CF-4 15W-40柴油機(jī)油在HC4132UPS型柴油機(jī)上的考核性研究

徐金龍 趙 波 程 琛

摘要:介紹了CF-4 15W-40柴油機(jī)油在HC4132UPS型柴油機(jī)上1000 h的耐久性考核試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后首先考察油品的質(zhì)量變化情況如磨損金屬元素分析、油品的氧化衰變情況分析以及運(yùn)動(dòng)粘度增長(zhǎng)率、堿值、酸值等的分析,結(jié)果顯示油品質(zhì)量變化不大;其次是考察發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性情況,外特性數(shù)據(jù)顯示扭矩、功率以及燃油耗率的各項(xiàng)參數(shù)均在技術(shù)條件要求范圍內(nèi);最后通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的拆檢鑒定,顯示各運(yùn)動(dòng)部件磨損正常,通過(guò)上述考察表明該油品能夠滿足HC4132UPS型柴油機(jī)及其裝備該型發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的使用要求。

關(guān)鍵詞:CF-4 15W-40;柴油機(jī)油;臺(tái)架考核

中圖分類號(hào):TE626.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Reliability Test of CF-4 15W-40 Diesel Engine Oil on the HC4132UPS Diesel Engine

XU Jin-long1, ZHAO Bo2, CHENG Chen3

(1.POL Research Institute of General Logistics Dept, Beijing 102300,China;2.Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072,China; 3.Unit 62211, Geermu 816000,China)

Abstract:The reliability test of CF-4 15W-40 diesel engine oil on the HC4132UPS diesel engine was carried out for 1000 h. After test, the engine oil data obtained from oil monitoring such as wear metal, oxidation, kinematic viscosity increase, base number and acid number showed that there is no change. The engine external characteristic data showed that torque, power and consumption rate of fuel are normal. And the engine parts are in order after knocked-down. So, the above proves that the CF-4 15W-40 diesel engine oil can meet the requirements of the HC4132UPS diesel engine and the vehicle equipped with it.

Key words:CF-4 15W-40; diesel engine oil; reliability test

0 前言

隨著環(huán)保法規(guī)的不斷嚴(yán)格以及柴油機(jī)功率的不斷增加和新技術(shù)的應(yīng)用,CD級(jí)柴油機(jī)油已不能滿足直噴高壓柴油機(jī)的使用要求[1],然而我國(guó)市場(chǎng)上的主流柴油機(jī)油仍以CD級(jí)為主,雖然CF-4級(jí)別的柴油機(jī)油在市場(chǎng)上的比重不斷增加,但產(chǎn)品質(zhì)量不能得到很好的保證,尤其是不能滿足特定大型重負(fù)荷裝備的使用要求。因此總后油料研究所與中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司合作研制了CF-4 15W-40柴油機(jī)油,在經(jīng)過(guò)了CF-4要求的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架后,為了能夠在HC4132UPS型柴油機(jī)及其相應(yīng)的車輛上進(jìn)行使用,需在其上進(jìn)行相應(yīng)的考核性試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)1000 h的耐久性考核試驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)拆檢顯示各摩擦副磨損正常,在用油液監(jiān)測(cè)顯示該油品衰變正常,表明該油品可以滿足HC4132UPS柴油機(jī)的使用要求,與此同時(shí)也為同系列類型的發(fā)動(dòng)機(jī)選用該油品提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1)試驗(yàn)油品:CF-4 15W-40柴油機(jī)油(理化指標(biāo)見(jiàn)表1)

(2)試驗(yàn)地點(diǎn):北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所

(3)試驗(yàn)方法或規(guī)程

①試驗(yàn)方法:考核試驗(yàn)根據(jù)考核試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行,共進(jìn)行100個(gè)循環(huán),每個(gè)循環(huán)10 h,共計(jì)1000 h。每運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)循環(huán),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備做例行保養(yǎng);考核每250 h后,更換新機(jī)油及機(jī)油濾清器;在考核500 h后,更換柴油濾清器。在考核前、500 h考核結(jié)束后和1000 h考核完成后分別進(jìn)行外特性試驗(yàn);

②發(fā)動(dòng)機(jī)原始尺寸測(cè)量與記錄;

③發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),具體參數(shù)見(jiàn)表2;

④發(fā)動(dòng)機(jī)分解鑒定;

⑤柴油機(jī)油監(jiān)控,監(jiān)控結(jié)果與GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》[2]相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 油品質(zhì)量變化情況

由于CF-4級(jí)別的柴油機(jī)油換油指標(biāo)至今還沒(méi)有國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),只有CD級(jí)別的換油指標(biāo),因此只能參考“GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》”之CD級(jí)柴油機(jī)油,見(jiàn)表3,并結(jié)合紅外光譜、鐵譜、磨粒等相關(guān)儀器分析進(jìn)行化驗(yàn)分析,來(lái)綜合判斷油品的使用情況。

(1)磨損金屬元素分析

磨損金屬元素分析是柴油機(jī)對(duì)油品考核的最主要指標(biāo)之一,通過(guò)分析油品中的磨損金屬就大致能夠判斷機(jī)器的磨損部位。目前,測(cè)定磨損金屬的方法很多,本文采用了BAIRD公司的原子發(fā)射光譜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定的元素有Fe、Cu、Al、Pb等磨損金屬及污染元素硅,通過(guò)其數(shù)值變化,可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損狀況,同時(shí)了解在用油品的潤(rùn)滑性能變化情況。

圖1是試驗(yàn)油品的磨損金屬和污染元素含量變化。從圖1可以看出,CF-4 15W-40柴油機(jī)油在1000 h(每隔250 h更換柴油機(jī)油,故1000 h考核時(shí)間可分為四個(gè)階段,即四個(gè)試驗(yàn)段,其油樣結(jié)果分析亦可按四個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行,以下類同)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,其油樣中磨損金屬含量的變化隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)了緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),但卻保持在一個(gè)較低的水平上,大多未超出參考指標(biāo)(Fe:正常水平≤150 μg/g,危險(xiǎn)水平>500 μg/g;Cu:正常水平≤30 μg/g,危險(xiǎn)水平>75 μg/g;Al:正常水平≤20 μg/g,危險(xiǎn)水平>60 μg/g;Si:正常水平≤25 μg/g,危險(xiǎn)水平>100 μg/g;Pb:正常水平≤30 μg/g)中規(guī)定的正常水平范圍,也未達(dá)到GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》規(guī)定的換油要求(當(dāng)Fe含量>150 μg/g時(shí));但同時(shí)我們還注意到,在第一階段250 h的試驗(yàn)時(shí)間里,Cu的磨損超出了參考指標(biāo)正常水平范圍,這主要是由于裝配不當(dāng)所致,與潤(rùn)滑油無(wú)關(guān)。上述情況表明了CF-4 15W-40柴油機(jī)油的抗磨性能、潤(rùn)滑性能良好。

(2)油品的氧化衰變情況分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,燃燒廢氣中的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫及鹵化物等物質(zhì),在一定條件下可反應(yīng)生成氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì),這些物質(zhì)的存在可導(dǎo)致機(jī)件腐蝕、磨損等現(xiàn)象,故而對(duì)油品的使用造成負(fù)面影響,而發(fā)動(dòng)機(jī)油中的添加劑可以減緩或終止這類反應(yīng),抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì)的生成,因此,利用紅外光譜監(jiān)控油品氧化值、硝化值及硫化值的變化,可以反映油品的氧化衰變狀況,間接掌握油品中添加劑的消耗情況。

目前,我國(guó)沒(méi)有關(guān)于利用紅外光譜法監(jiān)控在用油品的氧化值、硝化值及硫化值作出極限規(guī)定,根據(jù)有關(guān)資料的介紹和以往試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值,此三項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)控測(cè)試值,柴油車一般控制在0.25 A/0.1 mm以下,超過(guò)此經(jīng)驗(yàn)值,則表示在用油品的氧化衰變情況達(dá)到一定程度,結(jié)合其他監(jiān)控指標(biāo)的變化情況,應(yīng)予以換油。本文采用了熱電公司的A370種紅外光譜儀對(duì)試驗(yàn)油樣進(jìn)行了監(jiān)控分析。

圖2是試驗(yàn)油品的紅外光譜數(shù)據(jù)變化圖。從圖2可知,試驗(yàn)油品的氧化值、硝化值及硫化值變化情況正常,均未達(dá)到換油要求的經(jīng)驗(yàn)值0.25 A/0.1mm,這表明油品的抗氧化安定性能良好。

(3)油品常規(guī)理化性能分析

油品常規(guī)理化性能分析項(xiàng)目主要有油品100 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、閃點(diǎn)、酸值增加、堿值下降、正戊烷不溶物及水分等,從分析結(jié)果看,CF-4 15W-40柴油機(jī)油在使用過(guò)程中,其理化性能指標(biāo)未達(dá)到GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》規(guī)定的換油要求,數(shù)值變化均在正常范圍內(nèi),這表明該油品的使用性能穩(wěn)定、良好。其具體分析結(jié)果如下:

①100 ℃運(yùn)動(dòng)粘度

油品運(yùn)動(dòng)粘度的變化趨勢(shì)是反映油品實(shí)際使用效能的重要理化指標(biāo)之一。油品在實(shí)際使用過(guò)程中的抗剪切、抗高溫氧化性能主要通過(guò)其粘度變化程度來(lái)表征,粘度的變化趨勢(shì)通常是先降低再升高,這主要是因?yàn)閯偸褂玫男掠陀捎谑馨l(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的剪切作用,使油品中的粘度指數(shù)改進(jìn)劑由大分子剪切成小分子,致使油品粘度明顯下降,其后,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用小時(shí)數(shù)的不斷增加,油品本身發(fā)生氧化并生成大分子膠質(zhì),再加上磨損金屬和燃燒積炭的作用,使油品粘度緩慢回升,當(dāng)油品粘度升高到一定程度時(shí),將導(dǎo)致潤(rùn)滑不良現(xiàn)象發(fā)生,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生事故的可能性增大。

圖3是被試油品100 ℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率圖。從圖3可看出,試驗(yàn)油品在使用中的粘度變化均呈現(xiàn)出了逐漸上升的規(guī)律,這說(shuō)明試驗(yàn)油品中含有的可以引起粘度增加的氧化產(chǎn)物和不溶物等物質(zhì),但其對(duì)油品的使用性能影響不大,油品的使用性能良好,此外我們注意到,所有試驗(yàn)油品的粘度變化值均未達(dá)到GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中規(guī)定的油品粘度變化超過(guò)新油粘度±25%的換油要求,這充分說(shuō)明了該油品具有良好的使用性能,其抗剪切、抗高溫氧化性能優(yōu)異。

②堿值

油品堿值來(lái)源于油品中的堿性添加劑,其變化預(yù)示了油品的堿儲(chǔ)備能力,表明了油品添加劑體系中某些有效組分的下降或耗盡情況,同時(shí)也反映了油品清凈分散能力的衰變程度。

油品在使用中,由于其堿性添加劑要中和氧化及受燃燒廢氣影響而產(chǎn)出的酸性物質(zhì),從而使堿性物質(zhì)損耗,致使油品的堿值下降,GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中規(guī)定,當(dāng)在用油堿值低于新油堿值50%時(shí),應(yīng)該換油,否則,有可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件產(chǎn)生腐蝕、磨損等負(fù)面影響。

圖4是試驗(yàn)油品的堿值下降率變化圖,從圖中可以看出,試驗(yàn)油品的堿值隨使用時(shí)間的延長(zhǎng),呈緩慢下降趨勢(shì),但堿值下降程度均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換油要求,這表明該油品具有良好的堿儲(chǔ)備度。

③酸值

油品酸值變化源于油品在使用中高溫氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物及燃燒產(chǎn)生的部分酸性物質(zhì),這些物質(zhì)的存在表現(xiàn)為油品酸值增大。發(fā)動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)期試驗(yàn)過(guò)程中,油品總酸值變化預(yù)示著其氧化衰變的程度,油品在使用過(guò)程中由于氧化物、硝化物和硫化物等酸性物質(zhì)的增加,使油品的酸值逐漸增大,這不僅會(huì)造成機(jī)械腐蝕,同時(shí)還會(huì)促進(jìn)柴油機(jī)油的變質(zhì),生成油泥,增加機(jī)械的磨損,因此,通過(guò)酸值的變化程度可以判斷油品在使用中的變質(zhì)程度。GB/T 7607-2002《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中規(guī)定,當(dāng)油品的酸值增值大于2.0 mgKOH/g時(shí)就應(yīng)該換油,否則,會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的使用帶來(lái)負(fù)面影響。

圖5是試驗(yàn)油品的酸值增值變化圖,從圖中可以看出,試驗(yàn)油品的酸值隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),呈現(xiàn)了緩慢增加的趨勢(shì),但增勢(shì)緩慢,酸值增值均小于2.0 mgKOH/g。

④正戊烷不溶物、閃點(diǎn)和水分

在用油中的正戊烷不溶物主要包括機(jī)油的氧化、硝化產(chǎn)物、部分添加劑的分解產(chǎn)物、煙炱、外界帶入的塵土以及磨損的金屬微粒,主要是反映油品氧化變質(zhì)、添加劑消耗及油品污染程度。閃點(diǎn)指標(biāo)是對(duì)在用油液實(shí)施監(jiān)控的一項(xiàng)重要指標(biāo),閃點(diǎn)的變化可以反映油品的燃油稀釋程度和輕組分揮發(fā)程度,進(jìn)而可作為判斷發(fā)動(dòng)機(jī)密封狀況和磨損程度的依據(jù),是內(nèi)燃機(jī)油在使用中的一項(xiàng)安全指標(biāo)。水分主要由于缸套滲漏、油品溫度升高產(chǎn)生的水蒸氣汽化后以及燃料燃燒產(chǎn)生的水分,水分的存在會(huì)使油品乳化、破壞潤(rùn)滑油形成的油膜,使?jié)櫥Ч儾?油品氧化變質(zhì)并且粘度增加,流動(dòng)性變差,粘溫性能變壞;添加劑水解;加速有機(jī)酸對(duì)金屬的腐蝕作用,銹蝕設(shè)備,使油品容易產(chǎn)生沉渣。

表4是試驗(yàn)油品的正戊烷不溶物、閃點(diǎn)和水分變化表,從表4可以看出,這三項(xiàng)指標(biāo)的變化都不大,都在GB/T 7607-2002規(guī)定的換油指標(biāo)之內(nèi),說(shuō)明該油品在發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行的工況良好,未發(fā)生燃油稀釋等情況。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)在耐久性考核試驗(yàn)過(guò)程中共測(cè)試外特性三次,即考核試驗(yàn)開(kāi)始前、500 h試驗(yàn)結(jié)束、1000 h試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各一次。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:試驗(yàn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)功率下降率為2.2%,滿足功率下降小于4%的要求。燃油消耗率沒(méi)有上升,符合試驗(yàn)大綱規(guī)定的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)技術(shù)要求。最高燃燒壓力為14.2 MPa,滿足最高燃燒壓力小于15 MPa的性能指標(biāo)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)排溫正常,各項(xiàng)參數(shù)變化均在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線見(jiàn)圖6～圖8所示。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)分解鑒定

(1)外觀檢查

①曲軸箱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣缸蓋等主要緊固件各部結(jié)合面上未發(fā)現(xiàn)裂紋、麻坑、深劃道、重擦傷、金屬粘合現(xiàn)象。

②各主要部件,如曲軸軸頸、缸套、瓦片、止推片、氣門(mén)、凸輪軸等工作表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕、深劃道和擦傷等缺陷,顏色正常,鍍覆層完整。

③油底殼清潔、干凈。

④活塞經(jīng)過(guò)1000 h考核后,燃燒室沒(méi)有任何燒蝕和異常損壞痕跡,活塞頭部環(huán)岸附近有較重的積炭,但均未發(fā)現(xiàn)裂紋、耐磨鑲?cè)ν钩觥g和表面拉傷等現(xiàn)象,總體狀態(tài)良好,仍然可以繼續(xù)使用。

⑤增壓器壓氣機(jī)葉片因鑄造缺陷,有碎裂現(xiàn)象。

(2)磨損

試驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)分解鑒定,并對(duì)主要運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行了精密測(cè)量,未見(jiàn)運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生異常磨損現(xiàn)象,磨損量較小,所有零部件均有繼續(xù)工作的能力。部分零部件檢測(cè)情況如圖9～圖10所示。

3 結(jié)論

CF-4 15W-40柴油機(jī)油在HC4132UPS發(fā)動(dòng)機(jī)上經(jīng)過(guò)1000 h的耐久性考核試驗(yàn),經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)后油品的磨損金屬含量、氧化衰變情況以及理化性能分析,各項(xiàng)指標(biāo)變化基本都不大,表明該油品具有優(yōu)良的抗氧化性、清凈性、抗磨性及潤(rùn)滑性;發(fā)動(dòng)機(jī)拆檢結(jié)果顯示,各零部件外觀正常,運(yùn)動(dòng)件磨損正常,各項(xiàng)參數(shù)符合技術(shù)條件的要求。綜上所述,CF-4 15W-40柴油機(jī)油可滿足HC4132UPS型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊杰丹,張建國(guó),彤云鵬.重負(fù)荷柴油機(jī)潤(rùn)滑油技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程,1999(2):10-15.

[2] GB/T 7607-2002,柴油機(jī)油換油指標(biāo)[S].

收稿日期:2009-02-26。

作者簡(jiǎn)介:徐金龍(1976-),工程師,2002年畢業(yè)于北京化工大學(xué)催化專業(yè),主要從事潤(rùn)滑油品的論證、研制及應(yīng)用研究工作,已公開(kāi)發(fā)表論文數(shù)篇。