魏新宇 李湛 夏沖 王佳源 李梅花 徐珊
東風(fēng)嘉實(shí)多油品有限公司
選用低灰分的東風(fēng)嘉實(shí)多CK-4 15W-40柴油機(jī)油在東風(fēng)天龍牽引自卸車(chē)上進(jìn)行了60 000 km不換機(jī)油實(shí)車(chē)路試試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)機(jī)油的各項(xiàng)理化性能進(jìn)行了全過(guò)程的跟蹤監(jiān)測(cè)。行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)機(jī)油具有良好的黏度保持性能、堿值保持能力、高溫抗氧化能力、高溫清凈性能、抗磨保護(hù)性能,完全滿(mǎn)足復(fù)雜苛刻路況下國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的重負(fù)荷牽引自卸車(chē)的潤(rùn)滑需求。
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛,各省陸續(xù)出臺(tái)了國(guó)六排放實(shí)施的具體時(shí)間,國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)將分為A與B兩個(gè)階段。柴油車(chē)輛國(guó)六A將會(huì)在2020年7月正式執(zhí)行,而國(guó)六B將會(huì)在2023年7月正式執(zhí)行。為了滿(mǎn)足國(guó)六 A/B階段的排放標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)各大OEM(原始設(shè)備制造商)的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用渦輪增壓中冷、直噴、電控、高壓共軌等先進(jìn)技術(shù),同時(shí)采用EGR(廢氣再循環(huán))、SCR(選擇性催化還原)、DPF(顆粒物捕集器)等后處理技術(shù)。這些技術(shù)大大提高了柴油機(jī)的綜合性能,但對(duì)潤(rùn)滑油的要求也進(jìn)一步提高,即要求改善柴油機(jī)油的高溫清凈性能,減少由于煙炱造成的柴油機(jī)油黏度增加,減少發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損[1];同時(shí)DPF(顆粒物捕集器)在未來(lái)國(guó)六排放車(chē)型中廣泛應(yīng)用,柴油機(jī)油會(huì)逐步向低SAPS(低灰、低硫、低磷)方向發(fā)展。
CK-4柴油機(jī)油規(guī)格是API(美國(guó)石油學(xué)會(huì))的最新一代柴油機(jī)油規(guī)格。由于選用低SAPS配方,不僅滿(mǎn)足采用了EGR、SCR等后處理技術(shù)的柴油機(jī)用油需求,而且可以適用于未來(lái)廣泛配置DPF的國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)用油需求。目前國(guó)內(nèi)國(guó)六重負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)普遍在開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證階段,因此本次油品驗(yàn)證選用了裝載東風(fēng)風(fēng)神國(guó)五dci11發(fā)動(dòng)機(jī)的東風(fēng)天龍牽引自卸車(chē),在山區(qū)礦場(chǎng)、山區(qū)道路、鄉(xiāng)村道路、高速公路等復(fù)雜工況下進(jìn)行路試應(yīng)用研究。
試驗(yàn)車(chē)輛為5輛車(chē)況相似、滿(mǎn)足國(guó)五排放要求的大馬力重負(fù)荷牽引自卸車(chē),行駛里程在80 000~120 000 km之間,車(chē)輛運(yùn)轉(zhuǎn)良好,發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)大修且零部件密封良好,未出現(xiàn)滲油、漏油現(xiàn)象。試驗(yàn)車(chē)輛運(yùn)行工況為山區(qū)礦山砂石運(yùn)輸,運(yùn)輸載荷大,運(yùn)行環(huán)境差,粉塵污染嚴(yán)重。5輛試驗(yàn)車(chē)輛參數(shù)及使用情況見(jiàn)表1。
為了確保試驗(yàn)條件的一致性,使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的參考意義,試驗(yàn)機(jī)油為同一生產(chǎn)批號(hào)的東風(fēng)嘉實(shí)多油品有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的CK-4 15W-40柴油機(jī)油,油品質(zhì)量指標(biāo)及新油理化性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
考慮到以往東風(fēng)車(chē)型路試發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油酸、堿值(舊油測(cè)定值變化曲線(xiàn))出現(xiàn)交叉的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)路試車(chē)輛用柴油進(jìn)行檢測(cè),出現(xiàn)此問(wèn)題的主要原因是車(chē)輛使用地方劣質(zhì)柴油[2]。因此本次試驗(yàn)用柴油為參與路試的物流公司定點(diǎn)國(guó)內(nèi)知名品牌的加油站提供的-10號(hào)車(chē)用柴油,車(chē)隊(duì)在該加油站加注的-10號(hào)車(chē)用柴油理化性質(zhì)典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表1 試驗(yàn)車(chē)輛參數(shù)及使用情況
表2 試驗(yàn)機(jī)油理化典型指標(biāo)
試驗(yàn)開(kāi)始前,將5臺(tái)試驗(yàn)車(chē)輛移至服務(wù)站水平地面,在舊機(jī)油熱的狀態(tài)下,從油底殼放油塞處放凈發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的舊機(jī)油,同時(shí)更換機(jī)濾、油濾、空濾,再用試驗(yàn)機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗。清洗過(guò)程為發(fā)動(dòng)機(jī)更換試驗(yàn)機(jī)油后,怠速運(yùn)轉(zhuǎn)20 min,然后放凈清洗油并再次更換機(jī)油濾清器。清洗完畢后加入新的試驗(yàn)用油(東風(fēng)嘉實(shí)多CK-4 15W-40柴油機(jī)油)至機(jī)油標(biāo)尺上限,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行5 min,再補(bǔ)加新油至標(biāo)尺上限,同時(shí)記錄加入機(jī)油總量和車(chē)輛的行駛里程數(shù),開(kāi)始行車(chē)試驗(yàn)。
首次取樣為里程為0 km,每隔10 000 km取樣一次,總試驗(yàn)里程要求不少于60 000 km,每次取樣150 mL,每次取樣后適當(dāng)補(bǔ)加新油。
由于目前我國(guó)還沒(méi)有出臺(tái)CK-4等級(jí)的柴油機(jī)油換油指標(biāo),本次路試試驗(yàn)部分指標(biāo)選擇GB/T7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中的CH-4柴油機(jī)油換油指標(biāo)進(jìn)行輔助分析判斷,具體見(jiàn)表4。
運(yùn)動(dòng)黏度是發(fā)動(dòng)機(jī)油潤(rùn)滑性能的重要指標(biāo)。不論運(yùn)動(dòng)黏度的過(guò)度上升或下降,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)均產(chǎn)生不利影響:一方面,若運(yùn)動(dòng)黏度增長(zhǎng)過(guò)大,則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗升高;另一方面,若運(yùn)動(dòng)黏度下降幅度過(guò)大,則導(dǎo)致油壓低,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)力,且密封性和油膜承載力均會(huì)變差,惡劣情況下導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)磨損嚴(yán)重[3]。影響發(fā)動(dòng)機(jī)油在使用過(guò)程中的黏度特性的因素有很多,如蒸發(fā)損失、聚合物熱裂解和降解、油品氧化縮合變稠、油品對(duì)煙炱和油泥的分散、燃油稀釋等[4]。
試驗(yàn)油品100℃運(yùn)動(dòng)黏度變化見(jiàn)圖1。
由圖1可見(jiàn),在試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在20 000 km前出現(xiàn)緩慢下降。這主要是因?yàn)闄C(jī)油受到發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的剪切作用,使機(jī)油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑由大分子剪切成小分子導(dǎo)致的,之后運(yùn)動(dòng)黏度變化趨于穩(wěn)定,且在試驗(yàn)后期未見(jiàn)快速增長(zhǎng)。試驗(yàn)油品中,100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率最大為4.71%,遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)黏度變化率變化限值(不超過(guò)±20%),說(shuō)明油品氧化和煙炱引起的黏度增長(zhǎng)很少,試驗(yàn)油品表現(xiàn)出優(yōu)秀的黏度保持性能。
發(fā)動(dòng)機(jī)油的氧化是導(dǎo)致其衰變失效的重要原因。由于潤(rùn)滑油為碳?xì)浠衔?,在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫下與空氣及燃燒產(chǎn)物作用產(chǎn)生氧化反應(yīng)生成醛、酮、有機(jī)酸等中間產(chǎn)物,而氧化中間產(chǎn)物又進(jìn)一步氧化縮合生成大分子膠質(zhì)和瀝青質(zhì)物質(zhì)從而使油品黏度增大[5]。通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的氧化值可以監(jiān)測(cè)機(jī)油的老化衰敗情況。
表3 定點(diǎn)加油站-10號(hào)車(chē)用柴油(國(guó)V)技術(shù)要求和典型數(shù)據(jù)
表4 GB/T 7607—2010中CH-4柴油機(jī)油換油指標(biāo)
圖1 試驗(yàn)油品100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)
試驗(yàn)油品氧化值變化見(jiàn)圖2。
由圖2可見(jiàn),隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,5輛車(chē)的氧化值均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì),與運(yùn)動(dòng)黏度變化規(guī)律一致,說(shuō)明機(jī)油可以有效抑制自身氧化衰敗。
堿值及堿值保持能力是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)油清凈性能的重要指標(biāo)。通常發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值越高,其中和機(jī)油氧化和燃料燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)的能力越強(qiáng);同時(shí)堿值一般為機(jī)油添加劑中的清凈劑提供的,因此發(fā)動(dòng)機(jī)油的堿值保持能力越好,其越能確保在使用后期具有足夠的清凈性能,避免因堿值消耗過(guò)大而造成清凈性能不足。
酸值主要用于檢測(cè)油品中某些功能添加劑的消耗情況及油品的老化程度。油品在使用過(guò)程中受到溫度、水分或其他因素的影響,會(huì)逐漸老化變質(zhì)。隨著油品老化程度增加,產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì),使油品酸值增加;較大量的酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕,并在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品的老化狀況,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行[6]。
試驗(yàn)油品總堿值和總酸值變化見(jiàn)圖3。
圖2 試驗(yàn)油品氧化值變化趨勢(shì)
圖3 試驗(yàn)油品總堿值與總酸值變化趨勢(shì)
由圖3可見(jiàn),隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,總堿值呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì),總酸值呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。由前面分析可知機(jī)油的氧化值增加較緩慢,因此總堿值下降主要是柴油燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)與油品中和導(dǎo)致的,同時(shí)機(jī)油自身高溫氧化也會(huì)產(chǎn)生少量酸性物質(zhì),使總堿值降低和總酸值升高。試驗(yàn)油品中總堿值最大下降至5.9 mgKOH/g,降幅為31%,遠(yuǎn)小于 GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)堿值變化率變化限值(>50%);總酸值最大增長(zhǎng)量為1.7 mgKOH/g,增幅為GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)總酸值變化上限的68%。這說(shuō)明試驗(yàn)油品具有較好的堿值保持性能和酸中和能力。
煙炱即通常說(shuō)的煙灰,其成分比較復(fù)雜,主要是燃油和竄入燃燒室的機(jī)油在貧氧下經(jīng)不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的。當(dāng)煙炱粒子增加到一定程度時(shí),由于范德瓦爾斯力的影響,煙炱粒子發(fā)生積聚,與氧化形成的膠質(zhì)凝聚成高黏度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)狀物極其脆弱,易斷裂,它們改變了油品的流動(dòng)性,從而引起潤(rùn)滑油黏度過(guò)快增長(zhǎng)。如果機(jī)油不能有效分散機(jī)油中的煙炱,機(jī)油便無(wú)法形成完整連續(xù)的油膜,不能起到很好的潤(rùn)滑作用,導(dǎo)致磨損加劇,同時(shí)過(guò)多的煙炱聚集還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油路堵塞、氣門(mén)卡死等故障。東風(fēng)風(fēng)神dci11國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用了延遲噴射點(diǎn)火技術(shù),降低了燃燒溫度從而減少NOx(氮氧化物)的排放,但也加劇了柴油不完全燃燒,產(chǎn)生更多的煙炱,因此需要機(jī)油具有更好的煙炱處理能力。
試驗(yàn)油品煙炱含量變化見(jiàn)圖4。
由圖4可見(jiàn),隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,5輛車(chē)的煙炱含量均呈現(xiàn)累積上升的趨勢(shì),試驗(yàn)油品中煙炱含量最高達(dá)到了0.43%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),但機(jī)油黏度未見(jiàn)明顯升高,說(shuō)明機(jī)油可以有效分散燃燒產(chǎn)生的煙炱,防止煙炱富集引起的機(jī)油黏度增長(zhǎng)。
機(jī)油的閃點(diǎn)主要反映的機(jī)油被燃料污染的程度。如果機(jī)油閃點(diǎn)明顯下降,說(shuō)明機(jī)油被燃料稀釋較嚴(yán)重,需要及時(shí)更換油品并檢修發(fā)動(dòng)機(jī)。
試驗(yàn)油品閃點(diǎn)變化見(jiàn)圖5。
由圖5可見(jiàn),整個(gè)行車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)油閃點(diǎn)(閉口)未發(fā)生明顯變化,均保持在210~220 ℃,未超過(guò)GB/T 7607—2010 《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)的閃點(diǎn)(閉口)變化限值(<130 ℃),說(shuō)明本次試驗(yàn)車(chē)輛狀況良好,未出現(xiàn)異常的燃油稀釋情況。
機(jī)油中水分主要來(lái)自于燃燒室燃燒產(chǎn)生的水汽,缸套老化或散熱器銹蝕會(huì)引起機(jī)油水分異常升高。機(jī)油中過(guò)量水的存在會(huì)破壞機(jī)油油膜強(qiáng)度,造成機(jī)油添加劑分解失效,加快發(fā)動(dòng)機(jī)零部件腐蝕。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較高,因此燃燒產(chǎn)生的水分大部分被蒸發(fā),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)危害不大。
試驗(yàn)油品水分變化見(jiàn)圖6。
由圖6可見(jiàn),試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)油中水分一直處于痕跡狀態(tài),小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)水分變化限值(>0.20%),說(shuō)明機(jī)油受到到水分污染,同時(shí)也反映發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)工作狀況良好。
圖4 試驗(yàn)油品煙炱含量變化趨勢(shì)
圖5 試驗(yàn)油品閃點(diǎn)變化趨勢(shì)
圖6 試驗(yàn)油品水分含量變化趨勢(shì)
正戊烷不溶物是潤(rùn)滑油氧化產(chǎn)物、添加劑分解產(chǎn)物、發(fā)動(dòng)機(jī)金屬磨粒和灰塵及積炭的綜合。主要反映潤(rùn)滑油氧化變質(zhì)和受污染的程度。
試驗(yàn)油品正戊烷不溶物變化見(jiàn)圖7。
由圖7可見(jiàn),試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)油中正戊烷不溶物一直處于緩慢上升的狀態(tài),試驗(yàn)油品中正戊烷不溶物含量最高達(dá)到了0.39%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)正戊烷不溶物變化限值(>2.0%),說(shuō)明機(jī)油性能穩(wěn)定,氧化衰變緩慢。
在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,零部件摩擦副的磨損不可避免,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)元素含量變化的檢測(cè)是掌握發(fā)動(dòng)機(jī)磨損情況的有效方法。機(jī)油中的磨損元素主要有Fe、Pb、Cu、Al、Cr等。從磨損元素的來(lái)源上分析,F(xiàn)e、Cr、Al主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、活塞、活塞環(huán)、閥系,Cu、Pb元素主要來(lái)源與發(fā)動(dòng)機(jī)軸承和軸瓦。
試驗(yàn)油品磨損元素變化見(jiàn)圖8~圖10。
由圖8~圖10可見(jiàn),整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,各主要磨損元素呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),但磨損元素含量始終處于較低水平,試驗(yàn)油品中磨損元素Fe最高達(dá)到了42 mg/kg,磨損元素Cu最高達(dá)到了31 mg/kg,磨損元素Pb最高達(dá)到了10 mg/kg,其他磨損元素均低于10 mg/kg。從結(jié)果來(lái)看,磨損元素遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)的磨損元素變化限值,說(shuō)明機(jī)油具有非常好的抗磨損性能。
圖7 試驗(yàn)油品正戊烷不溶物含量變化趨勢(shì)
圖8 試驗(yàn)油品磨損元素Fe含量變化趨勢(shì)
圖9 試驗(yàn)油品磨損元素Cu含量變化趨勢(shì)
硅元素來(lái)源主要與汽車(chē)工作環(huán)境中的砂石、塵土以及外界異物產(chǎn)生的磨損,如果發(fā)動(dòng)機(jī)油中硅元素過(guò)多,會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨料磨損。
試驗(yàn)油品磨損元素變化見(jiàn)圖11。
由圖11可見(jiàn),整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,由于路試車(chē)輛主要為山區(qū)礦場(chǎng),風(fēng)沙和塵土較多,因此硅元素呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì),且Si元素含量均已超過(guò)GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)Si元素變化限值(>30 mg/kg)。試驗(yàn)油品中Si元素最高達(dá)到了79 mg/kg,但各磨損元素始終處于較低水平,說(shuō)明即使在Si元素含量超標(biāo)的情況下,試驗(yàn)機(jī)油依然可以提供足夠的油膜潤(rùn)滑和抗磨保護(hù)。
行車(chē)試驗(yàn)結(jié)束后選取1號(hào)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)拆解檢查,主要摩擦副和零部件外觀(guān)見(jiàn)圖12~圖18。經(jīng)過(guò)拆機(jī)檢查,發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)壁、活塞環(huán)、曲軸、軸瓦表面狀態(tài)良好,無(wú)異常磨損和劃傷;活塞沉積物較少,無(wú)黏環(huán)現(xiàn)象;油底殼和側(cè)擋板油泥較少。說(shuō)明試驗(yàn)機(jī)油在60 000 km路試試驗(yàn)中具有較好的抗磨保護(hù)性能、高溫清凈性能和抗油泥性能。
試驗(yàn)用CK-4 15W-40柴油機(jī)油在重載荷、多灰塵礦區(qū)及復(fù)雜路況條件下,搭載5輛東風(fēng)天龍牽引自卸車(chē)完成了大于60 000 km的路試試驗(yàn)。機(jī)油舊油取樣理化分析和發(fā)動(dòng)機(jī)拆檢結(jié)果表明,試驗(yàn)油品最終各主要理化指標(biāo)(除硅元素含量)優(yōu)于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo),表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨保護(hù)、抗氧化、堿值保持、黏度保持、煙炱處理、高溫清凈和抗油泥等性能,為5臺(tái)試驗(yàn)車(chē)輛提供了良好的潤(rùn)滑保護(hù)。
圖10 試驗(yàn)油品磨損元素Pb含量變化趨勢(shì)
圖11 試驗(yàn)油品污染元素Si含量變化趨勢(shì)
圖12 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)壁外觀(guān)
圖13 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)外觀(guān)
圖14 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞外觀(guān)
圖15 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸瓦外觀(guān)
圖16 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸外觀(guān)
圖17 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)擋板內(nèi)部外觀(guān)
圖18 1號(hào)試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)部外觀(guān)