超低剂量CF-4柴油机油的研制及其应用

王欣，杨雪，赵正华，金鹏，段况华，郭鹏

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060；2.中国石油克拉玛依润滑油厂，新疆 克拉玛依 834003)

0 引言

纵观全球，内燃机油一次次的更新换代都有着排放法规和发动机结构的改变在背后不断驱使着。而我国汽车工业的发展和社会经济的状况，与发达国家相比差距较大，将长时期保持高档油和中、低档油并存的局面。据资料统计，2018年API CF-4及更低的油品占总市场约35%，根据相关预测，2020年CF-4油品仍会维持12%的市场份额。中国车用柴油机油需求结构见表1。

表1 中国车用柴油机油需求结构 %

表1(续) %

即使柴油机油从API CF-4向更高性能的API CH-4、CI-4转变，但是配方的经济性、灵活性能够为润滑油品公司带来极大的市场竞争力。所以在抓住下一个风口API CH-4的过程中，必须兼顾如今的API CF-4市场，确保最大程度地保持以及掠获更大的市场。

1 研究与测试

1.1 原材料选择

基础油是添加剂的载体，是润滑油的重要组成部分，本研究中首先对基础油进行了考察。在基础油的选择上充分考虑了油品的性能要求和基础油资源的高效合理利用。用加氢工艺生产润滑油基础油是目前世界上生产高档润滑油基础油的趋势，其目的在于通过加氢工艺除去基础油中的不理想组分，以提高润滑油基础油的氧化安定性和黏度指数。另外，加氢基础油具有优良的烟炱分散能力[1]，不同基础油对油品烟炱分散性能的影响见图1。为了保证油品对低温性能、抗氧化、烟炱分散等性能的要求，按照基础油立足国内的原则，本研究在调合CF-4 15W-40柴油机油时，基础油选用Ⅱ类加氢基础油。

图1 不同基础油对油品烟炱分散性能的影响

在特定的基础油中控制烟炱的聚集，主要通过分散剂的合理使用来实现。目前常用的无灰分散剂有丁二酰亚胺、酯类、硼化等无灰分散剂，国外文献报道了一些其他类型的无灰分散剂(如接入酚型抗氧基团等分散剂)，但目前市场上还没有出现该类产品，国外添加剂公司一般不对外出售，只在自己的配方中使用[2]。因此，利用传统无灰分散剂解决现代柴油机油中的烟炱分散性能，对配方研究者来说是一个非常大的难题，需要综合各种对烟炱分散性能的影响因素。各种无灰分散剂性能对比见表2[3]。CF-4柴油机油需要通过Mack T-8A和Mack T-9台架试验，Mack T-8A台架试验主要用于评定因烟炱引起的油品黏度的增长，要求试验运行100～150 h之间，100 ℃运动黏度平均黏度增长不大于0.2 mm2·s-1·h-1。Mack T-9台架试验用于评价在一定烟炱含量下，油品对发动机活塞环和气缸套磨损能力的影响[4]。两个台架试验都与烟炱有关，因此无灰分散剂的选择需从对两个台架影响的角度考虑。又考虑到成本等综合因素，该课题选用高分子丁二酰亚胺类分散剂。

表2 各种无灰分散剂性能对比

金属清净剂是各种内燃机油的重要添加剂，目前内燃机油中常用的金属清净剂主要包括磺酸盐、硫化烷基酚盐、烷基水杨酸盐、环烷酸盐以及其他羧酸盐，前三种金属清净剂仍然是使用较为广泛的金属清净剂。烷基水杨酸盐是在烷基酚上引入羧基，并将金属由羟基位置转到羧基位置。这种转变使得其分子极性强，高温清净性大为提高。近年来，兰州润滑油研究开发中心研究发现，由于烷基水杨酸盐分子极性强，高温清净性好，尤其是对于现代负荷重、活塞温度高的大型柴油机用油所要求的顶环槽充炭和顶环台重炭具有极好的清净作用，磺酸盐清净剂是很难达到这一效果的。同时由于该剂具有良好的高温清净性、酸中和能力、较好的热稳定性以及一定的低温分散能力和抗氧抗腐蚀性能，它的使用对于保证发动机内部清净、减少积炭、延长发动机寿命起到重要作用，因而被广泛应用于高档内燃机润滑油领域[5]。因此，本研究选择以烷基水杨酸盐清净剂为主剂，并复配部分硫化烷基酚盐，提高油品的抗氧化、抗腐蚀性能。该体系一方面使研制的油品具有优良的高温清净性，另外一方面充分发挥中国石油兰州润滑油研发中心在利用烷基水杨酸盐进行配方研发方面的优势，使研制的产品具有自己独特的技术特色。

长期以来对ZDDP系列在加氢基础油中的适应性研究发现：双辛基二硫代磷酸锌对加氢基础油感受性较好，同时因其具有比其他ZDDP更好的热稳定性，已广泛应用于柴油机油中；而异丙基异辛基二硫代磷酸锌具有比其他ZDDP更强的抗磨性能，George[6]等考察了柴油机油中不同含量的二烷基二硫代磷酸锌对烟炱磨损的影响，发现在相同烟炱含量下，二烷基二硫代磷酸锌含量较高时，柴油机油的烟炱磨损较小。因此本研究的抗氧抗腐抗磨剂考虑选用二者复配的方案。各种ZDDP性能对比见表3。

表3 各种ZDDP性能对比

1.2 复配规律研究

在选定添加剂种类及加量的基础上，对清净剂、无灰分散剂以及抗氧抗腐抗磨剂之间的复配规律进行7个方案的考察。主要模拟测试方法见表4，调整后的配方组成及实验室模拟评定结果见表5。

表4 主要模拟测试方法

表5 不同添加剂复配规律研究

根据成焦板、热管，磨斑直径等模拟数据，选定5号方案为台架方案，并将其与国外某复合剂调制的CF-4 15W-40柴油机油进行对比评价，具体结果见表6。

表6 与国外某复合剂调制油品对比分析

表6(续)

由表6可见，5号方案调制的CF-4 15W-40油品与国外某复合剂调制的CF-4 15W-40柴油机油相比，模拟性能相当，且具有较高的碱值。选定的5号方案通过了Mack T-8A、 Cat.1K和CRCL-38台架试验。但未通过Mack T-9台架试验。试验结果见表7。

表7 Mack T-8A、 Cat.1K和CRCL-38台架试验结果

由表7中试验结果看出，该油品在进行Mack T-9试验后，顶环失重严重，一方面可能是油品的抗磨损性能不够，另一方面是油品的烟炱分散能力不够，造成油品在使用中烟炱大量聚集形成的过度磨损。因此，在5号方案的基础上，依据配方变动原则：可对单剂加量适当增加，当复合剂中某一单剂在成品油中的加量大于1%，且复合剂及单剂加量增加不超过15%时，不需要再次进行台架试验。实验室在5号方案的基础上对分散剂与抗磨剂的加量进行了适当提高，并进行4个复配方案的考察，重新确定Mack T-9台架试验方案，调整后的配方组成及实验室模拟评定结果见表8。

表8 不同添加剂复配规律研究

根据表8中模拟评定试验，磨斑直径(四球法)和SRV摩擦磨损试验均为考察润滑油抗磨损性能的模拟评定方法，从试验结果可见，11号方案调合的油品磨斑直径和缸套、活塞环的失重均有较大幅度下降；烟炱分散试验是在试验样品中添加8%烟炱模拟物(炭黑)通过黏度增长考察油品对烟炱的分散能力，由试验结果可见，11号方案调合的油品黏度增长率最低。可见在改变了分散剂剂量之后，11号方案整体配方体系中各功能添加剂发挥了很好的协同作用，使烟炱均匀分散在油中，减少了磨粒磨损以及烟炱对抗磨剂表面吸附的影响，使分散剂和抗磨剂均发挥了最大作用。因此确定11号方案为第二次Mack T-9台架试验方案，油品顺利通过了台架试验标准要求，试验结果见表9。

表9 第二次Mack T-9台架试验结果

2 行车试验

2.1 试验方案确认

为了进一步考核研制复合剂调合CF-4 15W-40柴油机油的实际使用性能，在国内某OEM主流车型的三辆重型卡车上(1、2、3号车)进行1.8万公里行车试验，同时在三辆车上(4、5、6号车)以国外某品牌CF-4 15W-40柴油机油作为竞品，进行性能对比。试验油新油理化分析数据见表10。

表10 试验油新油理化数据分析

2.2 油液监测

根据行使里程，分别取样，并对油品进行分析检测，检测项目包括常规理化指标、红外光谱和磨损金属元素三个方面。指标变化趋势如图2～图9所示。

(1)100 ℃运动黏度

图2 100 ℃运动黏度

整个试验过程中，两种试验油品100 ℃运动黏度变化趋势平缓，这说明试验油品具有良好的抗剪切稳定性和黏度保持能力，使得油品在使用之初，油品的黏度没有较大的下降；完成行车试验后，没有因为油品的氧化而造成油品黏度有较大的增长，表明两种油品具有优异的抗氧化安定性。

(2) 碱值变化趋势

图3 碱值变化趋势

两种试验油品的碱值随使用时间的延长，呈缓慢下降趋势，这表明油品具有良好的碱保持性和酸中和能力。

(3) 酸值变化趋势

图4 酸值变化趋势

两种试验油品的酸值随着行驶里程的延长，呈现了缓慢增加的趋势，但增势缓慢，酸值增值均小于2.0 mgKOH/g，这表明油品具有良好的抗氧化性能、使用性能稳定。

(4) 氧化值、硝化值

图5 氧化值变化趋势

图6 硝化值变化趋势

由图5、图6可见，两种试验油品的氧化值、硝化值变化正常，这表明试验油品的氧化安定性能良好，发动机工作状况良好、试验稳定。

(5) 磨损金属元素

图7 铜含量

图8 铁含量

图9 铅含量

由图7～图9可见，两种试验油品在试验过程中主要磨损金属含量的变化随着行驶里程的增长，虽稍有起伏，但却保持在一个较低的水平上，表明油品的抗磨性能、润滑性能良好。

3 结论

(1)通过实验室研究，选择性能优异的金属清净剂、无灰分散剂和抗氧抗腐抗磨剂等添加剂研制的复合剂，以5.85%的加剂量应用于适宜基础油中，调合的CF-4 15W-40柴油机油，通过了Mack T-8A、Cat.1K、CRCL-38和Mack T-9台架试验，产品质量满足GB 11122-2006中CF-4 15W-40柴油机油标准的要求，具有优良的性价比。

(2)本研究研制的复合剂调合的CF-4 15W-40柴油机油完成了1.8万公里行车试验，油品具有较好的高温清净性和碱值保持性，抗氧化、抗硝化、抗腐抗磨损等性能优异，可满足国Ⅲ及以下排放发动机的重负荷车辆使用要求。