CK-4柴油機油在國五重負荷牽引自卸車上的應用研究

魏新宇 李湛 夏沖 王佳源 李梅花 徐珊

東風嘉實多油品有限公司

選用低灰分的東風嘉實多CK-4 15W-40柴油機油在東風天龍牽引自卸車上進行了60 000 km不換機油實車路試試驗，對試驗機油的各項理化性能進行了全過程的跟蹤監測。行車試驗結果表明，試驗機油具有良好的黏度保持性能、堿值保持能力、高溫抗氧化能力、高溫清凈性能、抗磨保護性能，完全滿足復雜苛刻路況下國五排放標準的重負荷牽引自卸車的潤滑需求。

隨著排放標準的日益嚴苛，各省陸續出臺了國六排放實施的具體時間，國六排放標準將分為A與B兩個階段。柴油車輛國六A將會在2020年7月正式執行，而國六B將會在2023年7月正式執行。為了滿足國六 A/B階段的排放標準，國內各大OEM（原始設備制造商）的發動機普遍采用渦輪增壓中冷、直噴、電控、高壓共軌等先進技術，同時采用EGR（廢氣再循環）、SCR（選擇性催化還原）、DPF（顆粒物捕集器）等后處理技術。這些技術大大提高了柴油機的綜合性能，但對潤滑油的要求也進一步提高，即要求改善柴油機油的高溫清凈性能，減少由于煙炱造成的柴油機油黏度增加，減少發動機部件磨損[1]；同時DPF（顆粒物捕集器）在未來國六排放車型中廣泛應用，柴油機油會逐步向低SAPS（低灰、低硫、低磷）方向發展。

CK-4柴油機油規格是API（美國石油學會）的最新一代柴油機油規格。由于選用低SAPS配方，不僅滿足采用了EGR、SCR等后處理技術的柴油機用油需求，而且可以適用于未來廣泛配置DPF的國六發動機用油需求。目前國內國六重負荷柴油發動機普遍在開發和驗證階段，因此本次油品驗證選用了裝載東風風神國五dci11發動機的東風天龍牽引自卸車，在山區礦場、山區道路、鄉村道路、高速公路等復雜工況下進行路試應用研究。

試驗部分

試驗車輛

試驗車輛為5輛車況相似、滿足國五排放要求的大馬力重負荷牽引自卸車，行駛里程在80 000～120 000 km之間，車輛運轉良好，發動機無大修且零部件密封良好，未出現滲油、漏油現象。試驗車輛運行工況為山區礦山砂石運輸，運輸載荷大，運行環境差，粉塵污染嚴重。5輛試驗車輛參數及使用情況見表1。

試驗用潤滑油

為了確保試驗條件的一致性，使試驗數據具有更好的參考意義，試驗機油為同一生產批號的東風嘉實多油品有限公司開發生產的CK-4 15W-40柴油機油，油品質量指標及新油理化性能實測數據見表2。

試驗用柴油

考慮到以往東風車型路試發現柴油機油酸、堿值（舊油測定值變化曲線）出現交叉的問題，通過對路試車輛用柴油進行檢測，出現此問題的主要原因是車輛使用地方劣質柴油[2]。因此本次試驗用柴油為參與路試的物流公司定點國內知名品牌的加油站提供的-10號車用柴油，車隊在該加油站加注的-10號車用柴油理化性質典型數據見表3。

表1 試驗車輛參數及使用情況

表2 試驗機油理化典型指標

試驗準備及采樣

試驗開始前，將5臺試驗車輛移至服務站水平地面，在舊機油熱的狀態下，從油底殼放油塞處放凈發動機內的舊機油，同時更換機濾、油濾、空濾，再用試驗機油對發動機進行清洗。清洗過程為發動機更換試驗機油后，怠速運轉20 min，然后放凈清洗油并再次更換機油濾清器。清洗完畢后加入新的試驗用油（東風嘉實多CK-4 15W-40柴油機油）至機油標尺上限，啟動發動機運行5 min，再補加新油至標尺上限，同時記錄加入機油總量和車輛的行駛里程數，開始行車試驗。

首次取樣為里程為0 km，每隔10 000 km取樣一次，總試驗里程要求不少于60 000 km，每次取樣150 mL，每次取樣后適當補加新油。

行車試驗用油評價標準

由于目前我國還沒有出臺CK-4等級的柴油機油換油指標，本次路試試驗部分指標選擇GB/T7607—2010《柴油機油換油指標》中的CH-4柴油機油換油指標進行輔助分析判斷，具體見表4。

試驗結果及分析

黏度保持性

運動黏度是發動機油潤滑性能的重要指標。不論運動黏度的過度上升或下降，對發動機的運轉均產生不利影響：一方面，若運動黏度增長過大，則導致發動機運轉能耗升高；另一方面，若運動黏度下降幅度過大，則導致油壓低，發動機運轉無力，且密封性和油膜承載力均會變差，惡劣情況下導致發動機磨損嚴重[3]。影響發動機油在使用過程中的黏度特性的因素有很多，如蒸發損失、聚合物熱裂解和降解、油品氧化縮合變稠、油品對煙炱和油泥的分散、燃油稀釋等[4]。

試驗油品100℃運動黏度變化見圖1。

由圖1可見，在試驗過程中，試驗油品的100 ℃運動黏度在20 000 km前出現緩慢下降。這主要是因為機油受到發動機摩擦副的剪切作用，使機油中的黏度指數改進劑由大分子剪切成小分子導致的，之后運動黏度變化趨于穩定，且在試驗后期未見快速增長。試驗油品中，100 ℃運動黏度變化率最大為4.71%，遠小于GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標黏度變化率變化限值(不超過±20%)，說明油品氧化和煙炱引起的黏度增長很少，試驗油品表現出優秀的黏度保持性能。

抗氧化性能

發動機油的氧化是導致其衰變失效的重要原因。由于潤滑油為碳氫化合物，在發動機高溫下與空氣及燃燒產物作用產生氧化反應生成醛、酮、有機酸等中間產物，而氧化中間產物又進一步氧化縮合生成大分子膠質和瀝青質物質從而使油品黏度增大[5]。通過檢測試驗過程中的氧化值可以監測機油的老化衰敗情況。

表3 定點加油站-10號車用柴油（國V）技術要求和典型數據

表4 GB/T 7607—2010中CH-4柴油機油換油指標

圖1 試驗油品100 ℃運動黏度變化趨勢

試驗油品氧化值變化見圖2。

由圖2可見，隨著試驗的進行，5輛車的氧化值均呈現緩慢上升的趨勢，與運動黏度變化規律一致，說明機油可以有效抑制自身氧化衰敗。

堿值保持性能和酸值變化

堿值及堿值保持能力是衡量發動機油清凈性能的重要指標。通常發動機油的堿值越高，其中和機油氧化和燃料燃燒產生的酸性物質的能力越強；同時堿值一般為機油添加劑中的清凈劑提供的，因此發動機油的堿值保持能力越好，其越能確保在使用后期具有足夠的清凈性能，避免因堿值消耗過大而造成清凈性能不足。

酸值主要用于檢測油品中某些功能添加劑的消耗情況及油品的老化程度。油品在使用過程中受到溫度、水分或其他因素的影響，會逐漸老化變質。隨著油品老化程度增加，產生較多的酸性物質，使油品酸值增加；較大量的酸性物質會對設備造成腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續加速油品的老化狀況，影響發動機的正常運行[6]。

試驗油品總堿值和總酸值變化見圖3。

圖2 試驗油品氧化值變化趨勢

圖3 試驗油品總堿值與總酸值變化趨勢

由圖3可見，隨著試驗的進行，總堿值呈現逐步下降的趨勢，總酸值呈現逐步上升的趨勢。由前面分析可知機油的氧化值增加較緩慢，因此總堿值下降主要是柴油燃燒產生的酸性物質與油品中和導致的，同時機油自身高溫氧化也會產生少量酸性物質，使總堿值降低和總酸值升高。試驗油品中總堿值最大下降至5.9 mgKOH/g，降幅為31%，遠小于 GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標堿值變化率變化限值（＞50%）；總酸值最大增長量為1.7 mgKOH/g，增幅為GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標總酸值變化上限的68%。這說明試驗油品具有較好的堿值保持性能和酸中和能力。

煙炱處理能力

煙炱即通常說的煙灰，其成分比較復雜，主要是燃油和竄入燃燒室的機油在貧氧下經不完全燃燒或熱裂解而產生的。當煙炱粒子增加到一定程度時，由于范德瓦爾斯力的影響，煙炱粒子發生積聚，與氧化形成的膠質凝聚成高黏度的網狀結構，這些網狀物極其脆弱，易斷裂，它們改變了油品的流動性，從而引起潤滑油黏度過快增長。如果機油不能有效分散機油中的煙炱，機油便無法形成完整連續的油膜，不能起到很好的潤滑作用，導致磨損加劇，同時過多的煙炱聚集還會導致發動機油路堵塞、氣門卡死等故障。東風風神dci11國五發動機由于采用了延遲噴射點火技術，降低了燃燒溫度從而減少NOx（氮氧化物）的排放，但也加劇了柴油不完全燃燒，產生更多的煙炱，因此需要機油具有更好的煙炱處理能力。

試驗油品煙炱含量變化見圖4。

由圖4可見，隨著試驗的進行，5輛車的煙炱含量均呈現累積上升的趨勢，試驗油品中煙炱含量最高達到了0.43%（質量分數），但機油黏度未見明顯升高，說明機油可以有效分散燃燒產生的煙炱，防止煙炱富集引起的機油黏度增長。

閃點變化分析

機油的閃點主要反映的機油被燃料污染的程度。如果機油閃點明顯下降，說明機油被燃料稀釋較嚴重，需要及時更換油品并檢修發動機。

試驗油品閃點變化見圖5。

由圖5可見，整個行車試驗過程中試驗機油閃點（閉口）未發生明顯變化，均保持在210～220 ℃，未超過GB/T 7607—2010 《柴油機油換油指標》CH-4換油指標的閃點（閉口）變化限值（＜130 ℃），說明本次試驗車輛狀況良好，未出現異常的燃油稀釋情況。

水分含量變化分析

機油中水分主要來自于燃燒室燃燒產生的水汽，缸套老化或散熱器銹蝕會引起機油水分異常升高。機油中過量水的存在會破壞機油油膜強度，造成機油添加劑分解失效，加快發動機零部件腐蝕。當發動機正常工作時，發動機工作溫度較高，因此燃燒產生的水分大部分被蒸發，對發動機危害不大。

試驗油品水分變化見圖6。

由圖6可見，試驗過程中，機油中水分一直處于痕跡狀態，小于GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標水分變化限值（＞0.20%），說明機油受到到水分污染，同時也反映發動機水冷系統工作狀況良好。

圖4 試驗油品煙炱含量變化趨勢

圖5 試驗油品閃點變化趨勢

圖6 試驗油品水分含量變化趨勢

正戊烷不溶物變化分析

正戊烷不溶物是潤滑油氧化產物、添加劑分解產物、發動機金屬磨粒和灰塵及積炭的綜合。主要反映潤滑油氧化變質和受污染的程度。

試驗油品正戊烷不溶物變化見圖7。

由圖7可見，試驗過程中，機油中正戊烷不溶物一直處于緩慢上升的狀態，試驗油品中正戊烷不溶物含量最高達到了0.39%（質量分數），遠小于GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標正戊烷不溶物變化限值（＞2.0%），說明機油性能穩定，氧化衰變緩慢。

抗磨性能及發動機磨損元素變化分析

在發動機運行過程中，零部件摩擦副的磨損不可避免，試驗過程中對元素含量變化的檢測是掌握發動機磨損情況的有效方法。機油中的磨損元素主要有Fe、Pb、Cu、Al、Cr等。從磨損元素的來源上分析，Fe、Cr、Al主要來自于發動機缸套、活塞、活塞環、閥系，Cu、Pb元素主要來源與發動機軸承和軸瓦。

試驗油品磨損元素變化見圖8～圖10。

由圖8～圖10可見，整個試驗過程中，各主要磨損元素呈現逐漸增大的趨勢，但磨損元素含量始終處于較低水平，試驗油品中磨損元素Fe最高達到了42 mg/kg，磨損元素Cu最高達到了31 mg/kg，磨損元素Pb最高達到了10 mg/kg，其他磨損元素均低于10 mg/kg。從結果來看，磨損元素遠小于GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標的磨損元素變化限值，說明機油具有非常好的抗磨損性能。

圖7 試驗油品正戊烷不溶物含量變化趨勢

圖8 試驗油品磨損元素Fe含量變化趨勢

圖9 試驗油品磨損元素Cu含量變化趨勢

Si元素變化分析

硅元素來源主要與汽車工作環境中的砂石、塵土以及外界異物產生的磨損，如果發動機油中硅元素過多，會造成發動機零部件的磨料磨損。

試驗油品磨損元素變化見圖11。

由圖11可見，整個試驗過程中，由于路試車輛主要為山區礦場，風沙和塵土較多，因此硅元素呈現明顯增加趨勢，且Si元素含量均已超過GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標Si元素變化限值（＞30 mg/kg）。試驗油品中Si元素最高達到了79 mg/kg，但各磨損元素始終處于較低水平，說明即使在Si元素含量超標的情況下，試驗機油依然可以提供足夠的油膜潤滑和抗磨保護。

發動機拆檢分析

行車試驗結束后選取1號試驗車輛進行了發動機拆解檢查，主要摩擦副和零部件外觀見圖12～圖18。經過拆機檢查，發動機缸套內壁、活塞環、曲軸、軸瓦表面狀態良好，無異常磨損和劃傷；活塞沉積物較少，無黏環現象；油底殼和側擋板油泥較少。說明試驗機油在60 000 km路試試驗中具有較好的抗磨保護性能、高溫清凈性能和抗油泥性能。

結論

試驗用CK-4 15W-40柴油機油在重載荷、多灰塵礦區及復雜路況條件下，搭載5輛東風天龍牽引自卸車完成了大于60 000 km的路試試驗。機油舊油取樣理化分析和發動機拆檢結果表明，試驗油品最終各主要理化指標（除硅元素含量）優于GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》CH-4換油指標，表現出優異的抗磨保護、抗氧化、堿值保持、黏度保持、煙炱處理、高溫清凈和抗油泥等性能，為5臺試驗車輛提供了良好的潤滑保護。

圖10 試驗油品磨損元素Pb含量變化趨勢

圖11 試驗油品污染元素Si含量變化趨勢

圖12 1號試驗車發動機缸套內壁外觀

圖13 1號試驗車發動機活塞環外觀

圖14 1號試驗車發動機活塞外觀

圖15 1號試驗車發動機主軸瓦外觀

圖16 1號試驗車發動機曲軸外觀

圖17 1號試驗車發動機側擋板內部外觀

圖18 1號試驗車發動機油底殼內部外觀