不同碱值柴油机油的使用性能考察

赵磊

中国石化润滑油有限公司北京研究院

发动机油的碱值指标，通常被用来判断机油的中和酸性物质的能力。发动机油的碱值主要来源于清净剂组分。清净剂一般为金属盐类，属于多功能添加剂，除用于中和酸性物质外，还提供沉积物控制、抗氧化、分散、防锈等功能[1]。因此一般认为碱值在一定程度上，代表了油品具备的清净性和酸腐蚀抑制能力。经过Caterpillar 1K/1N台架试验以及行车试验的验证，证明柴油发动机油的使用性能，与初始碱值水平无必然关联；同时发现柴油发动机油的碱值变化趋势，与所用的清净剂技术水平、燃料硫含量以及运行工况等因素有关。

本文通过Caterpillar 1K/1N台架试验，验证不同碱值柴油发动机油的使用性能，关注碱值变化的趋势，讨论清净性和抗磨损性的性能表现的关系；通过行车试验验证不同碱值柴油发动机油的实际使用性能，并根据行车试验中取得的机油样品分析情况，综合判断机油的性能与碱值变化的影响因素。

试验部分

试验油品

试验油品信息见表1。

表1 试验油品信息

台架试验

台架试验为Caterpillar 1K/1N试验（以下简称1K、1N）[2]。试验发动机为排量2.44 L的Caterpillar 1Y540单缸试验机，直喷四气门，压缩比为14.5∶1，顶环为梯形环，第二环为矩形环。试验工况见表2。

表2 Caterpillar 1K/1N台架试验工况

分别在试验0 h、24 h、204 h、252 h取样，对运动黏度、碱值、磨损金属元素含量进行测试。试验结束后，对活塞清净性进行评分，并测量缸套磨损量。

行车试验

试验车辆均为长途物流运输牵引车。行车试验工况见表3。

表3 行车试验工况

结果与讨论

台架试验

试验油品碱值（测试方法为SH/T 0688）结果与试验终点下降率见图1。

由图1可见，1N试验的2个样品，其碱值下降值与下降率，均小于1K试验中的样品；在200 h以后，1#、2#样品的剩余碱值已大于3#、4#样品。由于1N试验的燃油硫含量远低于1K试验所用燃油，使得燃烧产物中硫酸等的含量也相对降低，在试验硬件与测试条件相同时，混入发动机油中的硫酸含量也相应降低，在使用低硫含量燃油时，发动机油会呈现出更好的碱值保持性[3]。

图1 1K/1N台架试验样品碱值结果

台架试验的磨损结果与清净性缺点评分结果见图2。通常，缸套磨损量越低，认为该机油的磨损控制越好；清净性缺点评分越低，认为该机油的清净性能越好。

由图2可见：

图2 1K/1N台架试验磨损与清净性缺点评分

◇在1N试验中，1#样品的清净性缺点评分低，说明碱值保持能力更好的1#相比2#具备更优异的清净性。1#样品的缸套磨损保护略优于2#，但均远未达到磨损警戒限值。

◇在1K试验中，3#、4#、5#样品的清净剂体系相似。3#、5#样品的碱值下降率略小于4#样品。3#、5#的清净性评分略优于4#；初始碱值较高且碱值下降率较低的5#样品展现了更优异的活塞清净性。3#、5#样品的缸套磨损保护优于4#；影响磨损性能的主要为添加剂中的抗磨组分与配方的平衡性，与体现碱值的清净剂关系较小，磨损指标仅作为参考表征发动机油的整体使用性能。

发动机油的碱值主要由清净剂所贡献。因排放标准要求，柴油发动机需加装后处理装置，尤其是DPF（颗粒捕集器）装置，为了更好保护后处理装置、延长其使用寿命，发动机油对硫酸盐灰分含量做了进一步的要求，这就要求限制发动机油中的金属成分总量，尤其是钙、镁元素含量）。而为了保证发动机油的清净性能的进一步提升，在保证皂含量的基础上，控制金属成分总量，必须对清净剂的过碱化程度进行控制，即需控制金属清净剂的种类与加入量，这也一定程度上限制了发动机油的初始碱值水平。在发动机油使用过程中，部分烃类会被氧化，生成过氧化物、有机酸等化合物，同时酸性燃烧产物等也存在混入发动机油中的可能性，这些酸性物质会容易腐蚀发动机部件，降低发动机使用寿命。碱值保持能力更好的发动机油，能够更好的抑制腐蚀的发生。因此，随着新型添加剂与高档基础油得以更广泛的应用[4,5]，尽管发动机油的初始碱值水平不高，但仍能具备较好的碱值保持能力，够保证发动机油的综合性能并未下降。

行车试验

行车试验的碱值平均值结果见图3，磨损金属（以铁元素为例）平均值结果见图4。

由图3可见，在40000 km换油期内，随着行驶里程的增加，油样碱值呈现明显的下降趋势，说明发动机油中的碱性组分持续与酸性物质中和，造成碱值下降；4#试验组的碱值下降幅度最低，磨损金属监测铁含量最低。由图4可见，所有试验油的铁元素含量均未超过50 mg/kg，证明3种发动机油在当前的碱值水平以及碱值下降率的条件下，均能较好地满足发动机润滑需求。碱值保持能力更好的配方，更有助于控制发动机的腐蚀与磨损。

图3 行车试验样品碱值结果

图4 行车试验样品铁元素含量结果

比 较 图 3、 图1可 知，3#、4#、5#样品在到达40000 km换油期时，碱值均高于在1K台架试验252 h终点时的碱值，表明1K台架试验252 h后油品的老化程度，高于40000 km行车试验油品的老化程度。其中，初始碱值最低的4#样品，在40000 km使用后碱值下降幅度最小，推测仍具有较长的剩余寿命。

结论

☆Caterpillar 1K/1N台架试验证实，发动机油的碱值下降幅度，随着燃料中硫含量的下降而变缓；在燃料中硫含量相同时，不同清净剂体系的发动机油碱值变化趋势存在差异；不同碱值的柴油发动机油，其初始碱值的高低与缸套/活塞环摩擦副的磨损情况无直接关联；碱值保持能力更好的油品，呈现出更好的清净性。

☆行车试验证实，柴油机油初始碱值的高低，与油品老化程度和磨损情况无显著的直接关联；碱值保持能力更好的机油，具备更优异的使用性能。

☆随着市场上燃料油中硫含量水平的降低，以及发动机油添加剂技术的进步，部分具有良好配方平衡性的发动机油，尽管初始碱值较低，但当油品具备较好的碱值保持能力时，仍然能够满足柴油发动机油的润滑性、清净性、抗磨损以及抗腐蚀的使用需求[6，7]。