CI—4 15W—40柴油機(jī)油在國Ⅳ發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究

趙正華+劉志勇+湯仲平+廖湘蕓

摘要：發(fā)動機(jī)廠商采用多項新技術(shù)以滿足更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時也對發(fā)動機(jī)油產(chǎn)品提出了更高的要求，文章主要闡述了API CI-4柴油機(jī)油的性能要求，并對研制的CI-4 15W-40柴油機(jī)油在國Ⅳ發(fā)動機(jī)300 h的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，CI-4 15W-40柴油機(jī)油具有優(yōu)異的煙炱分散性和抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損能力、抗氧抗磨損性，可滿足國Ⅳ發(fā)動機(jī)用油要求。

關(guān)鍵詞：CI-4柴油機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(huán)保、節(jié)能、延長換油期是推動油品規(guī)格發(fā)展進(jìn)步的主要動力，隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，僅依靠機(jī)內(nèi)凈化措施已不能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，發(fā)動機(jī)制造商采取各種新技術(shù)，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(huán)（EGR）等技術(shù)，以使其發(fā)動機(jī)滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)[1]。

我國排放標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）汽車技術(shù)法規(guī)體系制定而成。隨著我國對環(huán)保的不斷重視，重負(fù)荷柴油機(jī)的排放不斷嚴(yán)格，國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)已在北京、上海等少數(shù)城市實施，而全國實施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的時間由于柴油燃料硫含量不達(dá)標(biāo)的原因再次被推遲，為達(dá)到國Ⅳ排放要求，國內(nèi)一汽、二汽、濰柴、上柴等汽車制造廠以不同的技術(shù)路線開發(fā)出滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)，這些后處理技術(shù)的采用，對柴油機(jī)油提出了嚴(yán)峻的考驗，需要更高規(guī)格的潤滑油來滿足發(fā)動機(jī)的潤滑要求。API CI-4柴油機(jī)油可以滿足國Ⅳ發(fā)動機(jī)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(jī)油規(guī)格用于裝有EGR裝置的發(fā)動機(jī)，比現(xiàn)行的API CH-4規(guī)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(yōu)異的高溫清凈性

油品需要通過評定高溫清凈性的發(fā)動機(jī)臺架試驗有Caterpillar 1K和Caterpillar 1P（1R），主要用于評定柴油機(jī)油對活塞沉積物、活塞環(huán)黏結(jié)以及活塞環(huán)、氣缸套的擦傷、油耗的影響；其中Caterpillar 1K發(fā)動機(jī)采用全鋁活塞減少了頂環(huán)臺與缸套之間的間隙，提高了頂環(huán)槽的位置，改善了燃燒，降低了排放污染，提高了活塞第一環(huán)槽溫度；Caterpillar 1P發(fā)動機(jī)臺架試驗采用頂部為鐵、裙部為鋁的兩段活塞，其活塞環(huán)的頂環(huán)更靠近活塞頂部，同時發(fā)動機(jī)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(yōu)良的頂環(huán)岸重炭和頂環(huán)槽充炭的控制能力[6]。

（2）優(yōu)異的煙炱分散性

新發(fā)動機(jī)技術(shù)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(shù)的采用，在改善柴油機(jī)的排放質(zhì)量的同時，卻使?jié)櫥椭械臒熿坪看蟠笤黾覽1]，易導(dǎo)致油品黏度的快速增長和發(fā)動機(jī)的磨損，API CI-4柴油機(jī)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(jī)油的煙炱分散性能，試驗中煙炱含量高達(dá)55%，這就要求油品具有非常好的防止煙炱聚集的能力。

（3）優(yōu)異的抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損

煙炱以一定的形式積聚，造成發(fā)動機(jī)活塞環(huán)、汽缸壁和氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。發(fā)動機(jī)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(jī)油表現(xiàn)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(fā)動機(jī)試驗中抗磨損性能表現(xiàn)中看出來，見圖1。

煙炱對閥系的磨損根據(jù)設(shè)計不同可分為滾動磨損和滑動磨損。發(fā)動機(jī)油對因煙炱引起的驅(qū)動軸磨損的保護(hù)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(fā)動機(jī)機(jī)油對因煙炱增加引起的凸輪、閥系構(gòu)件磨損的保護(hù)能力采用Cummins ISM（或Cummins M11）高煙炱試驗來評價，Cummins ISM發(fā)動機(jī)臺架試驗最高煙炱含量可達(dá)70%；帶EGR的Mack T-12發(fā)動機(jī)臺架試驗，煙炱含量達(dá)60%，用于評定煙炱引起的缸套磨損和活塞頂環(huán)磨損、軸瓦腐蝕以及機(jī)油耗，這就要求油品具有非常好的抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損能力[9]。

（4）優(yōu)異的高溫抗氧化、抗腐蝕性

API CI-4柴油機(jī)油需要通過程序ⅢF（ⅢG ）發(fā)動機(jī)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(chǎn)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(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕性能[9]。

（5）較低的機(jī)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(fā)動機(jī)冷啟動時提供極好的抗磨損保護(hù)

2CI-4 15W-40柴油機(jī)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(yīng)用于加氫基礎(chǔ)油中，調(diào)制的CI-4 15W-40柴油機(jī)油，通過了Caterpillar 1K、Caterpillar 1P、Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、RFWT、EOAT、程序ⅢF發(fā)動機(jī)臺架試驗，產(chǎn)品質(zhì)量滿足API CI-4柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，CI-4 15W-40柴油機(jī)油實測數(shù)據(jù)見表2。

3某國Ⅳ發(fā)動機(jī)應(yīng)用研究

選擇國內(nèi)某汽車廠研發(fā)的國Ⅳ發(fā)動機(jī)，某國Ⅳ發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3某國Ⅳ發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

項目某國Ⅳ發(fā)動機(jī)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(shù)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(fā)火次序1-5-3-6-2-4額定功率/kW261凈功率/kW258額定轉(zhuǎn)速/r·min-12100最大扭矩/N·m1500最大扭矩轉(zhuǎn)速/r·min-11300～1470

將CI-4 15W-40柴油機(jī)油在該國Ⅳ發(fā)動機(jī)上進(jìn)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(jìn)行分析檢測，檢測項目包括常規(guī)理化指標(biāo)、紅外光譜和磨損金屬元素三個方面，其中，常規(guī)理化指標(biāo)主要包括油品的100 ℃運(yùn)動黏度、堿值、煙炱含量及水分；紅外指標(biāo)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(jié)果如下。

3.1100 ℃運(yùn)動黏度

多級油品100 ℃運(yùn)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(fā)動機(jī)摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指數(shù)改進(jìn)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(fā)動機(jī)使用時間延長，油品本身發(fā)生氧化并生成大分子膠質(zhì)，使油品黏度緩慢上升[10]。100 ℃運(yùn)動黏度變化趨勢見圖2。

圖2100 ℃運(yùn)動黏度變化趨勢

由圖2可以看出，CI-4 15W-40柴油機(jī)油在整個考核試驗過程中，100 ℃運(yùn)動黏度主要呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢，但下降幅度很小，說明油品具有優(yōu)異的剪切安定性和黏度保持性，沒有出現(xiàn)過度氧化而造成的油品黏度劇增現(xiàn)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(chǎn)生酸性物質(zhì)，使得油品的堿值逐步下降，但未超出換油指標(biāo)要求的50%，符合發(fā)動機(jī)油在使用過程中堿值下降的變化規(guī)律。

3.3煙炱含量

煙炱是柴油和進(jìn)入燃燒室的機(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(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhì)，在一定條件下可反應(yīng)生成氧化物、硝化物等酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在可導(dǎo)致機(jī)件腐蝕、磨損等現(xiàn)象，故而對油品的使用造成負(fù)面影響，而發(fā)動機(jī)油中的添加劑可以減緩或終止這類反應(yīng)，抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì)的生成，因此，利用紅外光譜監(jiān)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(fā)動機(jī)各主要摩擦副在運(yùn)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(jié)果見圖6，其余磨損金屬元素結(jié)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(xiàn)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(jī)油具有優(yōu)異的抗磨損和抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損能力。

試驗結(jié)束后，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查，具體結(jié)果見圖7～圖9。

經(jīng)拆機(jī)檢查，凸輪軸、軸瓦、十字頭、十字頭銷及活塞環(huán)等表面形貌狀態(tài)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(huán)，說明CI-4 15W-40柴油機(jī)油在某國Ⅳ發(fā)動機(jī)300 h的試驗中，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫清凈性、分散性和抗氧抗磨損性。

4結(jié)論

日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)使得OEM廠商采用多種發(fā)動機(jī)新技術(shù)，導(dǎo)致柴油機(jī)油中煙炱含量激增，要求油品具有優(yōu)異的煙炱分散性及抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損能力，因而油品規(guī)格亦不斷升級換代，以適應(yīng)新發(fā)動機(jī)技術(shù)和更苛刻的排放要求。

研制的CI-4 15W-40柴油機(jī)油經(jīng)過某國Ⅳ發(fā)動機(jī)300 h的試驗考核，結(jié)果表明：具有優(yōu)異的煙炱分散性和抑制煙炱引起的發(fā)動機(jī)磨損能力、抗氧抗磨損性，可滿足其用油要求。參考文獻(xiàn)：

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