長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油臺(tái)架的建立及評(píng)價(jià)方法研究的必要性

 

近年來(lái)，我國(guó)重負(fù)荷柴油機(jī)已基本實(shí)現(xiàn)了技術(shù)自主化，0EM提出美國(guó)API規(guī)格已不適用于國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)技術(shù)和長(zhǎng)換油周期的使用需求，臺(tái)架試驗(yàn)是研制發(fā)動(dòng)機(jī)油的重要評(píng)價(jià)手段。

 

 

近年，隨著油品及卡車技術(shù)升級(jí)換代，開(kāi)發(fā)、推出長(zhǎng)換油周期的長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行潤(rùn)滑技術(shù)可靠性研究成為行業(yè)的共識(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商從保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，降低維護(hù)成本和方便用戶的角度不斷提出延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)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(jí)換代、優(yōu)化產(chǎn)品性能和延長(zhǎng)換油期的步伐。

 

在長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油開(kāi)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(duì)各自發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了大于100000 km換油里程的長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油，國(guó)外0EM根據(jù)各自發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)和后處理排放路線的差異而選擇不同的換油里程。

 

國(guó)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(zhǎng)換油期的長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油用油需求，長(zhǎng)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(zhǎng)壽命柴油機(jī)油臺(tái)架與一般柴油機(jī)臺(tái)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(yàn)工況上進(jìn)行強(qiáng)化，評(píng)價(jià)油品的綜合性能，而一般柴油機(jī)臺(tái)架只針對(duì)某一方面的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是，目前業(yè)界沒(méi)有對(duì)應(yīng)的專項(xiàng)長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油性能評(píng)定臺(tái)架來(lái)評(píng)價(jià)長(zhǎng)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(píng)價(jià)長(zhǎng)換油期柴油機(jī)油的潤(rùn)滑技術(shù)可靠性能，是需要解決的問(wèn)題。

 

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

 

我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)油的標(biāo)準(zhǔn)基本沿襲了國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，采用的是美國(guó)API體系，評(píng)定技術(shù)完全由國(guó)外控制，其核心就是臺(tái)架評(píng)定。完全依賴國(guó)外的臺(tái)架評(píng)定體系不利于針對(duì)我國(guó)主流發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)油研發(fā)的核心技術(shù)。自主建立發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)油與發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性研究，使我國(guó)柴油機(jī)油能夠適合我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)油的質(zhì)量檔次，延長(zhǎng)換油周期，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

 

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的品質(zhì)也提出了更高的要求，比如超長(zhǎng)換油周期，通過(guò)提高潤(rùn)滑油性能延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，滿足歐V(國(guó)V)排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

我國(guó)市場(chǎng)上，中低檔發(fā)動(dòng)機(jī)油仍占主流，換油周期不到5000至10000 km，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。日本的汽車保有量是我國(guó)的4倍，而發(fā)動(dòng)機(jī)油用量?jī)H為我國(guó)的2/3。短換油周期造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，建立長(zhǎng)壽命發(fā)動(dòng)機(jī)油臺(tái)架試驗(yàn)，加快和提高我國(guó)高端柴油機(jī)油的研發(fā)能力，延長(zhǎng)換油周期有利于減少資源浪費(fèi)，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

 

 

 

一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠與中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心合作，利用中國(guó)石油的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和潤(rùn)滑油研究的技術(shù)實(shí)力，建立CA 6DLl一30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，主要評(píng)價(jià)柴油機(jī)油的活塞清凈性性能。由于環(huán)保要求，發(fā)動(dòng)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(shí)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(shí)發(fā)動(dòng)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(rùn)滑油有極強(qiáng)的控制高溫沉積物能力。建立CA 6DLl一30臺(tái)架的目的是解決高溫沉積物形成的問(wèn)題，高溫沉積物導(dǎo)致油耗和排放的增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

 

 

CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)為一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)，該發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jì)中使用了高壓噴射的柴油泵，每缸四氣門設(shè)計(jì)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率比較大，燃燒室溫度較高。試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)根據(jù)CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，配置大負(fù)荷測(cè)功機(jī)和相應(yīng)控制系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷大扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)加快活塞沉積物形成，建立了CA 6DLl—30柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法。CA 6DLl一30臺(tái)架試驗(yàn)的正式試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

 

 

試驗(yàn)使用符合GB 252標(biāo)準(zhǔn)的0號(hào)柴油作為試驗(yàn)燃料油。CA6DLl一30發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)包括全功率和全扭矩試驗(yàn)規(guī)范連續(xù)運(yùn)行250 h，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束后，按CRC評(píng)分手冊(cè)對(duì)活塞沉積物進(jìn)行評(píng)分。

 

 

為了考察CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性，試驗(yàn)選用油樣1進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)確定的CA6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)操作條件和試驗(yàn)程序，在250 h試驗(yàn)結(jié)束后，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)活塞清凈性進(jìn)行評(píng)分，其評(píng)分結(jié)果如圖1所示。

 

 

從圖1可以看出，所選試驗(yàn)油1在CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)中，總加權(quán)評(píng)分和平均一環(huán)槽充炭率，在試驗(yàn)時(shí)間250 h周期內(nèi)2次試驗(yàn)結(jié)果變化不大，表明該臺(tái)架試驗(yàn)的重復(fù)性較好。

 

 

CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架建立后，進(jìn)行多次油品的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在250 h試驗(yàn)周期內(nèi)不同油樣具有較好的區(qū)分性，見(jiàn)圖2。

 

 

在250 h試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)活塞清凈性進(jìn)行評(píng)分，從圖2可以看出，不同油品在CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的區(qū)分性試驗(yàn)中，總加權(quán)評(píng)分和平均一環(huán)槽充炭率，具有較好的區(qū)分性，表明該臺(tái)架試驗(yàn)的區(qū)分性較好。

 

 

CA6DLl—30柴油機(jī)的特點(diǎn)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(jì)，這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)功率成倍增長(zhǎng)，然而發(fā)動(dòng)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(duì)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(shí)完成了Cat-erpillar 1K與CA 6DLl—30的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

 

 

從兩個(gè)臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：同一油品在CA 6DLl—3臺(tái)架上的一環(huán)槽充炭率要高于在Cat-erpillar 1K臺(tái)架上做出的結(jié)果，這與CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)的高位矩形頂環(huán)槽設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的活塞頂部采用了緊頂環(huán)岸間隙設(shè)計(jì)，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(duì)潤(rùn)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(gè)很重要的參數(shù)，如果一環(huán)槽充炭情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)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(yàn)的一項(xiàng)重點(diǎn)考察指標(biāo)。所以，有必要根據(jù)CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷高、一環(huán)槽積炭率高的特點(diǎn)，開(kāi)展CA 6DLl—30臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)評(píng)定CA 6DLl—30重載柴油機(jī)專用油，作為油品清凈性能的臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目。 

 

CA6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)價(jià)柴油機(jī)油抗磨損性能 

 

建立CA6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，同時(shí)開(kāi)展了柴油機(jī)油的抗磨損性能的評(píng)價(jià)，燃料油和試驗(yàn)條件相同。CA6DLl—30重負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)重點(diǎn)突出用戶使用過(guò)程中出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)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(lái)綜合評(píng)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(guó)產(chǎn)CA6DLl一30柴油發(fā)動(dòng)機(jī)建立的試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)強(qiáng)化試驗(yàn)條件以及延長(zhǎng)試驗(yàn)周期來(lái)區(qū)分不同級(jí)別的油品的抗磨損性能。

 

 

為了考察CA 6DLl一30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)選用油樣1進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，在250 h試驗(yàn)結(jié)束后，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(yàn)油1在CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)中，連桿軸瓦平均失重和第一道活塞環(huán)平均失重，在試驗(yàn)時(shí)間250 h 周期內(nèi)2次試驗(yàn)結(jié)果接近，表明該臺(tái)架抗磨損試驗(yàn)的重復(fù)性較好。

 

CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架建立后，進(jìn)行多次油品的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在250 h試驗(yàn)周期內(nèi)不同油樣具有較好的區(qū)分性，見(jiàn)圖4。

 

根據(jù)確定的CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)操作條件和試驗(yàn)程序，在250 h試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)抗磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從圖4可以看出，不同油品在CA 6DLl—30發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的區(qū)分性試驗(yàn)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(tái)架試驗(yàn)的區(qū)分性較好。 

 

 

 

 

一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠與中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心合作，建立了CA 6D12—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，主要評(píng)價(jià)柴油機(jī)油的煙炱分散性能。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中生成的煙炱通過(guò)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(yùn)動(dòng)黏度升高，低溫下產(chǎn)生屈服應(yīng)力和抗磨性能降低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。建立CA 6DL2—35臺(tái)架的目的是解決因煙炱引起的黏度增長(zhǎng)而導(dǎo)致油品的使用性能下降，使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

 

 

CA 6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)為一汽無(wú)錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)，該發(fā)動(dòng)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(jì)中使用了高壓噴射的柴油泵，每缸四氣門設(shè)計(jì)。試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)根據(jù)6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油提前角，配置大負(fù)荷測(cè)功機(jī)和相應(yīng)控制系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)產(chǎn)生較高的煙炱，形成了煙炱分散性能評(píng)定試驗(yàn)條件，建立了CA 6DL2—35柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法。臺(tái)架試驗(yàn)的正式試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

 

 

試驗(yàn)燃料為硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.03％～0.05％的0號(hào)輕柴油，CA6D12—35發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)在連續(xù)全負(fù)荷工況下運(yùn)行125 h，試驗(yàn)期間不換油，時(shí)隔25 h取樣一次，對(duì)樣品進(jìn)行理化分析。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)價(jià)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(dòng)機(jī)臺(tái)架的試驗(yàn)重復(fù)性，試驗(yàn)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(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)確定的CA6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)操作條件和試驗(yàn)程序，在125 h全負(fù)荷工況運(yùn)行過(guò)程中，采用25 h間隔取樣，對(duì)所取油樣測(cè)定煙炱含量和100℃運(yùn)動(dòng)黏度，其測(cè)定結(jié)果如圖5和圖6所示。通過(guò)考察發(fā)動(dòng)機(jī)煙炱含量的變化與機(jī)油黏度增長(zhǎng)的情況，來(lái)判斷CA6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性。

 

 

從圖5和圖6可以看出，所選試驗(yàn)油CH一4  15W一40和BULL DOG 15W一40油品在CA 6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)中，煙炱含量和黏度增長(zhǎng)在試驗(yàn)時(shí)間125 h周期內(nèi)趨勢(shì)是一致的，表明該臺(tái)架試驗(yàn)的重復(fù)性較好。

 

 

CA 6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架建立后，結(jié)合科研研發(fā)的實(shí)際需求，進(jìn)行多次油品的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在125 h試驗(yàn)周期內(nèi)煙炱生成量在5.0％～5.4％的范圍內(nèi)，見(jiàn)圖7；對(duì)不同級(jí)別油品在定量煙炱含量條件下，試驗(yàn)油的黏度變化有較大的差異，見(jiàn)圖8。

 

 

根據(jù)確定的CA6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)操作條件和試驗(yàn)程序，在125 h全負(fù)荷工況運(yùn)行過(guò)程中，采用25 h間隔取樣，對(duì)所取油樣測(cè)定煙炱含量和100℃運(yùn)動(dòng)黏度，從圖7和圖8可以看出，不同油品在CA 6DL2—35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的區(qū)分性試驗(yàn)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(zhǎng)具有較好的區(qū)分性，表明該臺(tái)架試驗(yàn)的區(qū)分性較好，可以充分說(shuō)明其黏度增長(zhǎng)對(duì)油品的抗煙炱分散性能具有較好的區(qū)分性。 

 

結(jié)束語(yǔ) 

 

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

(2)建立的0EM臺(tái)架評(píng)價(jià)方法具有較好的重復(fù)性和區(qū)分性。同時(shí)，建立的OEM臺(tái)架與行車試驗(yàn)建立了對(duì)應(yīng)性，很好地滿足了0EM對(duì)柴油機(jī)油的評(píng)價(jià)需求。

(3)結(jié)合0EM臺(tái)架方法的研究技術(shù)基礎(chǔ)和臺(tái)架硬件資源，根據(jù)國(guó)內(nèi)0EM長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油的用油需求，中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司正在與OEM聯(lián)合開(kāi)展長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油臺(tái)架試驗(yàn)方法的開(kāi)發(fā)工作。 
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