楊繩政，葉小娟，鄧冰，梁安德，陳柳安

(廣西北海玉柴馬石油高級潤滑油有限公司，廣西 北海 536000)

0 引言

2020年7月1日我國開始實施更為苛刻的國六排放法規(guī)[1]。采用新的WHSC、WHTC、WNTE測試循環(huán),并且增加海拔排放要求；而對于三階段油耗法規(guī)總體節(jié)能目標(biāo)是要在2020年實現(xiàn)比2015年燃料消耗量限值嚴(yán)苛約15%[2-3]。新的排放法規(guī)和節(jié)能降耗推動著發(fā)動機(jī)技術(shù)不斷更新?lián)Q代，國六發(fā)動機(jī)多種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)特征，以及發(fā)動機(jī)的實際運(yùn)行工況，綜合影響了整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，給潤滑油帶來更嚴(yán)苛挑戰(zhàn)[4-5]。

首先活塞技術(shù)革新對機(jī)油產(chǎn)生重要的影響，國六重型發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計發(fā)展趨勢傾向于使用一體式的鋼活塞；活塞環(huán)、缸套采用新的設(shè)計和采用新的材料涂層發(fā)展方向，目的是降低摩擦同時保證發(fā)動機(jī)耐久性，保證竄氣量；活塞環(huán)與缸套表面采用新材料涂層,要求考慮與潤滑油兼容性問題,以及這些涂層與潤滑油中的表面活性劑之間相互作用，都會影響潤滑油在接觸表面停留的時間，從而導(dǎo)致沉積物形成和磨損增加，同時也增加了潤滑油在燃燒產(chǎn)物的暴露,這些變化會要求潤滑油機(jī)油很強(qiáng)的抗氧化性、分散性。熱管理控制技術(shù)是國六排放達(dá)標(biāo)非常關(guān)鍵的技術(shù)，是SCR和DPF充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[6-7]。需要關(guān)注整個循環(huán)的熱量生成情況，以及高溫如何管理，涉及到暖機(jī)的策略，機(jī)油的溫度以及各個潤滑油部件的局部溫度，由于機(jī)油處于高溫的時間變長，所以氧化的程度會增加。柴油機(jī)燃燒技術(shù)的改進(jìn)將會對潤滑油產(chǎn)生非常明顯的影響，最普遍的問題就是研究燃燒產(chǎn)物對潤滑油的影響特別是EGR系統(tǒng)，另外煙炱/NOX與潤滑油之間的相互作用也非常關(guān)鍵，潤滑油將面臨煙炱處理能力、渦輪增壓器沉積物的挑戰(zhàn)以及后噴射帶來的燃油稀釋問題。后處理系統(tǒng)技術(shù)變化,包括采用EGR以及DPF技術(shù)[8-9]，以及排放的測試循環(huán)的變化,不僅造成技術(shù)成本的增加,同時潤滑油面臨挑戰(zhàn),如潤滑油中的硫、磷對催化劑中毒；后處理控制造成燃油稀釋,對潤滑油功能性產(chǎn)生影響[10]。

無論是要求滿足新的國六排放法規(guī)還是燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，都離不開與國六發(fā)動機(jī)技術(shù)相配套的高品質(zhì)高規(guī)格的符合國六發(fā)動機(jī)的潤滑油。優(yōu)秀國六潤滑油可減少發(fā)動機(jī)活塞沉積物和摩擦副磨損，使發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)發(fā)揮正常功能并長期保持較低的排放水平，與后處理設(shè)備兼容的潤滑油可防止DPF堵塞，保持DOC等有催化劑覆蓋層有效活性，使得整個車輛使用壽命中持續(xù)有效地降低排放。在此基礎(chǔ)上降低潤滑油黏度，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，兼顧機(jī)油的保護(hù)性能。新的國六潤滑油也面臨新的挑戰(zhàn)，那就是在提供燃油經(jīng)濟(jì)性的同時在嚴(yán)苛的工況環(huán)境和延長換油周期(ODI)下對硬件提供充分保護(hù)。國內(nèi)市場的潤滑油正在迅速向低黏度方向發(fā)展，長換油周期和更低黏度，都意味著必須提升潤滑油的保護(hù)能力[11-12]。

玉柴馬石油技術(shù)研發(fā)中心在通過配方設(shè)計，理化試驗，模擬試驗手段進(jìn)行國六機(jī)油的驗證，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)提高國六油品方案的抗氧化性和分散性能，依托玉柴工程院摩擦與潤滑研究所進(jìn)行500～3000 h不同時長的臺架可靠性考察，研制出新一代低灰分長壽命的CK-4 10W-40機(jī)油。為了進(jìn)一步考察新一代國六CK-4 10W-40產(chǎn)品在行車上的表現(xiàn)，我們采用3輛東風(fēng)柳汽乘龍H7配套國六發(fā)動機(jī)的牽引車，裝載玉柴馬石油國六CK-4 10W-40開展行車試驗，確定該油品在新的國六發(fā)動機(jī)上的換油期。

1 試驗概述

為了驗證玉柴馬石油國六CK-4 10W-40油品在東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上能否滿足10萬公里換油周期的要求。本試驗在3輛裝載玉柴機(jī)器國六YCK13600-60發(fā)動機(jī)的東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上，裝配華源專制長效機(jī)油濾清器，以及柴油濾清器，空氣濾清器，使用玉柴馬石油國六CK-4 10W-40機(jī)油，按照試驗里程富余20%原則，開展12萬公里行車試驗，檢驗油品能否滿足10萬公里換油要求。試驗期間收集油品，重點(diǎn)監(jiān)測油品的運(yùn)動黏度、燃油稀釋、酸值、堿值、金屬元素以及斑點(diǎn)等指標(biāo)，反映油品的性能變化情況和發(fā)動機(jī)內(nèi)部磨損情況。

1.1 試驗車輛

試驗車輛選用深圳千里通物流有限公司運(yùn)營的3輛東風(fēng)柳汽乘龍H7系列牽引車，蘇州往返深圳的高速公路，車輛從事負(fù)載約35 t的電子產(chǎn)品業(yè)務(wù)，發(fā)動機(jī)型號YCK13600-60國六柴油發(fā)動機(jī)。試驗車輛具體信息見表1。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.2 試驗用油

本次試驗油品采用玉柴馬石油開發(fā)的國六CK-4 10W-40機(jī)油，其理化數(shù)據(jù)見表2。

表2 CK-4 10W-40理化數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

1.3 試驗方案

首先用XLLV視頻內(nèi)窺鏡檢查發(fā)動機(jī)的燃燒室以及缸壁清潔程度，檢查燃油噴嘴情況，取原車的舊油150 mL檢測作分析掌握車輛前期運(yùn)行狀況。然后對試驗發(fā)動機(jī)的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行徹底清洗兩次，每次30 min，從油底殼取出放油塞，將油排空(15 min)。兩次清洗結(jié)束后，更換機(jī)濾、柴油濾清器和空氣濾芯，將試驗油品按油底殼大小加入發(fā)動機(jī)中，加油過程要求瓶口等部位清潔干凈。發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)行30 min后，取出150 mL的樣品作為0 km油樣，用油尺檢查油底殼液位是否達(dá)到上刻線。監(jiān)控試驗車輛運(yùn)行里程，按照試驗采樣里程計劃進(jìn)行采集樣品。若車輛需額外補(bǔ)加油，應(yīng)記錄補(bǔ)油的里程和補(bǔ)油量。采樣要求在車輛停止運(yùn)行20 min內(nèi)完成，如果車輛停止超過20 min，需要啟動發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)行15 min后再進(jìn)行采樣，采集定量樣品，貼好試驗標(biāo)簽，做好標(biāo)識記錄，油品寄送玉柴馬石油南寧研發(fā)中心檢測和分析。

1.4 試驗方法

油品的運(yùn)動黏度、酸值、堿值、金屬元素指標(biāo)以及斑點(diǎn)檢測方法見表3。

表3 試驗方法

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)動黏度

運(yùn)動黏度是油品關(guān)鍵指標(biāo)之一，反映油品流動過程中內(nèi)部分子剪切力的大小。油品運(yùn)動黏度小，一方面有利于發(fā)動機(jī)的節(jié)約能耗，另一方面太小導(dǎo)致油膜形成不良，強(qiáng)度下降，零部件磨損增大；運(yùn)動黏度過大，油品的油膜強(qiáng)度大可以為發(fā)動機(jī)部件提供更好承載保護(hù)，尤其在軸瓦部位形成油楔子，防止發(fā)動機(jī)部件磨損，但運(yùn)動黏度過大，卻會影響油品的低溫泵送速度，在低溫冷啟動狀態(tài)，發(fā)動機(jī)不能及時將潤滑油泵送到需要潤滑的發(fā)動機(jī)部位，造成低溫冷啟動異常磨損。機(jī)油運(yùn)動黏度會隨著使用過程而增大或者變小，黏度變化反映其氧化衰變程度、添加劑的高溫?zé)岱纸庖约梆ざ戎笖?shù)改進(jìn)劑、降凝劑的受力剪切、熱裂解縮合等變化情況。因發(fā)動機(jī)摩擦副之間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)將油品內(nèi)增黏劑、降凝劑等碳?xì)浯蠓肿踊衔锛羟谐尚》肿訌亩斐捎推愤\(yùn)動黏度變小[13]。因油品高溫氧化、硝化、硫化反應(yīng)造成分子交聯(lián)反應(yīng)生成大分子聚合物而使油品運(yùn)動黏度增大；常見的有發(fā)動機(jī)高溫，油品被氧化；發(fā)動機(jī)漏氣嚴(yán)重，積炭煙塵污染機(jī)油；發(fā)動機(jī)油運(yùn)動黏度的變化情況一定程度上可以反映發(fā)動機(jī)油的衰變情況，結(jié)合燃油稀釋或者煙炱等其他指標(biāo)掌握發(fā)動機(jī)運(yùn)行是否正常。試驗過程油品的100 ℃運(yùn)動黏度隨著試驗里程的變化趨勢見圖1[14]。

圖1 運(yùn)動黏度(100 ℃)隨里程的變化

圖1中，兩輪試驗結(jié)束時油品100 ℃運(yùn)動黏度變化降到最低的為13.98 mm2/s，運(yùn)動黏度下降率最大為6.6%。盡管油品因受摩擦副劇烈的高速剪切的作用導(dǎo)致黏度下降，國六發(fā)動機(jī)要求的抗剪切更高但可以從整個試驗過程看出油品運(yùn)動黏度變化趨勢平穩(wěn)，變化幅度小，從圖1可知最大運(yùn)動黏度變化率未超過換油指標(biāo)的限值要求，該油品運(yùn)動黏度保持性好，可以很好滿足車輛發(fā)動機(jī)的潤滑要求。

2.2 酸堿值

酸堿值主要監(jiān)測油品中清凈劑功能的消耗情況及油品的老化程度。在用柴油機(jī)油的酸值增加主要來自兩方面：一是油品高溫氧化帶來的酸性物質(zhì)，二是燃料燃燒生成的酸性物質(zhì)。柴油機(jī)油中含堿性的清凈劑能夠在使用過程中，持續(xù)中和潤滑油和燃料氧化生成的含氧酸，阻止它們進(jìn)一步氧化縮合，從而減少漆膜，同時可以中和含硫燃料燃燒后生成的氧化硫，阻止它們磺化潤滑油，也可以中和燃燒后產(chǎn)生的氯化氫和硝酸等，阻止它們對烴類進(jìn)一步作用，由于中和了這些無機(jī)酸和有機(jī)酸，防止這些酸性物質(zhì)對發(fā)動機(jī)金屬部件的腐蝕[15-16]。試驗過程中酸值增值，說明油品產(chǎn)生了大量的酸性物質(zhì)，會促使變質(zhì)，生成油泥，對發(fā)動機(jī)造成一定程度的機(jī)械腐蝕，同時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)動機(jī)的正常運(yùn)行。試驗過程中油品的酸堿值隨著試驗里程的變化情況見圖2。

圖2 酸堿值隨里程的變化

由圖2可見，隨著試驗里程的增加，油品酸值逐漸增大，變化趨勢平穩(wěn)；試驗結(jié)束時，油品酸值最大值為4.5 mgKOH/g，堿值為5.9 mgKOH/g,未出現(xiàn)酸堿值交叉現(xiàn)象。國六階段柴油的硫含量已經(jīng)低于5 μg/g，因此機(jī)油中的堿值主要中和發(fā)動機(jī)燃燒所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。試驗結(jié)束時，油品堿值下降率為35%左右，油品仍具有很好的清凈性和堿值儲備性，可以繼續(xù)為油品和發(fā)動機(jī)提供保護(hù)，滿足車輛的車輛使用要求。

2.3 氧化值和硝化值

車輛在行駛過程中發(fā)生的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，主要表現(xiàn)在油品被燃燒產(chǎn)物污染以及油品自身因為接觸發(fā)動機(jī)高溫氧化和硝化、添加劑的老化降解以及與燃料產(chǎn)物的反應(yīng)等等。油品高溫氧化后生成酸性化合物，會腐蝕發(fā)動機(jī)硬件、加速發(fā)動機(jī)部件的磨損。而氧化產(chǎn)物的進(jìn)一步氧化縮合則生成大分子膠狀物質(zhì)，使油品黏度不斷增大。最終因低溫流動性能惡化而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障。油品的硝化物是產(chǎn)生油泥的主要來源之一[17]。試驗過程中油品的氧化值和硝化值隨著試驗里程的變化情況見圖3、圖4。

圖3 氧化值隨里程的變化

圖4 硝化值隨里程的變化

由圖3和圖4可以看出，隨著行駛試驗的進(jìn)行，試驗油品氧化值和硝化值含量逐步上升，達(dá)到0.2 A/100 mm左右；分析原因為推向市場的新型國六發(fā)動機(jī)趨于輕量化與增壓化，以及發(fā)動機(jī)中鋼活塞的應(yīng)用等，都要求潤滑油面對更苛刻的工況控制，包括氧化控制，沉積物控制以及黏度增長，所以從這兩輪道路試驗可以得出，國六階段發(fā)動機(jī)對潤滑油的抗氧化能力要求極大地提高。

2.4 金屬元素含量

發(fā)動機(jī)部件磨損及腐蝕都會導(dǎo)致使用油品的金屬含量增高，因此通過油液監(jiān)測金屬元素含量的變化情況，可以了解和掌握發(fā)動機(jī)的磨損情況。發(fā)動機(jī)狀態(tài)正常，油品中磨損金屬元素會呈平穩(wěn)上升趨勢，如果金屬元素含量一旦出現(xiàn)急劇增加則表明發(fā)動機(jī)發(fā)生了明顯的磨損[18-19]。試驗過程中油品鐵、鉛、銅含量變化見圖5～圖8。

圖5 鐵元素隨里程的變化

圖6 銅元素隨里程的變化

圖7 鋁元素隨里程的變化

圖8 鉛元素隨里程的變化

從圖5～圖8可以看出，銅元素逐漸增大的原因是冷卻器部位含有銅層金屬，經(jīng)過一段磨合后將會降低下來。其他磨損元素鐵、鉛、鋁磨損含量變化平穩(wěn)，始終處于正常范圍，說明車輛工作正常，油品使用性能良好。

2.5 煙炱

煙炱是一種混合物，國六發(fā)動機(jī)產(chǎn)生煙炱主要是來源于柴油和進(jìn)入燃燒室的柴油機(jī)油在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的不定型碳，以及EGR廢氣再循環(huán)進(jìn)入燃燒室而產(chǎn)生的煙炱。煙炱初始粒徑約為20～80 mm，在柴油機(jī)油中以固體不溶物形式存在。煙炱對柴油機(jī)油影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面引起油品黏度急劇增長；二是對發(fā)動機(jī)閥系和軸承造成磨損。當(dāng)煙炱作為單獨(dú)的小顆粒存在時，一般不會引起黏度明顯變化，但由于煙炱微粒具有很高的表面自由能，在柴油機(jī)油中具有強(qiáng)烈自發(fā)聚結(jié)的熱力學(xué)傾向。因此當(dāng)煙炱團(tuán)聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大顆粒時直接影響是使油品黏度急劇增加，進(jìn)而影響供油效率，易堵塞濾網(wǎng)，影響發(fā)動機(jī)正常工作[20]。試驗油品煙炱含量隨行駛里程的變化曲線見圖9。

圖9 煙炱隨里程的變化

由圖9可以看出，隨著行駛試驗的進(jìn)行，試驗油品的煙炱含量逐步上升，但基本在1.0%以下，遠(yuǎn)低于煙炱含量3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的換油指標(biāo)限值，說明試驗油品具有良好的煙炱分散性能。

2.6 煙炱潤滑油分散性測試

油斑吸濾試驗用于鑒定過多引擎煙塵、評價潤滑油分散性和檢測發(fā)動機(jī)曲軸箱內(nèi)潤滑油是否存在乙二醇、燃油和其他污垢物。潤滑油分散測試儀如圖10所示，可以在讀取油斑時，避免個人主觀判斷影響實驗結(jié)果可靠性。儀器測試項目包括分散性指標(biāo)(MD)、污染指數(shù)(IC)、加權(quán)評分(DP)，功能介紹如表4。分別取經(jīng)過12萬公里的油品滴到濾紙上，如圖10所示。

圖10 潤滑油分散性測試儀和油品濾紙效果

表4 油品試驗結(jié)果

從表4可以看出，油品經(jīng)過12萬公里，表征分散性能和清潔能力的重要指標(biāo)MD表現(xiàn)還是非常高，IC評定油品不容物的百分含量很小，油品經(jīng)過12萬公里之后質(zhì)量整體還是很好。

3 發(fā)動機(jī)檢查

通過XLLV視頻內(nèi)窺鏡檢查發(fā)動機(jī)的燃燒室情況，經(jīng)過兩輪試驗下來，車輛(A車)活塞頂部還是非常干凈，氣缸蓋和油底殼很干凈沒有油泥，軸瓦沒有腐蝕，搖臂軸內(nèi)部的銅部位很光滑，沒有劃痕出現(xiàn)。見圖11。

圖11 發(fā)動機(jī)情況

4 結(jié)論

試驗證明CK-4 10W-40機(jī)油產(chǎn)品在東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上完成的12萬公里行車試驗，試驗中油品各項指標(biāo)變化平穩(wěn)且正常，油品性能表現(xiàn)良好，可滿足該類車10萬公里實際換油要求。