長壽命柴油機(jī)油臺架的建立及評價方法研究的必要性

 

近年來，我國重負(fù)荷柴油機(jī)已基本實現(xiàn)了技術(shù)自主化，0EM提出美國API規(guī)格已不適用于國內(nèi)的柴油機(jī)技術(shù)和長換油周期的使用需求，臺架試驗是研制發(fā)動機(jī)油的重要評價手段。

 

 

近年，隨著油品及卡車技術(shù)升級換代，開發(fā)、推出長換油周期的長壽命柴油機(jī)油作為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行潤滑技術(shù)可靠性研究成為行業(yè)的共識。發(fā)動機(jī)制造商從保護(hù)發(fā)動機(jī)，降低維護(hù)成本和方便用戶的角度不斷提出延長發(fā)動機(jī)油的換油期。因此，為了更好地滿足節(jié)能環(huán)保的要求，必須加快油品升級換代、優(yōu)化產(chǎn)品性能和延長換油期的步伐。

 

在長壽命柴油機(jī)油開發(fā)應(yīng)用方面，北美主要商用車Mack、Cummins和Caterpillar等0EM換油里程一般小于40000 km，歐洲主要商用車MAN、SCANIA和DAF等OEM已經(jīng)針對各自發(fā)動機(jī)技術(shù)特點開發(fā)了大于100000 km換油里程的長壽命柴油機(jī)油，國外0EM根據(jù)各自發(fā)動機(jī)技術(shù)特點和后處理排放路線的差異而選擇不同的換油里程。

 

國內(nèi)主要柴油機(jī)制造商：濰柴、一汽、二汽、北汽和重汽等OEM均提出長換油期的長壽命柴油機(jī)油用油需求，長換油期油品要求在抗氧化性、分散性和堿值保持性等方面進(jìn)行強(qiáng)化。長壽命柴油機(jī)油臺架與一般柴油機(jī)臺架相比需要在機(jī)油溫度、煙炱生產(chǎn)和堿保持性能的試驗工況上進(jìn)行強(qiáng)化，評價油品的綜合性能，而一般柴油機(jī)臺架只針對某一方面的性能進(jìn)行評價。但是，目前業(yè)界沒有對應(yīng)的專項長壽命柴油機(jī)油性能評定臺架來評價長換油期的柴油機(jī)油。在內(nèi)燃機(jī)具備可靠性的前提下，如何有效評價長換油期柴油機(jī)油的潤滑技術(shù)可靠性能，是需要解決的問題。

 

我國柴油機(jī)油規(guī)格等同采用美國石油學(xué)會(API)的規(guī)格，與我國柴油機(jī)技術(shù)的路線不一致。我國發(fā)動機(jī)技術(shù)主要從歐洲引入，汽車和發(fā)動機(jī)運行工況機(jī)制與美國有巨大差別，中國發(fā)動機(jī)的設(shè)計特點(選擇性催化還原SCR+高壓共軌電噴技術(shù))、道路特點、車輛的行駛條件和使用情況與美國柴油機(jī)技術(shù)(廢氣冷卻循環(huán)EGR+微粒過濾器DPF)有較大差別。OEM提出美國API規(guī)格已不適用于國內(nèi)柴油機(jī)廠商的長換油周期、優(yōu)異的高溫清凈性與低成本的需求。

 

我國發(fā)動機(jī)油的標(biāo)準(zhǔn)基本沿襲了國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，采用的是美國API體系，評定技術(shù)完全由國外控制，其核心就是臺架評定。完全依賴國外的臺架評定體系不利于針對我國主流發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)行柴油機(jī)油適應(yīng)性研究，不利于掌握發(fā)動機(jī)油研發(fā)的核心技術(shù)。自主建立發(fā)動機(jī)臺架，通過對柴油機(jī)油與發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性研究，使我國柴油機(jī)油能夠適合我國發(fā)動機(jī)技術(shù)特點，提高發(fā)動機(jī)油的質(zhì)量檔次，延長換油周期，提高社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

 

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)油的品質(zhì)也提出了更高的要求，比如超長換油周期，通過提高潤滑油性能延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，滿足歐V(國V)排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

我國市場上，中低檔發(fā)動機(jī)油仍占主流，換油周期不到5000至10000 km，資源浪費嚴(yán)重。日本的汽車保有量是我國的4倍，而發(fā)動機(jī)油用量僅為我國的2/3。短換油周期造成資源的嚴(yán)重浪費和環(huán)境污染。因此，建立長壽命發(fā)動機(jī)油臺架試驗，加快和提高我國高端柴油機(jī)油的研發(fā)能力，延長換油周期有利于減少資源浪費，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

 

 

 

一汽無錫柴油機(jī)廠與中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心合作，利用中國石油的實驗室平臺和潤滑油研究的技術(shù)實力，建立CA 6DLl一30發(fā)動機(jī)臺架試驗，主要評價柴油機(jī)油的活塞清凈性性能。由于環(huán)保要求，發(fā)動機(jī)制造商在技術(shù)上進(jìn)行了多種改進(jìn)：改變?nèi)剂蠂娚鋾r間、提高噴油壓力以及改進(jìn)活塞環(huán)并將環(huán)槽位置提高等。這些改進(jìn)大大提高了燃燒質(zhì)量，降低了尾氣排放，但同時發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷也大大提高，這樣也就加速了高溫沉積物的形成，從而導(dǎo)致油耗和排放的增加，因此要求潤滑油有極強(qiáng)的控制高溫沉積物能力。建立CA 6DLl一30臺架的目的是解決高溫沉積物形成的問題，高溫沉積物導(dǎo)致油耗和排放的增加，使發(fā)動機(jī)無法正常運行。

 

 

CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)為一汽無錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)，該發(fā)動機(jī)為直列、六缸、增壓、空一空中冷柴油機(jī)。其額定功率為220 kw、額定轉(zhuǎn)速為2100 r／min、最大扭矩為1500 N·m，發(fā)動機(jī)出廠設(shè)定的噴油提前角為6～8。。在柴油機(jī)的設(shè)計中使用了高壓噴射的柴油泵，每缸四氣門設(shè)計，使得發(fā)動機(jī)的升功率比較大，燃燒室溫度較高。試驗方法設(shè)計根據(jù)CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)的特點，配置大負(fù)荷測功機(jī)和相應(yīng)控制系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷大扭矩運轉(zhuǎn)工況時加快活塞沉積物形成，建立了CA 6DLl—30柴油機(jī)臺架試驗方法。CA 6DLl一30臺架試驗的正式試驗條件見表1。

 

 

試驗使用符合GB 252標(biāo)準(zhǔn)的0號柴油作為試驗燃料油。CA6DLl一30發(fā)動機(jī)試驗包括全功率和全扭矩試驗規(guī)范連續(xù)運行250 h，試驗期間不換油，每25 h取樣一次，分析油品理化指標(biāo)，跟蹤油品性能變化。試驗結(jié)束后，按CRC評分手冊對活塞沉積物進(jìn)行評分。

 

 

為了考察CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性，試驗選用油樣1進(jìn)行了重復(fù)性驗證試驗，根據(jù)確定的CA6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架試驗操作條件和試驗程序，在250 h試驗結(jié)束后，拆解發(fā)動機(jī)對活塞清凈性進(jìn)行評分，其評分結(jié)果如圖1所示。

 

 

從圖1可以看出，所選試驗油1在CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性驗證試驗中，總加權(quán)評分和平均一環(huán)槽充炭率，在試驗時間250 h周期內(nèi)2次試驗結(jié)果變化不大，表明該臺架試驗的重復(fù)性較好。

 

 

CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架建立后，進(jìn)行多次油品的性能評價試驗，在250 h試驗周期內(nèi)不同油樣具有較好的區(qū)分性，見圖2。

 

 

在250 h試驗結(jié)束后對活塞清凈性進(jìn)行評分，從圖2可以看出，不同油品在CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架的區(qū)分性試驗中，總加權(quán)評分和平均一環(huán)槽充炭率，具有較好的區(qū)分性，表明該臺架試驗的區(qū)分性較好。

 

 

CA6DLl—30柴油機(jī)的特點是：柴油燃料的高壓直噴、進(jìn)氣渦輪增壓、每缸四氣閥設(shè)計，這樣可使發(fā)動機(jī)功率成倍增長，然而發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷也有顯著增加，尤其表現(xiàn)在活塞溫度升高，油品的氧化加速?；钊h(huán)槽積炭、漆膜增多，對柴油機(jī)油的高溫清凈性能提出了更高的要求。油樣1同時完成了Cat-erpillar 1K與CA 6DLl—30的臺架試驗，試驗結(jié)果對比見表2。

 

 

從兩個臺架的試驗結(jié)果可以看出：同一油品在CA 6DLl—3臺架上的一環(huán)槽充炭率要高于在Cat-erpillar 1K臺架上做出的結(jié)果，這與CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)的高位矩形頂環(huán)槽設(shè)計有關(guān)，為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，CA 6DLl一30發(fā)動機(jī)的活塞頂部采用了緊頂環(huán)岸間隙設(shè)計，使活塞頂岸與缸壁的間隙減小，并且活塞頂岸高度也減小，對潤滑油的高溫清凈性有更高的要求。而一環(huán)槽充炭率是表征熱負(fù)荷的一個很重要的參數(shù)，如果一環(huán)槽充炭情況嚴(yán)重時，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)個別氣缸出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。因此，一環(huán)槽充炭率可作為CA 6DLl—30試驗的一項重點考察指標(biāo)。所以，有必要根據(jù)CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷高、一環(huán)槽積炭率高的特點，開展CA 6DLl—30臺架試驗項目來評定CA 6DLl—30重載柴油機(jī)專用油，作為油品清凈性能的臺架評定試驗項目。 

 

CA6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架評價柴油機(jī)油抗磨損性能 

 

建立CA6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架，同時開展了柴油機(jī)油的抗磨損性能的評價，燃料油和試驗條件相同。CA6DLl—30重負(fù)荷柴油發(fā)動機(jī)臺架試驗重點突出用戶使用過程中出現(xiàn)的發(fā)動機(jī)低速大扭矩的全功率狀況和使用中經(jīng)常發(fā)生的超載狀況來綜合評定重負(fù)荷柴油機(jī)油的抗磨(軸瓦磨損、活塞環(huán)磨損)性能。使用國產(chǎn)CA6DLl一30柴油發(fā)動機(jī)建立的試驗臺架，通過強(qiáng)化試驗條件以及延長試驗周期來區(qū)分不同級別的油品的抗磨損性能。

 

 

為了考察CA 6DLl一30發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性驗證試驗，試驗選用油樣1進(jìn)行了重復(fù)性驗證試驗，在250 h試驗結(jié)束后，拆解發(fā)動機(jī)對軸瓦磨損和活塞環(huán)進(jìn)行稱重，其結(jié)果如圖3所示。

 

 

從圖3可以看出，所選試驗油1在CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性驗證試驗中，連桿軸瓦平均失重和第一道活塞環(huán)平均失重，在試驗時間250 h 周期內(nèi)2次試驗結(jié)果接近，表明該臺架抗磨損試驗的重復(fù)性較好。

 

CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架建立后，進(jìn)行多次油品的性能評價試驗，在250 h試驗周期內(nèi)不同油樣具有較好的區(qū)分性，見圖4。

 

根據(jù)確定的CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架試驗操作條件和試驗程序，在250 h試驗結(jié)束后對抗磨損性能進(jìn)行評價，從圖4可以看出，不同油品在CA 6DLl—30發(fā)動機(jī)臺架的區(qū)分性試驗中，連桿軸瓦平均失重和第一道活塞環(huán)平均失重，具有較好的區(qū)分性，表明該臺架試驗的區(qū)分性較好。 

 

 

 

 

一汽無錫柴油機(jī)廠與中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心合作，建立了CA 6D12—35發(fā)動機(jī)臺架試驗，主要評價柴油機(jī)油的煙炱分散性能。發(fā)動機(jī)燃燒過程中生成的煙炱通過竄氣沿活塞環(huán)與氣缸壁間隙進(jìn)入曲軸箱，并在機(jī)油中累積使柴油機(jī)油的運動黏度升高，低溫下產(chǎn)生屈服應(yīng)力和抗磨性能降低，對發(fā)動機(jī)的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。建立CA 6DL2—35臺架的目的是解決因煙炱引起的黏度增長而導(dǎo)致油品的使用性能下降，使發(fā)動機(jī)無法正常運行。

 

 

CA 6DL2—35發(fā)動機(jī)為一汽無錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)，該發(fā)動機(jī)為直列、六缸、增壓、空一空中冷柴油機(jī)。其額定功率為258 kw、額定轉(zhuǎn)速為2100 r／min、最大扭矩為1450 N·m，噴油提前角為26。。在柴油機(jī)的設(shè)計中使用了高壓噴射的柴油泵，每缸四氣門設(shè)計。試驗方法設(shè)計根據(jù)6DL2—35發(fā)動機(jī)的特點，通過改變發(fā)動機(jī)的噴油提前角，配置大負(fù)荷測功機(jī)和相應(yīng)控制系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷運轉(zhuǎn)工況時產(chǎn)生較高的煙炱，形成了煙炱分散性能評定試驗條件，建立了CA 6DL2—35柴油機(jī)臺架試驗方法。臺架試驗的正式試驗條件見表3。

 

 

試驗燃料為硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.03％～0.05％的0號輕柴油，CA6D12—35發(fā)動機(jī)試驗在連續(xù)全負(fù)荷工況下運行125 h，試驗期間不換油，時隔25 h取樣一次，對樣品進(jìn)行理化分析。試驗結(jié)束后，評價柴油機(jī)油中煙炱含量和黏度的變化。

 

 

為了考察CA 6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架的試驗重復(fù)性，試驗選用CH一4 15W一40和BULL DOG 15W一40油品分別進(jìn)行了重復(fù)性驗證試驗，根據(jù)確定的CA6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架試驗操作條件和試驗程序，在125 h全負(fù)荷工況運行過程中，采用25 h間隔取樣，對所取油樣測定煙炱含量和100℃運動黏度，其測定結(jié)果如圖5和圖6所示。通過考察發(fā)動機(jī)煙炱含量的變化與機(jī)油黏度增長的情況，來判斷CA6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性。

 

 

從圖5和圖6可以看出，所選試驗油CH一4  15W一40和BULL DOG 15W一40油品在CA 6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架的重復(fù)性驗證試驗中，煙炱含量和黏度增長在試驗時間125 h周期內(nèi)趨勢是一致的，表明該臺架試驗的重復(fù)性較好。

 

 

CA 6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架建立后，結(jié)合科研研發(fā)的實際需求，進(jìn)行多次油品的性能評價試驗，在125 h試驗周期內(nèi)煙炱生成量在5.0％～5.4％的范圍內(nèi)，見圖7；對不同級別油品在定量煙炱含量條件下，試驗油的黏度變化有較大的差異，見圖8。

 

 

根據(jù)確定的CA6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架試驗操作條件和試驗程序，在125 h全負(fù)荷工況運行過程中，采用25 h間隔取樣，對所取油樣測定煙炱含量和100℃運動黏度，從圖7和圖8可以看出，不同油品在CA 6DL2—35發(fā)動機(jī)臺架的區(qū)分性試驗中，煙炱含量增加量基本一致；不同油品在大于3.5％的相同煙炱含量下黏度增長具有較好的區(qū)分性，表明該臺架試驗的區(qū)分性較好，可以充分說明其黏度增長對油品的抗煙炱分散性能具有較好的區(qū)分性。 

 

結(jié)束語 

 

(1)臺架評定與發(fā)動機(jī)油的使用性能有良好的相關(guān)性已成為發(fā)動機(jī)油規(guī)格建立和評價的最重要手段。依靠美國API柴油機(jī)臺架技術(shù)基礎(chǔ)，中國石油潤滑油公司已建成美國API和國內(nèi)OEM發(fā)動機(jī)臺架的高溫清凈性、抗磨損和分散性的柴油機(jī)油完整評價體系。

(2)建立的0EM臺架評價方法具有較好的重復(fù)性和區(qū)分性。同時，建立的OEM臺架與行車試驗建立了對應(yīng)性，很好地滿足了0EM對柴油機(jī)油的評價需求。

(3)結(jié)合0EM臺架方法的研究技術(shù)基礎(chǔ)和臺架硬件資源，根據(jù)國內(nèi)0EM長壽命柴油機(jī)油的用油需求，中國石油潤滑油公司正在與OEM聯(lián)合開展長壽命柴油機(jī)油臺架試驗方法的開發(fā)工作。 
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