CI—4 15W—40柴油機油在國Ⅳ發動機上的應用研究

趙正華+劉志勇+湯仲平+廖湘蕓

摘要：發動機廠商采用多項新技術以滿足更為嚴格的排放法規，同時也對發動機油產品提出了更高的要求，文章主要闡述了API CI-4柴油機油的性能要求，并對研制的CI-4 15W-40柴油機油在國Ⅳ發動機300 h的應用進行了研究，結果表明，CI-4 15W-40柴油機油具有優異的煙炱分散性和抑制煙炱引起的發動機磨損能力、抗氧抗磨損性，可滿足國Ⅳ發動機用油要求。

關鍵詞：CI-4柴油機油；煙炱分散性；高溫清凈性；抗氧化性；抗磨損性

中圖分類號：TE626.32文獻標識碼：A

Abstract：All engine OEMs adopted various new technologies to meet increasingly severe emission regulations. This resulted in higher requirements for engine oil. This article was mainly focused on the performance requirements of the API CI-4 diesel engine oil. 300 hours applied research with CI-4 15W-40 diesel engine oil was carried out on China Ⅳ engine. The results indicated， CI-4 15W-40 diesel engine oil exhibits not only excellent soot dispersancy and ability to inhibit the engine wear and tear caused by soot， but also superior resistance to oxidation and abrasion， which can completely meet the requirements of the China Ⅳ engine.

Key words：CI-4 diesel engine oil； soot dispersancy； high temperature detergency； oxidation resistence； antiwear property

0引言

環保、節能、延長換油期是推動油品規格發展進步的主要動力，隨著排放法規的不斷嚴格，僅依靠機內凈化措施已不能滿足日益嚴格的排放法規要求，發動機制造商采取各種新技術，例如氧化催化劑（DOC）、顆粒物過濾器（DPF）、選擇性還原催化劑（SCR）、氮氧化合物捕集器（LNT）、尾氣再循環（EGR）等技術，以使其發動機滿足越來越嚴格的排放法規[1]。

我國排放標準采用歐洲經濟委員會（ECE）汽車技術法規體系制定而成。隨著我國對環保的不斷重視，重負荷柴油機的排放不斷嚴格，國Ⅳ排放標準已在北京、上海等少數城市實施，而全國實施國Ⅳ排放標準的時間由于柴油燃料硫含量不達標的原因再次被推遲，為達到國Ⅳ排放要求，國內一汽、二汽、濰柴、上柴等汽車制造廠以不同的技術路線開發出滿足國Ⅳ排放標準的發動機，這些后處理技術的采用，對柴油機油提出了嚴峻的考驗，需要更高規格的潤滑油來滿足發動機的潤滑要求。API CI-4柴油機油可以滿足國Ⅳ發動機的潤滑要求，并且其使用量在未來幾年將逐年增加。

由此可見，API CI-4柴油機油規格用于裝有EGR裝置的發動機，比現行的API CH-4規格油品在漆膜控制、鉛和銅腐蝕抑制以及氧化控制等方面都有提高[5]，其具體性能特點如下：

（1）優異的高溫清凈性

油品需要通過評定高溫清凈性的發動機臺架試驗有Caterpillar 1K和Caterpillar 1P（1R），主要用于評定柴油機油對活塞沉積物、活塞環黏結以及活塞環、氣缸套的擦傷、油耗的影響；其中Caterpillar 1K發動機采用全鋁活塞減少了頂環臺與缸套之間的間隙，提高了頂環槽的位置，改善了燃燒，降低了排放污染，提高了活塞第一環槽溫度；Caterpillar 1P發動機臺架試驗采用頂部為鐵、裙部為鋁的兩段活塞，其活塞環的頂環更靠近活塞頂部，同時發動機采用頂置凸輪軸和電子燃油噴射控制，從而要求油品具有良好的抗氧化性能和高溫清凈性，特別是要求油品具有優良的頂環岸重炭和頂環槽充炭的控制能力[6]。

（2）優異的煙炱分散性

新發動機技術的采用顯著降低了微粒（PM）和氮氧化物（NOX）的排量，但這些技術的采用，在改善柴油機的排放質量的同時，卻使潤滑油中的煙炱含量大大增加[1]，易導致油品黏度的快速增長和發動機的磨損，API CI-4柴油機油對油品的煙炱分散性能和抗磨損性能的要求很高，用于評定油品由煙炱引起的磨損臺架試驗有RFWT、Mack T-12（Mack T-10）、Cummins ISM（Cummins M11），評定煙炱分散能力的臺架試驗有Mack T-8E，其中，Mack T-8E主要用于評定柴油機油的煙炱分散性能，試驗中煙炱含量高達55%，這就要求油品具有非常好的防止煙炱聚集的能力。

（3）優異的抑制煙炱引起的發動機磨損

煙炱以一定的形式積聚，造成發動機活塞環、汽缸壁和氣閥執行機構的磨損。發動機在裝備EGR后帶來的腐蝕磨損，就是由于含有更多煙炱的柴油機油表現出更高的切割性能。對于同一種油品，煙炱含量水平越高，其保持抗磨損性能的時間就越短[7-8]，這種趨勢可從不同煙炱含量的潤滑油在發動機試驗中抗磨損性能表現中看出來，見圖1。

煙炱對閥系的磨損根據設計不同可分為滾動磨損和滑動磨損。發動機油對因煙炱引起的驅動軸磨損的保護能力采用滾輪隨動件磨損試驗（RFWT）來評價，試驗要求平均挺桿的磨損不大于76 μm；發動機機油對因煙炱增加引起的凸輪、閥系構件磨損的保護能力采用Cummins ISM（或Cummins M11）高煙炱試驗來評價，Cummins ISM發動機臺架試驗最高煙炱含量可達70%；帶EGR的Mack T-12發動機臺架試驗，煙炱含量達60%，用于評定煙炱引起的缸套磨損和活塞頂環磨損、軸瓦腐蝕以及機油耗，這就要求油品具有非常好的抑制煙炱引起的發動機磨損能力[9]。

（4）優異的高溫抗氧化、抗腐蝕性

API CI-4柴油機油需要通過程序ⅢF（ⅢG ）發動機臺架試驗，該試驗主要用于評定在150 ℃的高溫條件下油品的抗氧化性能。同時，潤滑油氧化生成的酸性產物容易造成銅鉛軸瓦的腐蝕，因此，油品需要通過高溫腐蝕試驗的評定，考察潤滑油在135 ℃的條件下對銅、鉛和錫金屬試片的腐蝕性，因此，要求油品具有優異的抗氧化、抗腐蝕性能[9]。

（5）較低的機油消耗

（6）良好的橡膠相容性，延長密封件的使用壽命

（7）良好的低溫流動性，為發動機冷啟動時提供極好的抗磨損保護

2CI-4 15W-40柴油機油的研制

以金屬清凈劑、無灰分散劑、抗氧抗腐抗磨劑等其他功能添加劑以特定的加劑量，應用于加氫基礎油中，調制的CI-4 15W-40柴油機油，通過了Caterpillar 1K、Caterpillar 1P、Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、RFWT、EOAT、程序ⅢF發動機臺架試驗，產品質量滿足API CI-4柴油機油標準，CI-4 15W-40柴油機油實測數據見表2。

3某國Ⅳ發動機應用研究

選擇國內某汽車廠研發的國Ⅳ發動機，某國Ⅳ發動機技術參數見表3。

表3某國Ⅳ發動機技術參數

項目某國Ⅳ發動機型式直列四沖程、水冷、四氣門、增壓中冷燃燒室型式直接噴射、ω型氣缸數6氣缸直徑/mm112活塞行程/mm145活塞總排量/L8.6壓縮比17.5∶1發火次序1-5-3-6-2-4額定功率/kW261凈功率/kW258額定轉速/r·min-12100最大扭矩/N·m1500最大扭矩轉速/r·min-11300～1470

將CI-4 15W-40柴油機油在該國Ⅳ發動機上進行300 h的考核試驗，并對試驗過程中的0 h、100 h、200 h和300 h的油樣進行分析檢測，檢測項目包括常規理化指標、紅外光譜和磨損金屬元素三個方面，其中，常規理化指標主要包括油品的100 ℃運動黏度、堿值、煙炱含量及水分；紅外指標分析包括氧化值、硝化值；磨損金屬分析，包括Fe、Cr、Cu、Al和Pb等金屬的分析，具體試驗結果如下。

3.1100 ℃運動黏度

多級油品100 ℃運動黏度在使用過程中通常是先降低再升高，這主要是因為剛使用的新油受發動機摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指數改進劑由大分子剪切成小分子，致使油品黏度明顯下降，其后，隨著發動機使用時間延長，油品本身發生氧化并生成大分子膠質，使油品黏度緩慢上升[10]。100 ℃運動黏度變化趨勢見圖2。

圖2100 ℃運動黏度變化趨勢

由圖2可以看出，CI-4 15W-40柴油機油在整個考核試驗過程中，100 ℃運動黏度主要呈現緩慢下降的變化趨勢，但下降幅度很小，說明油品具有優異的剪切安定性和黏度保持性，沒有出現過度氧化而造成的油品黏度劇增現象。

3.2堿值

油品堿值來源于油品中的堿性添加劑，其變化表征油品的堿值儲備能力的變化，表明油品添加劑體系中某些有效組分的下降或消耗情況，同時也反映油品清凈分散能力降低的程度。堿值變化趨勢見圖3。

可以看出，在試驗過程中因高溫氧化而產生酸性物質，使得油品的堿值逐步下降，但未超出換油指標要求的50%，符合發動機油在使用過程中堿值下降的變化規律。

3.3煙炱含量

煙炱是柴油和進入燃燒室的機油在空氣不足的條件下經不完全燃燒或熱裂解而產生的不定型炭（微小的炭微粒）[11]，油品中煙炱含量的增加，會引起油品黏度增大和磨損加劇，影響油品的潤滑性能。煙炱含量變化趨勢見。

3.4氧化值及硝化值

油品的氧化值、硝化值可以反映出試驗油品被氧化、硝化及受污染的程度。發動機在運轉過程中，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，在一定條件下可反應生成氧化物、硝化物等酸性物質，這些物質的存在可導致機件腐蝕、磨損等現象，故而對油品的使用造成負面影響，而發動機油中的添加劑可以減緩或終止這類反應，抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質的生成，因此，利用紅外光譜監測油品氧化值、硝化值的變化，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[10]。見圖5。

3.5金屬元素含量

在用油中的Fe、Cr、Cu、Al和Pb等磨損金屬元素含量可直接反映發動機各主要摩擦副在運行過程中的磨損情況，因此要對試驗油品做磨損金屬分析，主要磨損金屬元素（Fe、Cu和Pb）具體試驗結果見圖6，其余磨損金屬元素結果見表4。

由圖6和表4可見，整個試驗過程中，各主要磨損金屬元素呈現逐漸增大的趨勢，但各磨損金屬元素含量始終處于較低水平，說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的抗磨損和抑制煙炱引起的發動機磨損能力。

試驗結束后，對發動機進行拆機檢查，具體結果見圖7～圖9。

經拆機檢查，凸輪軸、軸瓦、十字頭、十字頭銷及活塞環等表面形貌狀態良好，無異常磨損，活塞表面沒有擦傷痕跡，積炭水平正常、無黏環，說明CI-4 15W-40柴油機油在某國Ⅳ發動機300 h的試驗中，表現出優異的高溫清凈性、分散性和抗氧抗磨損性。

4結論

日益嚴格的環保法規使得OEM廠商采用多種發動機新技術，導致柴油機油中煙炱含量激增，要求油品具有優異的煙炱分散性及抑制煙炱引起的發動機磨損能力，因而油品規格亦不斷升級換代，以適應新發動機技術和更苛刻的排放要求。

研制的CI-4 15W-40柴油機油經過某國Ⅳ發動機300 h的試驗考核，結果表明：具有優異的煙炱分散性和抑制煙炱引起的發動機磨損能力、抗氧抗磨損性，可滿足其用油要求。參考文獻：

[1] 陸沁瑩.熱重法測定煙炱含量及其應用[J].潤滑油，2005，20（2）：62-64.

[2] 徐小紅.美國最新內燃機油規格發展[J].潤滑油，2005，20（4）：50-55.

[3] 高級柴油機油CI-4性能[J].商用汽車雜志，2007（10）：129.

[4] ASTM D4485[S].2015.

[5] 王成勇.柴油機機油的新規格—API CI-4/ASTM PC-9[J].柴油機，2005，27（1）：43-48.