2014年北美重負荷發動機油規格PC—11最新進展

李秀濤　馮葉

摘要：文章介紹了北美新一代重負荷發動機油規格（PC-11）2014年最新進展情況，其中包括新規格與CJ-4規格的發動機試驗對比情況、增加新發動機試驗的原因以及新發動機試驗的特點和開發進度。同時還介紹了PC-11將要包含的兩個新規格情況以及PC-11實施時間表。

關鍵詞：重負荷發動機油規格；PC-11；Mack T-13；CAT-EOAT；DD13

中圖分類號：TE626.32文獻標識碼：A

Abstract：This article described the latest developments of the new heavy-duty diesel engine oil specification （PC-11） in North America in 2014， which includes the engine test comparisons between PC-11 and CJ-4， the motivation for adding new engine tests and the characteristics and developments of the new engine tests. The two subcategories of PC-11 and the specification timeline were also introduced.

Key words：heavy-duty diesel engine oil specification； PC-11； Mack T-13； CAT-EOAT； DD13

0引言

隨著發動機技術的不斷發展、車輛燃油經濟性標準的提高以及排放法規的要求越來越苛刻，特別是在2011年美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）頒布的對中高負荷卡車限制溫室氣體排放和提高燃油經濟性的法規，使得車輛和發動機廠商積極推動重負荷發動機油規格的發展[1]。2011年6月美國發動機制造商協會（EMA）和美國卡車制造商協會（TMA）向美國石油學會（API）的柴機油顧問小組（DEOP）提交了開發新規格（PC-11）的請求，隨后在12月份舉行的重負荷發動機油分類小組會議上通過了開發新柴油機油規格的方案，并初步決定新規格將于2016年1月份開始實施。與2006年10月15日開始注冊認證的CJ-4規格相比，新規格加強了發動機油在燃油經濟性、抗氧化硝化、抗黏著磨損和防止機油內空氣卷入等方面的性能。

眾所周知，我國的發動機油質量規格標準主要參考美國的標準制定，因此研究美國重負荷發動機油規格目前狀況及其發展方向，對我國潤滑油行業和汽車工業具有重要意義。

1PC-11新增發動機試驗

到目前為止，根據新規格開發小組（NCET）發布的信息，新規格PC-11與CJ-4相比在化學元素含量指標方面并沒有變化，一個主要區別是PC-11可能會有三個新增發動機試驗[2]。表1為PC-11與CJ-4發動機試驗對比情況，從表1可以看出PC-11的大部分發動機試驗都是從CJ-4移植過來的，僅新增了三個試驗，分別為：Mack T-13（熱穩定性試驗）、CAT-EOAT（充氣試驗）和DD13（活塞/缸套擦傷試驗）。下面將對增加這三個發動機試驗的原因、它們各自的特點以及最新進展狀況進行說明。

1.1熱穩定性試驗

考慮到將在2016年頒布實施的節能汽機油規格GF-6中會采用新的氧化試驗代替Seq ⅢG試驗，但是到目前為止該新氧化試驗還沒有完全確定，所以到時候PC-11可能會面臨沒有合適的氧化試驗的情況，因此美國發動機制造商協會要求在PC-11中采用新的氧化試驗以取代Seq ⅢG試驗。由馬克和沃爾沃動力總成部門聯合研制的Mack T-13試驗很有可能被采納為新的氧化試驗，該試驗所用發動機為帶有廢氣循環（EGR）和可變截面渦輪增壓系統（VGT）的六缸四沖程Mack MP-8柴油發動機。試驗計劃在轉速為1500 r/min、載荷為2200 Nm和機油溫度為88 ℃條件下運行360 h，并且在運行過程中通過EGR和VGT控制系統精確控制進氣歧管中CO2含量和進氣歧管壓力，具體參數分別為（2.06±0.05）%和（232±5）kPa。試驗結束后通過分析機油氧化硝化、活塞/缸套磨損、軸瓦腐蝕以及機油耗等情況考察油品的熱穩定性能力，但具體指標尚未公布。不過由于該試驗耗時較長且費用十分昂貴，不太適合基礎油互換試驗，所以其中的一些重要參數和關鍵指標有待商榷。該試驗已于2012年啟動，現在已完成前期試驗，正在對低黏度機油進行測試，下一步有望進行精確的矩陣試驗。

規格標準另外需要指出的是，在PC-11中Mack T-13試驗并不會取代Mack T-12試驗，Mack T-12試驗將會繼續用來檢測缸套和活塞環磨損，當然，其中一些檢測指標可能會被提高。

1.2發動機油充氣試驗

目前，CJ-4規格中的發動機油充氣試驗（ASTM D 6894）采用納威司達（Navistar）旗下的萬國卡車（International Truck）發動機，該方法存在兩個問題：（1）不能有效反映不同發動機油的抗空氣卷入性能的真實差別；（2）測試結果的重復性和再現性較差。卡特彼勒公司為此開發了一個新的發動機油充氣試驗（CAT-EOAT），該試驗是基于CAT C13發動機，采用高速空轉（1800 r/min）無負載模式并使用微動技術進行測量空氣卷入體積（注：微動技術可以實時精確測量發動機油密度）。圖1展示了采用這兩種方法分別對兩種不同機油的測試結果[1]，從圖1可以看出，使用納威司達方法進行測試，兩種機油的空氣卷入量沒有明顯的區別；而使用卡特彼勒方法，兩種機油的空氣卷入量則出現了較大的差異，這說明卡特彼勒方法比納威司達方法能夠更有效地反映不同機油的抗空氣卷入性能。

現在卡特彼勒公司開發的發動機油充氣試驗已經基本完成，該試驗也得到了代表潤滑油和添加劑公司利益的美國化學委員會的支持和認可，并且在最近一次的工作會議上也通過了投票，所以該試驗方法肯定會在PC-11中出現[3]。

1.3活塞環/缸套擦傷試驗

隨著燃油經濟性的要求越來越高，發動機油向低黏度化發展成為不可避免的趨勢，因此新規格必須要加強發動機油的抗磨損性能。根據發動機內部磨損的特點，其磨損主要分為兩種情況，一種是磨料磨損，所謂磨料磨損指的是兩個摩擦副之間由于存在其他顆粒物質而引起的磨損；另一種是黏著磨損，它是指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發生金屬黏著，發生金屬黏著的主要原因是由于摩擦副之間油膜太薄或者沒有油膜，使得兩個摩擦副直接接觸在一起，在足夠大的外力作用下發生金屬黏著。對于發動機來說通常發生在活塞上下止點，然后在隨后的相對滑動中黏著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來，從而造成零件表面的擦傷或刮傷。從圖2中可以看出CJ-4規格主要重點保護混合潤滑和流體潤滑區域，所以該規格并沒有直接測定抗黏著磨損性能的發動機試驗（注：Caterpillar 1N發動機試驗中雖然有對活塞/缸套擦傷情況的考察，但是并沒有具體的定量指標考核發動機油的抗黏著磨損性能）；而隨著PC-11低黏度規格的推出，油膜厚度將會減小，發動機油的抗黏著磨損性能勢必會成為衡量發動機油性能的重要指標，因此開發能夠有效評估發動機油抗黏著磨損性能的發動機試驗顯得十分迫切。

DD13擦傷試驗是主要由戴姆勒和路博潤進行合作開發，試驗采用底特律DD13型號發動機，通過預設的發動機參數和工況（運行時間為125 h或150 h，發動機功率逐步增加到510 hp）使缸套出現擦傷現象，如圖3所示，并根據產生擦傷的時間長短、頂環磨損情況以及對油品理化性能的分析（包括金屬鐵和鉻的含量），來考察發動機油的抗黏著磨損性能。原定于今年進行的矩陣試驗很可能會被推遲，主要原因是目前該試驗方法還存在一些問題急需解決，比如，該方法在不同實驗室的再現性較差以及該方法與行車試驗的關聯性還受到質疑。在下一次新規格開發小組（NCDT）會議上將會討論如何加快DD13試驗的進展。

通常認為油膜厚度越薄，發動機運行時阻力越小，燃油經濟性也就越好。所以美國發動機制造商協會建議PC-11分為兩個規格：一個是高溫高剪切（HTHS）黏度不小于3.5 mm2/s的PC-11A，另一個是高溫高剪切黏度最小值位于2.9 ～ 3.3 mm2/s之間（具體數值還未確定）的PC-11B。PC-11A的黏度指標與CJ-4相同，可以兼容老的油品質量規格，適用于2016年之前的發動機；而PC-11B由于黏度較低，適用于2016年之后新開發的并且有燃油經濟性要求的發動機。通過降低高溫高剪切黏度來實現燃油經濟性的做法，與歐洲汽車制造商協會（ACEA）制定標準的思路相一致。

現在主要的問題是怎樣命名這兩種規格以區分它們黏度上的不同，同時又與傳統的命名方法相統一。目前來看，主要有兩種方案[3]：一種是兩個不同黏度規格都命名為CK-4，但是要在限制性條款中對兩種不同黏度規格進行說明，高黏度規格可以兼容老的油品質量規格，而低黏度規格則不可以；另外一種方案是，高黏度規格命名為CK-4，低黏度規格命名為DK-4，這樣CK-4作為傳統命名方式延續下來的新規格可以兼容老的油品質量規格，而與之相平行存在DK-4則作為未來具有燃油經濟性功能的質量規格。在2014年1月份舉行的工作會議上后一種方案獲得了較為廣泛的支持。

3PC-11實施時間表[4]

原定于2016年1月1日發布實施的新一代美國重負荷發動機油規格PC-11，可能會推遲三個月至4月1日或更晚才開始實施。主要原因是由于一些新增的發動機試驗進展不順利還需要更多時間進行開發，同時一些添加劑公司表示由于2016年還有另一個新的輕負荷發動機油規格（GF-6）將要發布實施，因此他們需要更多的時間來進行兩種新規格產品的開發。

4結束語

本文概述了北美新一代重負荷發動機油規格（PC-11）2014年最新進展情況，同時詳細介紹了新規格中三個新增發動機試驗的特點和進度。整體來看，新規格將向低黏度化發展但同時兼顧對老規格的兼容性，并加強了發動機油在燃油經濟性、抗氧化硝化、抗黏著磨損和防止機油內空氣卷入等方面的性能。其中，這給添加劑公司和油公司帶來的最大挑戰是，如何解決油品低黏度化帶來的發動機磨損問題。而要有效解決該問題，需要添加劑公司、油公司以及發動機制造商共同協作開發高性能油品和改進發動機技術。

參考文獻：

[1] Jean Van Rensselar. PC-11 and GF-6： New Engines Drives Change in Oil Specs[C]∥Society of Tribologists and Lubrication Engineers， January 01， 2013.

[2]Ben Weber. GF-6&PC-11 their Drivers the 11 New Test Development and Timing of Each API Category[C]∥2013大連潤滑油技術經濟論壇論文專輯，2013：364-369.

[3]Steve Swedberg. PC-11 Team Ponders New Viscosity Grade[C]∥Lube Report， February 2， 2014.

[4]Steve Swedberg. EMA Requests PC-11 Delay. Lube Report[EB/OL].http∥www.lubesngreases.com/lubereport/1345/other/-4435.html， 2013-11-20.收稿日期：2014-10-15。