Ｍａｃｋ系列重負荷柴油機油臺架測試的發展

摘要：綜述了Mack系列柴油機油評定臺架方法，包括Mack T-6、T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-9、T-10、T-11和T-12等測試。介紹了Mack測試的歷史、建立背景、發展過程、運行條件、評定柴油機油的規格、評定參數和評定標準，對高性能重負荷柴油機油的開發研制具有重要的參考價值。Mack系列臺架測試的發展是隨著發動機排放標準不斷苛刻和柴油機油規格不斷升級而推進的。其中，Mack T-9、T-10、T-12評價發動機潤滑油的抗氧化性能和發動機氣缸壁與頂環的磨損；Mack T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-11評價潤滑油煙炱分散性能及相關的粘度增長。

關鍵詞：柴油機油；臺架方法；Mack測試

中圖分類號：TE626.32 文獻標識碼：A

Development of Mack Series Heavy-Duty Diesel Engine Oils Bench Tests

HAN Heng-wen

（Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC, Beijing 100083，China）

Abstract:A series Mack test bench methods of diesel engine oils, such as the Mack T-6, T-7, T-8, T-8A, T-8E, T-9, T-10, T-11, and T-12 tests, are summarized in this paper, including the history of tests, the background of establishment, the process of development, the test conditions, the category of evaluated oils, measured parameters and its limits. It is very useful for the study of the high performance heavy-duty diesel engine oils. The development of Mack series tests are prompted by the diesel emission standards progress and the diesel engine oil specifications upgrade. Among them the oxidation resistance of the oil, the cylinder line wear and the top rings weight loss are evaluated in Mack T-9, T-10 and T-12, while the soot related viscosity increase of the oil is evaluated in Mack T-7, T-8, T-8A, T-8E and T-11.

Key words:diesel engine oil; bench method; Mack test

0 前言

Mack系列發動機潤滑油臺架測試已經發展了30多年，是評定重負荷柴油機油性能的重要方法。Mack臺架測試隨著尾氣排放標準、發動機設計、潤滑油規格及市場需求的變化而不斷的發展。經過多年發展，Mack測試已經從Mack T-1發展到T-12。早在1971年，Mack公司建立了Mack T-1測試來評定Mack發動機油EO-H，隨后在1974年和1976年先后建立了T-4 和T-5測試來評定Mack發動機油EO-I和EO-J。到1981年，建立用以評定EO-K級發動機油的Mack T-6測試，并被API引進作評定API CE級柴油機油的臺架，此后Mack系列測試方法一直作為美國柴油機油評定的重要臺架測試，為柴油機油的規格升級提供了重要支撐^［1］。本文系統的介紹了Mack系列臺架試驗的建立背景、發展過程、測試條件、評定標準，對高性能潤滑油的開發研制具有重要的參考意義。

1 Mack系列臺架的歷史與發展

API CD級潤滑油僅要求通過Cat.1G₂和L-38兩個臺架測試，這兩種測試發動機在高速、高油耗、高壓下添加油運行，并產生很少的煙炱。因此，CD級潤滑油具有很低的煙炱分散水平。在Mack EO-K標準中增加Mack T-6測試評定活塞沉積物等項目，因此，滿足CD和Mack EO-K的油比CD級有的煙炱分散能力增加了，但是這種分散能力還不足以解決煙炱分散問題。

API CE級柴油機油規格頒布，API引進Mack T-6測試作為評定認證柴油機油達到標準的臺架測試。隨著API油品規格的不斷發展，Mack系列測試先后發展了T-6、T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-9、T-10、T-11、T-12等方法，分別評定從API CE到CJ-4的各級油品。表1列出了評定Mack發動機油規格與API柴油機油規格的Mack臺架的對應關系^［2］。

在Mack T-7以前，所有的柴油機油的測試都是高速測試，因此很少涉及到潤滑油的煙炱分散問題。隨著發動機潤滑油的煙炱分散問題越來越受到重視^［3］，Mack建立T-7測試來評估低速、高制動平均有效壓力 (BMEP)發動機潤滑油煙炱相關的粘度增長。

在上世紀90年代，氮氧化物（NOx）的排放標準持續提高，僅憑油品的改進已經無法達到新標準的要求。重負荷發動機制造商們認為通過延遲燃料噴入時間可以降低NOx的排放，但同時，延遲噴入時間會增加曲軸箱煙炱生成。于是，Mack建立T-8臺架測試來評定潤滑油煙炱相關的粘度增長。

到1998年，美國重負荷柴油機排放新標準出臺，加上提高發動機效率的趨勢，都需要提高發動機的運行溫度，隨之產生了潤滑油的氧化控制和發動機腐蝕、磨損增加的問題，因而新的測試Mack T-9被建立，測試發動機的環磨損和線磨損，評估潤滑油的抗氧化控制及高溫運行下的軸承腐蝕。

2002年10月，美國EPA頒布法令要求實施重負荷排放標準2004，發動機設計增加了冷卻的EGR（排放氣體循環）系統，EGR被重復利用來滿足NOx的排放要求，EGR提高了發動機的運行溫度，引起燃料廢氣酸值增加。為評估EGR發動機潤滑油的抗氧化性能，發動機磨損和軸承腐蝕，Mack T-10測試作為T-9測試的改進型被建立。

API CI-4標準出臺，要求使用EGR發動機。隨著Mack ASET EGR發動機的設計使用，煙炱和粘度增長問題突現。Mack 建立T-11測試作為T-8測試的改進型，用以測試EGR和低渦旋燃燒發動機油的煙炱、粘度增長性能。

到2005年，為滿足美國高速公路標準2007對于減低顆粒物和NOx排放的要求，美國的重負荷柴油機必須提高EGR的利用率，增加柴油燃燒排放顆粒過濾器（DPF）。為此，要求潤滑油和排放氣體只含有很少的SAPS，即硫酸鹽灰分SA、磷P和硫S，來保證DPF的使用壽命。相應地，Mack T-12臺架被建立來評定發動機油在高溫運行、高EGR水平時的氧化性能，及發動機的環磨損和線磨損，替代了Mack T-10。

2 Mack系列臺架測試

發動機排放標準的發展和效率的提高是推動發動機潤滑油規格升級和性能提高的直接推動力。從上世紀80年代至今，發動機排放尾氣中的NOx和顆粒物含量標準不斷提高，分別從1988年的13.60 g/kW·h、0.82 g/kW·h下降到2010年的0.27 g/kW·h、0.014 g/kW·h，見圖1。

發動機對潤滑油性能要求不斷提高，促使潤滑油評定臺架測試不斷發展。其中，Mack系列臺架作為柴油機油性能評定的重要方法，經歷了從Mack T-6到T-12的發展。各臺架測試的評定參數和運行條件如表2、表3所示。

2.1 Mack T-6

Mack T-6是用來測試柴油機油的油膜厚度、活塞沉積物、油耗和活塞環磨損的臺架方法^［4］。采用ETAI673六缸直噴渦輪增壓中冷發動機，轉速在滿負荷、1400 r/min、1800 r/min、2100 r/min之間變速下運轉，油溫保持113 ℃，不換油運行12 h，循環50次，共600 h試驗。T-6 臺架用以評定API CE 和CF-4級柴油機油，評定參數標準見表4。

隨著時間的推移，API CE級規格被廢除，Mack T-6試驗的配件逐漸不可獲得，Mack T-9取代T-6評定API CF-4級潤滑油的性能。

2.2 Mack T-7

重負荷發動機在停開狀態或混合狀態下運行，渦輪增壓器的滯后及空氣慣量導致空氣不足，在發動機加速期間，會造成即刻過量加油。這種情況不斷重復，曲軸箱中的潤滑油就會出現高含量的煙炱，發動機油經常會出現很高的粘度增長、油凝膠和煤泥形成，所有這些都是由煙炱分散能力不足引起的。

雖然煙炱生成是在停開運行期間，但簡單的形式，如穩態情況，更適合發動機臺架測試，而且穩態運行易于控制，結果也更一致。Mack T-7是美國第一種用來評估發動機潤滑油煙炱分散能力的測試^［5］。

T-7采用EM6-285直噴發動機，降低了油耗和發動機速度，提高扭矩和制動平均有效壓力（BMEP）。發動機在高扭矩和高BMEP下運行，空氣燃料比接近于化學計量比，生成的煙含量更多。加上較低的油耗，增加的煙炱生成量導致產生更多的粘度增長。

對于API CF-4油，測試中最后50 h允許的最大粘度增長是0.04 mm²/s^［6］，此數值是從行車數據和可接受的粘度增長的相互關系中分離出來的。由于Mack T-7的建立，高負荷發動機潤滑油煙炱分散水平得以提高。

到1998年，Mack T-7測試配件已不可得，但CF-4級油仍在熱銷，因此采用150 h的Mack T-8測試，替代T-7測試來評定CF-4級潤滑油，這個版本的T-8就是Mack T-8A。

2.3 Mack T-8

NOx的形成主要受最高的燃燒溫度影響。發動機制造商采用延遲燃料注入時間，降低最高燃燒溫度，減少NOx的排放，但因此產生了煙炱的生成率增加，潤滑油的煙炱水平增加，粘度增長問題。Mack T-8被建立來測試潤滑油的煙炱控制性能^［7］。

2.3.1 Mack T-8

Mack T-8測試采用E7-350發動機，在高速下采用燃料延遲注入限時，加速產生煙炱速率。延遲注入時間設置在測試參考油開始時設定，測試樣品油時不再改變。測試中采用沖洗-運行的形式，發動機在每次測試后并不拆裝，每次最大運行3000 h后測試新的參考油時才要重新組裝發動機。在每次樣品油測試時，測試油在發動機仍然未降溫時被排干，并用Mack專用沖洗油沖洗。

Mack T-8采用TGA技術特定標準測試煙炱油中的煙炱質量及測試油的粘度增長，提供更好的重復性和再現性，并與行車數據顯示出良好的相關性。T-8測試評定CG-4級油，結果分析包括測試油分析和發動機運行數據分析^［8］。評定參數是在特定煙炱量下的粘度增長、最大油過濾器的壓力增長和油耗。Mack T-8比T-7測試更嚴格，重復性更好，測試評定標準見表5。

2.3.2 Mack T-8E

為滿足1998排放標準，制造商在發動機設計時采用更多的延遲注入時間，以獲得降低20% NOx的排放。由于市場的壓力，換油間隔期也要求延長。這兩方面改變更提高了曲軸箱潤滑油的煙炱水平。Mack改進T-8來評定API CH-4、CI-4級柴油機油相關的煙炱性能^［9-10］，測試時間延長到300 h，測試的煙炱含量增加到4.8%，即T-8E測試。

在粘度增長測試中，剪切性能不穩定的粘度指數改進劑可能具有人為的優勢，與潤滑油煙炱分散性能無關。為了修正這個偏差，測試參數被改為相對粘度。此方法綜合煙炱4.8%時的初始粘度、剪切粘度、最終粘度，來補償粘度指數改進劑產生的誤差。

Krieger-Dougherty方程式被用來從煙炱增加引起粘度增長中分離由于粘度指數改進劑剪切造成的粘度流失。相對粘度方程式如下：

含4.8%煙炱測試油的粘度/（新油粘度-50%新油粘度流失）

用來計算相對粘度，API CH-4油相對粘度的限值是2.1。

對API CI-4油，方程式分母從50%變為100%的粘度丟失（用布氏注射器測試），來反映新型發動機的最高氣缸壓力增長和潛在的煙炱水平增長。修正方程式如下：

含4.8%煙炱測試油的粘度/（新油粘度-100%新油粘度流失）

相對粘度的限值是1.8。表6給出了Mack T-8臺架評定油品的規格和參數標準。

2.4 Mack T-9

發動機氣缸線磨損初始發生在頂環反面、接近氣缸線頂，后來大多數磨損發生在頂環的底邊。燃燒時，環被吹得向外、向下翻起，環凹槽中填入微細的碳粉，環滾動更引起底邊的磨損。在Mack T-6和康明斯NTC-400測試被廢除后，Mack和西南研究院聯合開發了Mack T-9^［11］來評定CH-4柴油機油的抗磨損性能。為了模擬實際情況在環的翻轉區域產生磨損，T-9測試中向測試油中加入研細的煙炱，并在環和線內表面采用高度裝填。

西南研究院采用二階段方法，即微細煙炱產生階段迅速產生煙炱，然后高度裝填階段產生最大磨損速率。在第一階段，為最大化煙炱產生速率，發動機高速運行，并采用電流變頻注射泵精確控制燃料延遲噴入時間。Mack選定在第一階段結束時，產生的煙炱量為潤滑油質量的1.5%~2.0%。

在第二階段，環和線磨損被最大化。采用低速、高負載和優先噴入。活塞和環在運動接近停止時的低速，會增加環翻轉面的停留時間，進一步導致環翻轉面的潤滑油膜丟失。發動機在最大負載下的速度運行使用燃料最多、獲得扭矩最大，但不會影響煙炱形成、顆粒排放和發動機效率。為了進一步提高負載，最大氣缸壓力從13.7 MPa增到17.2 MPa。

Mack T-9測試運行500 h，75 h用以煙炱產生，后425 h是高負載階段。測試300 h后測試油中的鉛含量越來越高，檢測發動機發現潤滑油中的鉛來自軸承磨損。試驗結果評定顯示，T-9臺架可替代L-38作為API CH-4級潤滑油軸承磨損臺架，并替代T-6來評定CF-4級潤滑油。評定參數包括氣缸線磨損、環失重和測試油的鉛變化，參數的通過/失敗標準見表7。

2007年6月API宣布到2008年6月30日廢棄CF-4重負荷柴油機油規格，并不再進行該規格認證。原因是CF-4規格中評價活塞環磨損的臺架試驗Mack T-6已不可得，后由Mack T-9替代，現在T-9測試配件也不再生產^［12］。

2.5 Mack T-10

2004年美國頒布新排放標準，延遲注入時間方法已不能滿足排放要求，促使制造商采用冷卻EGR系統來減少NOx的排放。EGR發動機通過增加點火延遲時間和用內部氣體置換氧氣方法來減少NOx排放，二者都通過降低最高燃燒溫度來減低NOx的產生。

但EGR系統使用也帶來一些問題：（1）循環排放氣體中含有NOx和SOx可以與水反應生成硝酸和硫酸，可能造成對活塞環和氣缸襯里的腐蝕。（2）增加點火延遲時間導致燃燒后期煙炱生成，更多的煙炱被裹進油膜表面，帶進曲軸箱，而且尾氣中的煙炱被循環到注入口。（3）因增加冷卻的EGR，返回到曲軸箱的熱量增加30%~40%，導致曲軸箱潤滑油油溫升高，增加降解。

T-9不適用于EGR發動機，Mack建立了T-10測試EGR發動機的磨損和潤滑油氧化性能^［13］。T-10測試長度是300 h，采用T-9測試的二階段方式，即煙炱產生/潤滑油降解階段和高負荷階段。但測試的很多細節和參數重新設置，比T-9更短、更苛刻，對潤滑油的喜好有輕微不同。

T-10測試有五個通過/失敗參數：①測試結束時的鉛含量變化；②250~300 h時的鉛含量變化；③氣缸襯里磨損；④頂環失重；⑤油耗。表8給出了T-10臺架的評定參數、通過/失敗標準。

這種多個通過/失敗參數的測試存在問題，如一個參數可能微超出限值，而其他參數都通過，但測試結果是失敗的。

Mack優化了評定參數體系^［14］，采用單一的計算參數：優點分值，代表每個參數貢獻的綜合。優點分值方法使測試結果因達到標準分值而得到認證，可能補償超出標準的參數的缺陷，其他參數通過，即便某個參數超出限值，而整個測試結果可能是通過的。在此體系中，為每個參數設立最小值、支撐（固定）值、最大值和權重因素。支撐分值代表可接受的性能，最小值代表高級的性能，最大值代表產生零優點分值的水平。Mack支撐分值是最小分值的一半，所有5項評定參數總的支撐分值為1000。即最少通過分值為1000，理論上測試分值最大可達2000。參數測試結果小于最小值，對Mack分值沒有額外貢獻；任何參數測試結果高于最大值，都導致測試失敗。 T-10測試中各項參數的優點分值如圖2。

2.6 Mack T-11

Mack 新型ASET發動機采用EGR系統和新的燃燒室設計，比E7發動機在很大程度上減少了漩渦，低漩渦燃燒和EGR系統都增加了煙炱的生成。T-8E測試的E7發動機沒有EGR，不能反應EGR發動機的運行情況。西南研究院在T-10的發動機上安裝ASET發動機的活塞柱、注入器和氣缸頭，合并的結果產生低渦旋燃燒和EGR，與ASET發動機的燃燒和煙炱產生量非常相似。在此基礎上，Mack

T-11臺架被建立來評估EGR發動機油煙炱相關粘度增長^［15］。

Mack T-11臺架測試發動機油煙炱分散性能和相關的粘度增長增加了苛刻性，如圖3所示。

圖3中曲線代表三種典型不同潤滑油，每種潤滑油通過相應測試限值的標準。API采用Mack T-11臺架評定CI-4+和CJ-4規格潤滑油在EGR系統發動機的性能。評定參數和通過/失敗標準見表9。

2.7 Mack T-12

美國高速公路重負荷發動機排放標準2007要求更嚴格，粒子的排放標準將從0.1 g/kW·h降到0.01 g/kW·h。在2007~2010年之間，NOx的排放標準從2 g/kW·h降到0.2 g/kW·h。制造商將提高EGR率來降低NOx。到2010年，將在發動機增設一種提高EGR率和選擇性的催化劑（SCR）或增設NOx吸收器，以達到0.2 g/kW·h的標準。

Mack認為為確保EGR利用率的提高，需要一種新的測試活塞環和襯里磨損、油品氧化性能的方法，于是Mack T-12測試被建立^［16］。T-12使用一種幾何可變的渦輪增壓器（VGT），替代了T-10發動機小渦輪的雙渦輪增壓器。VGT可確保在高速路、高EGR率下發動機運行有足夠的空氣，而空氣燃料比的選擇保持煙炱生成量剛好高于測試失敗水平。

T-12中也使用二階段測試法，潤滑油降解階段之后，接著是高負載階段。Mack提高第一階段的EGR率到35%，第二階段的EGR率到15%，對比Mack T-10分別是112%和500%的增長。第一階段，調節入口管和冷卻器溫度，使霧化發生在氣缸壁而不是在入口管，油路和油箱溫度被提高。第二階段，壓力從20.69 MPa增加到24.14 MPa，來確保300 h測試能夠產生足夠的活塞環和襯里磨損。

控制燃燒對控制潤滑油降解非常重要，因為潤滑油暴露于燃燒副產物、熱、煙炱、酸和水。T-12采用控制其他選定參數同時，控制空氣燃料比和EGR的策略，通過文丘里裝置測定吸入CO₂的量確定EGR率，并根據排放CO₂的量，使用VGT來調整空氣流。此方法幾乎完全控制燃燒和由此產生的潤滑油降解。

Mack T-12與T-10具有相似的考核參數：試驗結束時測試油中鉛含量變化、250~300 h鉛含量變化、氣缸襯里磨損、頂環失重、潤滑油損耗。API采用T-12臺架來評定CJ-4級柴油機油，PC-10同樣采用T-12進行評定。T-12測試的Mack優點分值體系如表10所示。

3 結論

隨著排放標準和市場需求的不斷發展，重負荷發動機設計也不斷更新。發動機發展向著高效、節能、低排放趨勢前進，對發動機潤滑油的性能提出更高要求，迫使油品不斷更新換代。隨著油品規格的不斷升級，評定油品性能的臺架試驗也不斷發展、完善。

在過去20多年，Mack系列柴油機油評定臺架經歷了從T-6到T-12的發展，是重負荷潤滑油煙炱分散性能、抗氧化性能、氣缸環和線磨損保護、酸值控制和增長換油期的重要評定方法，對重負荷柴油機潤滑油的發展起到重要推動作用。

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收稿日期:2008-08-06。

作者簡介：韓恒文（1973-），男，碩士，2005年畢業于北京化工大學理學院應用化學專業，現從事潤滑油及其添加劑的研究工作，已公開發表論文數篇。