基础油对汽油机油清净性的影响

摘要：通过热管试验考察了两个不同ⅢG发动机试验油清净性的变化，考察了不同基础油以及在不同气氛下基础油清净性的变化，用GC-MS、FTIR对基础油及热管试验后油进行了组成分析。研究发现：热管试验可以区分这两个不同的ⅢG发动机试验油的清净性能； Ⅰ类基础油清净性能差， Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类基础油清净性能较好；氧气的存在使基础油在老化过程中水的含量、芳烃含量、氧化物含量增多，导致油品清净性变差。

关键词：ⅢG发动机试验；基础油；清净性能；汽油机油

中图分类号：TE626.33文献标识码：A

0引言

高温清净性是内燃机油的重要性能。随着汽车工业的迅速发展，内燃机向着小型化、大功率、高压缩比的方向迅速发展，内燃机的使用温度和工作负荷不断提高。油品在使用过程中受到氧气、金属、燃油等作用，会发生氧化、聚合、裂解等复杂的化学变化并在活塞表面形成积炭、漆膜等沉积物，严重影响内燃机油的使用[1-2]。

ⅢG发动机试验主要考察汽油机油的抗氧化性能和高温清净性能。2010年美国公布了GF-5汽油机油规格，与GF-4汽油机油规格相比， GF-5汽油机油ⅢG台架试验通过指标中活塞沉积物加权评分由不小于3.5变为不小于4[3-4]，对油品的清净性能有了更加严格的要求。基础油约占内燃机配方的80%～90%，其清净性的好坏直接影响到成品油的清净性能，因此研究基础油对油品清净性的影响，对于油品配方的开发具有重要的指导作用。

通过热管试验考察两个不同ⅢG发动机试验油品清净性的变化；通过热管试验考察不同基础油以及在不同气氛下基础油清净性的变化，用GC-MS、FTIR对基础油及热管试验后油进行组成分析。

1试验

1.1试验用油

5W-30 ⅢG发动机试验油1#，5W-30 ⅢG发动机试验油2#，Ⅰ类基础油、Ⅱ类基础油、Ⅲ类基础油、Ⅳ类基础油。

1.2分析及评定方法

（1）热管试验

将一定量的氧气通入在L型玻璃管内加热循环的油品中，试验一段时间后，观察玻璃管壁上沉积的漆膜颜色，考查油品的高温清净性能。设备：SY-9506型；试验温度：290 ℃。

（2）ⅢG发动机台架试验

试验方法：程序ⅢG发动机试验，ASTM D7320[5]。

（3）分析方法

FTIR分析：傅里叶红外分析，美国Nicolet公司Magna750型傅立叶红外光谱仪；GC-MS分析：质谱分析，SH/T 0659-1998。

2结果与讨论

2.1不同ⅢG发动机试验时间油品清净性的变化

将5W-30试验油1#和5W-30试验油2#进行100 h的ⅢG发动机试验，1#试验油没有通过ⅢG发动机试验，2#试验油通过了ⅢG发动机试验。分别取试验0 h、20 h、40 h、60 h、80 h、100 h油样进行1 h热管试验。图1是不同ⅢG发动机试验时间油品的清净性变化，其中左侧为1#试验油热管试验结果，右侧为2#试验油热管试验结果。

由图1可以看出，对于试验油1#， 20 h油样的热管就出现黄色漆膜，40 h油样的清净性能急剧下降，80 h后整个热管被黄色或黑色漆膜覆盖；与1#油样相比，2#油样0 h的热管评级与1#油样0 h的热管评级几乎相同，主要原因可能是设定的热管的试验条件对于两个0 h油样来说，条件相对缓和。除0 h油品的热管评级外，2#油样在各个小时油品的热管评级都比相对应的1#油品的热管评级好。由此可见，热管试验可以区分这两个ⅢG发动机试验油的清净性能。

2.2不同基础油热管试验

基础油是内燃机油的重要组成部分，其清净性的好坏直接影响到油品的清净性能。本文通过热管试验考察了14个不同批次的基础油，其中包括4个Ⅰ类基础油、4个Ⅱ类基础油、3个Ⅲ类基础油、3个Ⅳ类基础油，其热管试验结果如图2所示。

从表1中可以看出，链烷烃和少环环烷烃含量多，热管评级低，清净性好；多环环烷烃和芳烃含量高，热管评级高，油品清净性差，芳烃和多环环烷烃是清净性的非理想组分。Ⅰ类基础油中芳烃和多环环烷烃明显高于其他种类基础油，这可能是其清净性差的主要原因。

2.3氧化对油品清净性的影响

在热管试验中，基础油在高温和氧气共同作用下发生变质，为了区分高温和氧化的作用，在氮气气氛下，用热管试验考察了基础油清净性的变化。图3是四个基础油在氮气和氧气气氛条件下热管试验结果。

从图4可以看出，四个基础油在氮气气氛下，热管几乎都为无色，清净性好。在氧气气氛下，热管都有黄色或黑色漆膜出现。这说明基础油仅在热作用下，变质不明显；在氧气的作用下，清净性变差。图4到图7分别是四个不同基础油在氮气和氧气气氛下热管试验后油品的红外分析谱图。

从图4到图7可以看出，氮气气氛下的热管试验油与氧气气氛下的热管试验油主要有4个不同强度的峰：3400 cm-1、1710 cm-1、1600 cm-1、1150 cm-1，氧气气氛下的热管试验油四个峰的强度明显大于氮气气氛下的峰强度。3400 cm-1为缔合羟基的峰，结合热管试验后，瓶底有微量的水出现，推断氧气气氛下的热管试验后油含有更多的水；1710 cm-1为C=O的峰，1150 cm-1左右为C-O的峰，说明氧气气氛下的热管试验油含有更多的氧化物；1600 cm-1为芳烃的峰，氧气气氛下的热管试验油在1600 cm-1峰强度明显高于氮气气氛下峰强度，氧气的存在，促进了油品的芳构化反应，使油品中芳烃类物质增多。

图8为5W-30试验油1#进行ⅢG发动机试验的新油与试验100 h后油的红外差谱图，从图中可以看出，油品在ⅢG发动机试验100 h后1717 cm-1（C=O峰），1601 cm-1（苯环峰）处峰明显增大。结合上面分析，基础油在热氧化条件下，含氧物质和芳烃类物质增多。可以推断基础油在ⅢG台架试验中生成氧化物质和芳烃类物质，这是导致油品清净性变差的重要因素。

3结论

（1）利用热管试验对基础油的清净性进行了考察，结果表明：Ⅰ类基础油清净性较差，Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类基础油清净性较好。链烷烃和一、二环烷烃是清净性的理想组分，多环烷烃和芳烃使油品的清净性变差。

（2）热管试验中，氧气的存在使基础油在老化过程中水的含量、芳烃含量、氧化物含量增大。在基础油变质过程中，氧化作用明显强于热解作用。氧化脱氢促进了油品的芳构化反应，使油品中芳烃类物质增多。

（3）ⅢG发动机试验100 h后，油品中含氧化合物和芳烃的含量增大，结合基础油在氧化变质过程中芳烃和氧化物含量增大，推断基础油的氧化变质是油品清净性变差的重要因素。

参考文献：

[1] Andrews G E，Jones M H，Rahman A A，et al.The Influence of an Oil Recycler on Lubricating Oil Quality with Oil Age for a Bus Using in Service Testing. SAE 2000-01-0234＼[R＼].

＼[2＼] Mark T Devlin， Todd Dvorak， Roger Sheets，et al. Role of Fuel Decomposition Products on Formation of Sequence IIIG Piston Deposits. SAE 2010-01-2259＼[R＼].

＼[3＼] 谢欣，武志强，王立华，等.ILSAC节能车用油和发动机台架评定技术的进展＼[J＼]. 石油炼制与化工，2011，42（8）： 7-11

＼[4＼] ILSAC GF-5 Stand for Passenger Car Engine Oils.Latest Issue 2009-12-12＼[S＼].

＼[5＼] ASTM D7320 Sandard Test Method for evaluation of Automotive Engine Oils in the Sequence ⅢG，Spark-Ignition Engine＼[S＼].

＼[6＼] SH/T 0659-1998（2004） 瓦斯油中饱和烃馏分的烃类测定法（质谱法）＼[S＼].收稿日期：2014-02-08。