吉 祥，蔡 璐，吉澤鵬，劉 杰

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

提高重型卡車的燃油經(jīng)濟性，一方面，重卡柴油機的技術(shù)不斷更新，包括柴油機四氣門、頂置凸輪軸、可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)技術(shù)[2-3]等；另一方面，減少發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的摩擦損耗。柴油機油最新API規(guī)格FA-4的推出[4-5]，也主要是針對這兩個方面的問題，具有節(jié)能性能的柴油機油也受到生產(chǎn)商、物流公司及車隊的廣泛關(guān)注。如何提高現(xiàn)有柴油機油規(guī)格CI-4的燃油經(jīng)濟性也成為潤滑油企業(yè)研究的方向。

中海油氣(泰州)石化有限公司(簡稱泰州石化)400 kta石蠟基潤滑油基礎(chǔ)油高壓加氫裝置，以西江石蠟基減壓餾分油為原料，采用“加氫裂化-異構(gòu)脫蠟-加氫補充精制”全氫組合工藝生產(chǎn)潤滑油基礎(chǔ)油。本研究采用泰州石化生產(chǎn)的潤滑油基礎(chǔ)油制備柴油機油CI-4 15W-40，并使用四球摩擦試驗機考察重負荷柴油機油CI-4 15W-40中有機鉬型、有機高分子聚合物等摩擦改進劑的加入對摩擦磨損性能的影響，并進行實際行車試驗評價燃油經(jīng)濟性。

1 實 驗

1.1 原料及添加劑

試驗原料為泰州石化生產(chǎn)的4種石蠟基潤滑油基礎(chǔ)油(編號分別為A，B，C，D)，其基本理化性質(zhì)如表1所示。柴油機油復(fù)合劑H12200，由美國雅富頓公司生產(chǎn)；黏度指數(shù)改進劑7077，由美國路博潤公司生產(chǎn)；降凝劑1-248，由贏創(chuàng)工業(yè)集團生產(chǎn)；復(fù)合抗泡劑1號，由上海申浦精細化工廠生產(chǎn)；有機鉬摩擦改進劑Molyvan 3000，鉬質(zhì)量分數(shù)為9.1%～11.2%，由范德比爾特公司生產(chǎn)；高分子聚合物摩擦改進劑Perfad 3057，由英國禾大公司生產(chǎn)。

表1 4種石蠟基潤滑油基礎(chǔ)油的基本理化性質(zhì)

1.2 分析方法

運動黏度測定采用美國CANNON公司生產(chǎn)的CAV4.2自動運動黏度測定儀。密度測定采用法國ISL公司生產(chǎn)的VIDA40密度儀。低溫動力黏度測定采用美國CANNON公司生產(chǎn)的CCS-2100LT測定儀。傾點測定采用意大利SCAVINI公司生產(chǎn)的CPPP-EVO自動傾點測定儀。閃點測定采用德國Anton Paar公司生產(chǎn)的CLA5開口閃點測定儀。堿值測定采用瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn)的G10S自動堿值電位滴定儀。泡沫性測定采用大連北方分析儀器有限公司生產(chǎn)的BF-24潤滑油抗泡沫測定儀?？鼓バ阅懿捎脧B門天機自動化有限公司生產(chǎn)的MS-10A四球機。金屬元素測定采用德國耶拿公司生產(chǎn)的PQ9000油料元素光譜分析儀。

1.3 重負荷柴油機油的制備

將潤滑油基礎(chǔ)油攪拌均勻加熱至60～65 ℃，攪拌10 min，然后根據(jù)配方加入相應(yīng)的添加劑后繼續(xù)攪拌30 min，制備重負荷柴油機油CI-4 15W-40。

1.4 四球機抗磨試驗

采用四球機抗磨試驗評價重負荷柴油機油的抗磨損和極壓性能?？鼓p性能的測試方法依據(jù)標準NBSHT 0189—2017，測試條件為：試驗溫度75 ℃，試驗載荷392 N，轉(zhuǎn)速1 200 rmin，測試時間1 h。極壓性能測試方法依據(jù)國家標準GBT 12583—1998。

1.5 行車試驗

行車實驗測試車輛來自山東壽光的某物流公司。該公司貨物多為橡膠制品，品種較為固定，載貨量為35～40 t，基本保持滿負荷。車輛路線為山東壽光至上海往返，全程為高速公路。測試車輛主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗車主要技術(shù)參數(shù)

每次行車試驗前熱機狀態(tài)下放凈廢機油，使用測試油品進行發(fā)動機清洗2次，并更換全新原廠空氣濾芯及機油濾芯，再裝入測試油品。實驗車輛每行駛10 000 km進行采樣分析，采用負壓取樣器，每次采樣100 mL，并補加相應(yīng)測試油品。通過檢測貨車油耗及試驗油品的運動黏度、金屬元素含量、平均油耗的變化來表征摩擦改進劑對實際行車性能的影響。

由于電氣設(shè)備在實際的運營當中，受到溫度及濕度的影響較大。當外界環(huán)境溫度升高時，電氣自動化控制設(shè)備在運行當中，所產(chǎn)生的熱量將難以散發(fā)出去，這對電氣自動化控制設(shè)備使用的可靠性造成嚴重影響。因此，在對電氣自動化控制設(shè)備的實際安裝過程當中，相關(guān)技術(shù)人員需要加強對設(shè)備散熱功能的考慮，做好相關(guān)的保障措施，促使電氣自動化設(shè)備熱量及時被散發(fā)出去，降低設(shè)備運行時溫度，充分保證電氣自動化控制設(shè)備的正常運行。

2 結(jié)果與討論

2.1 重負荷柴油機油CI-4 15W-40配方及理化性質(zhì)

根據(jù)重負荷柴油機油CI-4 15W-40的黏度、低溫動力黏度、高溫剪切黏度和傾點的性能要求，石蠟基潤滑油基礎(chǔ)油A和B的黏度(100 ℃)和閃點較低，優(yōu)選黏度合適、閃點高、低溫性能佳的石蠟基潤滑油基礎(chǔ)油C和D用于制備重負荷柴油機油CI-4 15W-40。在調(diào)合后的基礎(chǔ)油中加入適當比例的黏度指數(shù)改進劑、降凝劑、柴油機油復(fù)合劑，制備得到不同配方的重負荷柴油機油CI-4 15W-40，編號分別為1號、2號、3號、4號。詳細的配方信息如表3所示。

表3 4種柴油機油CI-4 15W-40的配方 w,%

由于摩擦改進劑的加入量極低，對重負荷柴油機油的理化性能影響很小，所以只列出1號柴油機油CI-4 15W-40的理化性質(zhì)，結(jié)果見表4。

表4 1號柴油機油CI-4 15W-40的理化性質(zhì)

2.2 潤滑性能試驗

采用四球試驗機評價4種重負荷柴油機油CI-4 15W-40的潤滑和極壓抗磨性能，具體結(jié)果見表5和圖1。

表5 4種重負荷柴油機油的四球機摩擦試驗結(jié)果

圖1 4種重負荷柴油機油的四球機摩擦試驗時的摩擦因數(shù)■—1號； ●—2號； ▲—3號； 號

Molyvan 3000為液體硫代氨基甲酸鉬，其減摩作用機理是通過自身分解生成層間具有弱范德華力的MoS2保護膜而降低摩擦因數(shù)[6]。由表5和圖1可以看出，單獨加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的Molyvan 3000的2號重負荷柴油機油試驗時磨斑直徑增大，極壓性能最大無卡咬負荷PB降低，說明Molyvan 3000對柴油機油的摩擦改進效果不明顯，反而增大磨損。但是，隨著時間的延長，40 min后摩擦因數(shù)顯著下降，這是因為Molyvan 3000形成MoS2保護層需要一定的作用時間，在設(shè)備運轉(zhuǎn)一定時間后，會有較佳的表現(xiàn)。Perfad 3057是高分子型有機摩擦改進劑，梳狀結(jié)構(gòu)，單獨加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的Perfad 3057的3號重負荷柴油機油，低溫下即可有效提升抗磨性能，降低四球機抗磨試驗時的鋼球磨斑直徑，說明在低溫短時間接觸的情況下，有機無灰摩擦改進劑即可吸附在摩擦表面，降低磨損。

從表5和圖1還可以看出，同時加入Molyvan 3000和Perfad 3057的4號重負荷柴油機油的抗磨性能表現(xiàn)最佳，磨斑直徑從0.442 mm下降至0.425 mm，最大無卡咬負荷PB提升，說明Molyvan 3000和Perfad 3057二者復(fù)配起到了良好的抗磨效果。4號重負荷柴油機油與2號重負荷柴油機油相比，摩擦因數(shù)在25 min后顯著下降，說明引入有機無灰摩擦改進劑可以有效縮短Molyvan 3000形成保護膜前的時間。4種重負荷柴油機油的燒結(jié)負荷PD均為1 568 N，說明摩擦改進劑在高負荷下均會失效，無法增強潤滑油的極壓承載上限。對比4種重負荷柴油機油的抗磨、減摩性能，添加劑Molyvan 3000和Perfad 3057在油品中具有一定的協(xié)同性，使兩者的抗磨、減摩性能均更加優(yōu)異。

2.3 行車試驗

根據(jù)四球機摩擦試驗的結(jié)果，選擇1號重負荷柴油機油和4號重負荷柴油機油進行行車試驗測試。試驗車輛分別采用2種重負荷柴油機油各進行一次試驗，試驗結(jié)果編號按車牌號-1號，車牌號-4號來命名。

2.3.1 運動黏度黏度是判斷油品是否劣化變質(zhì)的重要指標。在油品使用過程中，黏度的變化趨勢一般是先降低再升高，這是因為新油受發(fā)動機摩擦副的剪切作用，大分子被剪切為小分子，從而導(dǎo)致黏度下降；隨著使用時間增加，油品在高溫自身氧化以及磨損金屬顆粒的催化氧化和煙炱的共同作用下，黏度緩慢增長。試驗油品的運動黏度隨行駛里程的變化見圖2。

圖2 試驗油品的運動黏度(100 ℃)隨行駛里程的變化■—魯GE7213-1號； ▲—魯GE7213-4號； ●—魯GP9133-1號； 魯GP9133-4號。圖3～圖6同

由圖2可以看出，兩種重負荷柴油機油在兩臺試驗車上的表現(xiàn)均較為穩(wěn)定，黏度變化平穩(wěn)，變化率均在國家標準GBT 7607的指標要求±25%范圍內(nèi)，說明是否加入摩擦改進劑對油品的抗剪切和抗氧化能力影響不大。

2.3.2 金屬元素分析通過測試試驗油品中金屬元素含量的變化，可以分析油品的運行質(zhì)態(tài)和發(fā)動機的磨損情況。一般認為，柴油機油中Cu元素來自軸承、軸瓦、油冷器，Al元素來自活塞裙部，F(xiàn)e元素來自缸套、配氣機構(gòu)、噴油嘴堅固件。試驗油品中Cu，Al，F(xiàn)e的元素含量隨行駛里程的變化見圖3～圖5。

圖3 試驗油品中Cu含量隨行駛里程的變化

圖4 試驗油品中Al含量隨行駛里程的變化

圖5 試驗油品中Fe含量隨行駛里程的變化

由圖3可以看出，兩臺試驗車使用2種重負荷柴油機油時Cu元素含量均表現(xiàn)為緩慢增長的趨勢，在行駛里程達到60 000 km時，Cu元素質(zhì)量分數(shù)也均在15 μgg以下，遠低于50 μgg的指標上限。這說明摩擦改進劑的引入對軸承、軸瓦磨損情況影響較小。由圖4和圖5可以看出，兩臺試驗車使用的油品中Al、Fe元素含量總體變化相似，均是隨著行駛里程的增加而增加，并且都遠低于指標上限，說明這兩種重負荷柴油機油均能提供有效保護。在試驗中期階段行駛里程在20 000～50 000 km時，兩臺試驗車使用4號重負荷柴油機油中Al、Fe元素含量增長趨勢均低于使用1號重負荷柴油機油，說明加入摩擦改進劑的4號重負荷柴油機油在活塞和缸套摩擦副上表現(xiàn)的抗磨損性能更佳。

2.3.3 燃油經(jīng)濟性試驗記錄兩輛試驗車兩次取樣之間的加油量和行車里程，得到每階段的平均油耗，通過比較使用1號重負荷柴油機油和4號重負荷柴油機油的平均油耗變化情況，考察其對燃油經(jīng)濟性的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 試驗車輛的平均油耗變化

由圖6可以看出，兩臺試驗車的平均油耗隨著行駛里程增加，總體呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。這主要是因為隨著油品在發(fā)動機中劣質(zhì)化，潤滑性能逐步下降，發(fā)動機摩擦副之間的磨損增大。同時，兩臺試驗車使用2種重負荷柴油機油的油耗有一定波動，整體來看使用4號重負荷柴油機油相比使用1號重負荷柴油機油平均油耗均有一定下降。在行駛里程低于45 000 km時，試驗車使用4號重負荷柴油機油總體平均油耗相比使用1號重負荷柴油機油低，此時摩擦改進劑的作用較為明顯。在行駛里程為45 000～60 000 km時，使用2種重負荷柴油機油平均油耗相似。這是因為隨著行駛里程的增加，發(fā)動機油中煙炱、金屬磨粒含量上升，有機鉬摩擦改進劑與油品氧化產(chǎn)生的過氧化物發(fā)生反應(yīng)[7]，導(dǎo)致有效鉬含量逐漸下降，摩擦阻力增大，燃料消耗加快。

由于魯GP9133試驗車采用1號重負荷柴油機油在行駛里程為5 000 km時的平均油耗有異常，因此計算全里程平均油耗時采用行駛里程為5 000～60 000 km，兩輛試驗車使用兩種重負荷柴油機油的全里程平均油耗比較見表6。

表6 試驗車輛的全里程平均油耗 L(100 km)

表6 試驗車輛的全里程平均油耗 L(100 km)

車輛數(shù) 據(jù)魯GE7213-1號34.82魯GE7213-4號34.24魯GP9133-1號37.01魯GP9133-4號36.62

由表6可以看出，整個行駛里程周期里，魯GE7213和魯GP9133平均油耗下降幅度為1%～2%，兩種摩擦改進劑的引入確實可以在一定程度上降低發(fā)動機磨損，提供更好的潤滑作用，從而降低燃油消耗。

3 結(jié) 論

(1)有機鉬摩擦改進劑應(yīng)用于潤滑油基礎(chǔ)油中，低溫下需要一定的時間才能發(fā)揮作用，2號重負荷柴油機油四球機試驗40 min后，摩擦因數(shù)明顯降低，從0.11降低至0.07；高分子聚合物摩擦改進劑在在潤滑油基礎(chǔ)油中低溫下表現(xiàn)出抗磨、減摩性能，特別是對于極壓抗磨性能提升較為明顯，3號重負荷柴油機油相比1號重負荷柴油機油最大無卡咬負荷PB提升。

(2)添加劑Molyvan 3000和Perfad 3057在油品中會表現(xiàn)出協(xié)同性，與未添加兩種摩擦改進劑的1號重負荷柴油機油相比，4號重負荷柴油機油進行四球機試驗時的磨斑直徑從0.442 mm下降至0.425 mm，極壓性能最大無卡咬負荷PB提升，說明兩種摩擦改進劑復(fù)配起到了良好的抗磨效果。

(3)引入兩種摩擦改進劑的4號重負荷柴油機油行車試驗時，油品中的Al、Fe元素增長較為緩慢，油品在活塞和缸套摩擦副上抗磨表現(xiàn)較佳，同時在行車試驗中表現(xiàn)出一定的節(jié)油性能，試驗車平均油耗下降1%～2%。