增加了ackT-8、ackT-8E和ackT-11来评价由烟炱引起的发动机油黏度增长；增加了ackT-9、ackT-10、Cummins 11及Cummins 11EGR来评价烟炱对发动机造成的磨损，可见，烟炱分散和磨损已成为重负荷柴油机油最关键的性能要求[1-3]。

1烟炱的生成

烟炱是一种混合物，它是柴油发动机在空气不足条件下不完全燃烧或热裂解而产生的不定型炭，初始大小约20～80 nm，在柴油机油中以固体不溶物的形式存在。烟炱的生成与空气温度、空气中氧浓度、燃料种类及其在燃烧过程中与空气的配比情况有关，主要有个阶段的变化：（1） 低分子碳氢化合物通过高温裂解生成不饱和烃； （2）由化学反应形成烟炱微粒核；（3） 烟炱微粒核经过聚合、碳化、表面生长等过程生长为烟炱微粒；（） 烟炱微粒通过凝结、集合形成大块烟炱。对于化学反应形成烟炱颗粒核阶段，主要有多环芳香烃中间体说（polycyclic aromatic hydrocarbons—PHs）、乙炔中间体说（polyynes-PYs）和烃离子说（ionicspecies）等。因烟炱粒子一般具有和石墨相类似的构造，所以芳香烃中间体说得到了较广泛的认同[-6]。

2烟炱对柴油机油性能的影响

烟炱对柴油机油影响主要体现在两个方面：一是引起油品黏度急剧增长；二是对发动机阀系和轴承造成磨损。

[JP2]当烟炱作为单独的小颗粒存在时，一般不会引起黏度明显地增加，但由于烟炱微粒具有很高的表面自由能，在柴油机油中具有强烈自发聚结的热力学倾向，因此，当烟炱团聚形成网状结构大颗粒时其直接的影响是使油品的黏度急剧增加，进而影响供油效率[7]，不同时间下烟炱颗粒的聚集程度如图1所示

[8]等以扫描电镜对烟炱引起的柴油发动机磨损进行了模拟试验，见图2。并得到结论：柴油发动机的磨损主要和基础油、烟炱含量及ZnDTP有关，且磨损会随着烟炱含量的增加而增大，%含量的烟炱对柴油发动机部件表面磨损很大，会影响发动机的正常工作和油品的性能，烟炱颗粒的晶体结构具有很高的硬度，烟炱含量较高将导致摩擦副磨损增大。

3分散烟炱的方法

为提高重负荷柴油机油的烟炱分散性能， 国内外各油品添加剂公司做了大量的研究， 从无灰分散剂、黏度指数改进剂、抗氧剂和添加剂配方组成等各方面研究了解决油品烟炱分散性能的方案。

（1）无灰分散剂

US 018992[9]指出：传统的分散剂如高分子单挂无灰、高分子双挂无灰等在ack T-11台架试验中均不能阻止烟炱和黏度增长，即使添加量增多也效果不明显。而结构如下所示的芳香烃化合物，则可以在ack T-11中提供优异的烟炱分散效果。

无灰分散剂的高分子化和复配也是解决烟炱分散的一种办法。由于烟炱颗粒的比表面积很大，微粒间的吸引力很强，很容易发生团聚，而使用高分子无灰分散剂在烟炱表面的吸附能更有效地阻止烟炱

[LL]

微粒的团聚。高分子化的途经主要有两条：一是使用更高分子量的基团如：聚对苯、聚对苯乙炔、聚噻吩、聚吡咯等来替代传统无灰分散剂中的聚异丁烯基团；二是通过交联反应来提高产品分子量。US 598355[12]中采用两种胺化度分别为18与13的丁二酰亚胺，在ack T-8试验中38%烟炱时油品黏度增加值仅为398 mm2/s（通过值为低于115 mm2/s）；US 7018958[13]采用了23%加量的高分子单丁二酰亚胺硼化物与836%加量的非硼化丁二酰亚胺，得到满足PI CI-规格的油品。

对于解决烟炱分散性能无灰分散剂的研究，是国内外研究热点之一。从总体来看，主要集中在改变无灰分散剂结构，如引入芳香性基团或者添加具有芳香性基团的辅助性添加剂、提高分散剂分子量和对不同分散剂进行复配等。从各公司的重负荷柴油机油技术看， 高性能分散剂的使用仍是解决油品烟炱分散性能的主要途径。

（2）黏度指数改进剂

研究表明：具有分散功能的黏度指数改进剂（DOCP）对油品的烟炱分散性能提高较为有利。Irwin Goldblatt等[1]以特定的DOCP部分替代油品配方中的OCP时，可通过ack T-8台架试验，而不含DOCP的配方则不能通过。朱和菊等[15]在油品中加入DOCP后进行烟炱分散模拟评价，并认为DOCP的加入能够明显提高油品的烟炱分散性能，试验结果见表2。

从表2可以看出，黏度指数改进剂的类型与烟炱分散性能关系较为密切，加入分散型黏度指数改进剂和分散型补强剂的油品，烟炱分散性能有明显改善。

尽管分散型黏度指数改进剂能显著改善油品的烟炱分散性能， 但由于其中有效组分含量少（仅为普遍分散剂的10%左右）， 因而对烟炱分散性能的贡献也只能是辅助性的， 必须与高性能的无灰分散剂共同使用。

（3）抗氧剂

US 0006855[16]认为：对因采用EGR系统后的柴油发动机特别是重负荷柴油发动机产生的烟炱，以及因烟炱引起的润滑油黏度增加的问题，可以通过添加苯二胺化合物来改善，并且不会出现对油品不利的方面。

从图3可见，当烟炱含量在%以下时，两种油样的黏度增长方面基本相似，没有什么区别，但是当烟炱含量大于%时，特别是当烟炱含量大于5%时，“Comp1”没有通过ack T-11试验，而“Inv1”通过了ack T-11试验，有很好的控制润滑油黏度增长的作用。

显然，如果能够以通过改变抗氧剂方式来提高油品烟炱分散性能的方法是简单而经济的。

结论及建议

提高油品烟炱分散性能的主要途径是使用具有烟炱分散性能的无灰分散剂，此外，黏度指数改进剂和抗氧剂等对油品的烟炱分散性能的影响也具有重要作用。

至今为止，国内外对柴油机油中烟炱成分认识还不深刻，未能形成完善的理论及解决方案。因此，这就需要在以后研究中加快对烟炱的认识，在研制具有烟炱分散性能无灰分散剂的同时，不断完善配方技术。

参考文献：

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