Mack T－11发动机试验后油品的分析

张 倩，孙文斌

（中国石化石油化工科学研究院，北京100083）

Mack T－11发动机试验后油品的分析

张 倩，孙文斌

（中国石化石油化工科学研究院，北京100083）

对两种柴油机油在Mack T－11发动机试验后的油样进行分析。结果表明：在Mack T－11发动机试验中，随着烟炱含量的增加，烟炱颗粒的粒径逐渐增大；分散性能较差的油品，烟炱颗粒不断聚集，粒径明显变大，导致油品黏度大幅增加，同时磨粒磨损加剧；对于带EGR系统的Mack T－11发动机试验，油品需具备足够的碱值，以中和EGR系统带来的酸性气体。

Mack T－11发动机试验 烟炱 分散性能 磨损 碱值

为了满足日益严格的排放法规要求，进一步降低NOx的排放，柴油发动机制造商多采用尾气再循环（EGR）装置。EGR装置通过将冷却后的发动机废气再次送向燃烧室进行二次燃烧来达到降低NOx的排放要求，但是EGR系统的副产物之一烟炱会经燃烧室进入柴油机油，使柴油机油中烟炱含量大幅增加，烟炱含量的增加会加速油品的黏度增长、增加发动机的磨损，造成发动机滤网堵塞等问题，因此，EGR技术的引入，对柴油机油的烟炱分散能力有了更高的要求［1－4］。

Mack T－11发动机试验是CJ－4柴油机油规格中用于评估油品烟炱分散能力的发动机试验，2015年美国西南研究院测定样品通过率仅为33%。Mack T－11发动机采用EGR系统和低漩涡燃烧技术，这两项技术都会增加烟炱的生成，试验中产生的最高烟炱含量达到了7.0%左右，对油品的烟炱分散能力要求非常高［5－7］。

本研究通过对比两种油品Mack T－11发动机试验后油样中烟炱、碱值、Fe含量及油质分析结果，以期为油品通过Mack T－11发动机试验及高档柴油机油的研发提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所用的两种油品均为CJ－4 15W－40柴油机油，其中油1未通过Mack T－11发动机试验，油2通过了Mack T－11发动机试验。其基本理化指标见表1。

表1 Mack T－11发动机试验油品的主要理化指标

1.2 实验方法

发动机台架试验及油品分析方法如表2所示。烟炱粒径分析方法：通过纳米粒度及Zeta电位分析仪对含烟炱油品进行烟炱粒径大小的分析。磨损试验：通过高频往复摩擦试验机（HFRR）对油品的抗磨性能进行评价，试验温度110℃，试验时间1h，载荷300g，频率20Hz。

表2 发动机台架试验及油品分析方法

2 结果与讨论

2.1 Mack T－11发动机试验油品的分散性能分析

将油1和油2分别进行Mack T－11发动机试验，测定油品中烟炱含量及黏度增加值。其中油1试验168h后，黏度增长值达到205.1mm2/s，影响发动机的正常运行，试验终止。油1和油2的黏度增长随试验时间的变化见图1。两个油品的Mack T－11发动机试验结果见表3。从图1和表3可以看出：随发动机试验的进行，油1的黏度增加值呈指数型增长，最终未能通过Mack T－11发动机试验；油2的黏度增长比较缓慢，通过Mack T－11发动机试验。

图1 Mack T－11试验油样的黏度增加值

表3 Mack T－11发动机试验结果

油品的黏度增长主要由两个原因导致：一是油品的氧化，产生一些大分子的含氧物质，造成油品的黏度增加；二是油品的烟炱分散性能差，烟炱聚集造成的黏度增加。为了探究氧化对两种油品黏度增长的影响，对油1和油2经不同试验时间的油样进行了油质分析，用氧化值来表征油品的氧化程度。图2为油1和油2的氧化值随试验时间的变化。从图2可以看出：随发动机试验的进行，油1和油2的氧化值相差不大，表明在Mack T－11发动机试验中，油品氧化不是黏度增长的主要因素，影响油品黏度增长的主要因素为油品的分散性能。

为了更好地分析油品中烟炱的存在状态，通过纳米粒度及Zeta电位分析仪对含烟炱油品进行烟炱粒径的分析，结果见图3。从图3可以看出：随烟炱含量的增加，油品中烟炱不断聚集，烟炱的粒径也逐渐增大；对比油1和油2，分散性能好的油2烟炱粒径随烟炱含量的增加增长比较缓慢，而分散性能差的油1烟炱粒径增长较快；在相同的烟炱含量情况下，油1的烟炱粒径明显大于油2的烟炱粒径。

图2 Mack T－11试验油样的氧化值

图3 Mack T－11试验油样烟炱粒径与含量关系

油品添加剂中对烟炱起分散作用的主要是聚异丁烯丁二酰亚胺型无灰分散剂，分散剂分子的极性端吸附在烟炱表面并将其包围起来，油溶性基团伸向油中，如此可将烟炱微粒隔离开来，通过空间屏障作用和静电斥力作用，来防止烟炱聚集。不同分散剂对油品的烟炱分散能力不同，如果分散剂不能有效作用就会导致烟炱颗粒聚集，从而引起黏度增长。结合上述黏度、烟炱粒径与黏度增长相关性的分析，表明分散性能好的油品可以有效分散油品中的烟炱，防止其聚集形成粒径更大的烟炱，从而很好地控制油品的黏度增长；对于分散性能差的油品，当烟炱含量较高时，油品不能有效分散产生的烟炱，小粒径的烟炱颗粒不断聚集，形成粒径更大的烟炱，从而造成油品黏度的大幅增加，不能通过Mack T－11发动机试验。

2.2 Mack T－11发动机试验油品的碱值分析

CH－4、CI－4柴油机油规格中采用Mack T－8发动机试验评定油品的烟炱分散性能，其用于测试的E7发动机没有EGR系统，而CJ－4和CK－4柴油机油规格中的Mack T－11试验所用发动机采用了EGR系统，用于评估带EGR系统发动机中油品对烟炱的分散性能。

EGR系统通过将含有H2SO3，H2SO4，HNO3等酸性物质的废气返回燃烧室，通过窜气等方式造成柴油机油中酸性物质增多，进而造成机油碱值的快速消耗。图4为油1、油2、Mack T－11台架标油和Mack T－8台架通过油的碱值。从图4可以看出：在Mack T－11发动机试验中，随时间的延长，油1、油2及Mack T－11台架标油的碱值不断减小，252h试验结束时，油2及Mack T－11台架通过标油的碱值均降为0；对比Mack T－8发动机试验，可以看出油品在Mack T－8发动机试验中碱值下降缓慢，300h试验结束时，油品的碱值仍然有5mgKOH/g。因此对于含EGR系统的Mack T－11发动机试验，调配油品必须具有足够的碱值来应对EGR系统带来的酸性物质。

图4 不同发动机试验油品的碱值变化

2.3 Mack T－11发动机试验油品的抗磨性能分析

Mack T－11发动机采用EGR系统和低漩涡燃烧技术，这两项技术都会增加烟炱的生成，可能造成由烟炱带来的磨粒磨损［8］。为了分析Mack T－11发动机试验中油品的抗磨性能，对Mack T－11试验油品进行了Fe含量分析和HFRR磨损试验评价。Fe含量分析结果见图5。从图5可以看出：在Mack T－11发动机试验中，随着试验的进行，发动机各摩擦副产生磨损，油品中的Fe含量逐渐增加；对比油1和油2中Fe含量的变化，油1在试验后期，Fe含量增加较多，说明使用分散性能差的油1在试验后期使发动机的磨损加剧。

图5 Mack T－11试验油品的Fe含量

为了更清楚地了解烟炱对发动机磨损的影响，对Mack T－11试验油品进行HFRR磨损试验，图6和图7分别为油1和油2在HFRR试验中成膜率和钢球磨斑直径的变化。从图6和图7可以看出，随着试验的进行，两个油品的成膜率均逐渐减小，钢球磨斑直径逐渐增大。其原因为：一是抗磨剂在Mack T－11发动机试验中逐渐消耗；二是烟炱含量增加，与抗磨剂之间存在竞争吸附，使抗磨剂不能在金属表面有效作用；三是烟炱不断聚集，粒径逐渐增大，造成油品的磨粒磨损。

图6 油1及油2在HFRR试验中的成膜率

图7 油1及油2在HFRR试验中的磨斑直径

对比油1和油2，两种新油的成膜率和试验钢球磨斑直径相近，随着Mack T－11发动机试验的进行，油1的成膜率明显低于油2，油1作用下的钢球磨斑直径明显大于油2，抗磨性能明显比油2差。结合前述烟炱粒径分析结果，油1的烟炱粒径明显大于油2的烟炱粒径，可见分散性能差的油品，烟炱不断聚集，烟炱的粒径大，加剧油品的磨粒磨损，使油品的抗磨性能变差。因此，提高油品对烟炱的分散性能，防止烟炱聚集是提高油品抗磨性能的途径之一。

3 结 论

（1）在Mack T－11发动机试验中，随烟炱含量的增加，烟炱颗粒的粒径逐渐增大；分散性能差的油品，烟炱颗粒不断聚集，粒径变大，导致油品黏度大幅增加。

（2）对于带EGR系统的Mack T－11发动机试验，油品需要具备足够的碱值，以中和EGR系统带来的酸性气体。

（3）在Mack T－11发动机试验中，随烟炱含量的增加，油品的抗磨性能变差。分散性能差的油品试验后，烟炱粒径大，造成的磨损也更严重。

［1］ Zelenka P，Aufinger H，Reczek W，et al.Cooled EGR—A Key Technology for Future Efficient HD Diesels［R］.SAE Paper，980190

［2］ 朱和菊，曾颖峰，张春辉.EGR系统对柴油机润滑油提出的新挑战［J］.石油商技，2003，21（5）：12－14

［3］ 赵正华，廖湘芸，雷爱莲，等.柴油机油抗烟炱磨损性能研究［J］.润滑与密封，2013，38（5）：109－112

［4］ 杨道胜，史宗冈，范亦工.美国重负荷柴油机油新规格CJ－4的发展及其影响［J］.石油商技，2006，24（6）：42－46

［5］ Moritz J，Shank G，Kennedy S，et al.API CJ－4：Diesel Oil Category for Pre－2007Engines and New Low Emission Engines Using Cooled Exhaust Gas Recirculation and Diesel Particulate Filters［R］.SAE Paper，2007－01－1966

［6］ 杨国峰，谢惊春，冯振文.API柴油机油CJ－4与CI－4规格台架对比关系的研究［J］.润滑油，2011，26（3）：49－55

［7］ 韩恒文.Mack系列重负荷柴油机油台架测试的发展［J］.润滑油，2009，24（2）：53－59

［8］ Ishiki Kazuya，Oshida Shinji.A Study of Abnormal Wear in Power Cylinder of Diesel Engine with EGR—Wear Mechanism of Soot Contaminated in Lubricating Oil［R］.SAE Paper，2000－01－0925

ANALYSIS OF DIESEL ENGINE OIL AFTER MACK T－11ENGINE TEST

Zhang Qian，Sun Wenbin
（SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing，Beijing100083）

The analysis results of two diesel engine oils after Mack T－11engine test show that during the Mack T－11engine test，the soot particle size increases with increasing of the soot concentration.The poor soot dispersity leads to a significant viscosity increase of the oil and abrasive wear due to formation of larger soot particle through aggregation.The diesel engine oil needs high enough base number to neutralize the acids from the circulation of the exhaust gas in the Mack T－11engine test with exhaust gas recirculation system.

Mack T－11engine test；soot；dispersity；wear；TBN

2016－11－08；修改稿收到日期：2016－12－15。

张倩，硕士，高级工程师，主要从事润滑油配方的研发工作。

张倩，E－mail：zhangqian.ripp＠sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目（113114）。