2014年北美重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格PC—11最新進(jìn)展

李秀濤　馮葉

摘要：文章介紹了北美新一代重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格（PC-11）2014年最新進(jìn)展情況，其中包括新規(guī)格與CJ-4規(guī)格的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)比情況、增加新發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的原因以及新發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的特點(diǎn)和開發(fā)進(jìn)度。同時(shí)還介紹了PC-11將要包含的兩個(gè)新規(guī)格情況以及PC-11實(shí)施時(shí)間表。

關(guān)鍵詞：重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格；PC-11；Mack T-13；CAT-EOAT；DD13

中圖分類號(hào)：TE626.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、車輛燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的提高以及排放法規(guī)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(duì)中高負(fù)荷卡車限制溫室氣體排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的法規(guī)，使得車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商積極推動(dòng)重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格的發(fā)展[1]。2011年6月美國發(fā)動(dòng)機(jī)制造商協(xié)會(huì)（EMA）和美國卡車制造商協(xié)會(huì)（TMA）向美國石油學(xué)會(huì)（API）的柴機(jī)油顧問小組（DEOP）提交了開發(fā)新規(guī)格（PC-11）的請(qǐng)求，隨后在12月份舉行的重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油分類小組會(huì)議上通過了開發(fā)新柴油機(jī)油規(guī)格的方案，并初步?jīng)Q定新規(guī)格將于2016年1月份開始實(shí)施。與2006年10月15日開始注冊(cè)認(rèn)證的CJ-4規(guī)格相比，新規(guī)格加強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)油在燃油經(jīng)濟(jì)性、抗氧化硝化、抗黏著磨損和防止機(jī)油內(nèi)空氣卷入等方面的性能。

眾所周知，我國的發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)主要參考美國的標(biāo)準(zhǔn)制定，因此研究美國重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格目前狀況及其發(fā)展方向，對(duì)我國潤滑油行業(yè)和汽車工業(yè)具有重要意義。

1PC-11新增發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

到目前為止，根據(jù)新規(guī)格開發(fā)小組（NCET）發(fā)布的信息，新規(guī)格PC-11與CJ-4相比在化學(xué)元素含量指標(biāo)方面并沒有變化，一個(gè)主要區(qū)別是PC-11可能會(huì)有三個(gè)新增發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)[2]。表1為PC-11與CJ-4發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)比情況，從表1可以看出PC-11的大部分發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)都是從CJ-4移植過來的，僅新增了三個(gè)試驗(yàn)，分別為：Mack T-13（熱穩(wěn)定性試驗(yàn)）、CAT-EOAT（充氣試驗(yàn)）和DD13（活塞/缸套擦傷試驗(yàn)）。下面將對(duì)增加這三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的原因、它們各自的特點(diǎn)以及最新進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行說明。

1.1熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

考慮到將在2016年頒布實(shí)施的節(jié)能汽機(jī)油規(guī)格GF-6中會(huì)采用新的氧化試驗(yàn)代替Seq ⅢG試驗(yàn)，但是到目前為止該新氧化試驗(yàn)還沒有完全確定，所以到時(shí)候PC-11可能會(huì)面臨沒有合適的氧化試驗(yàn)的情況，因此美國發(fā)動(dòng)機(jī)制造商協(xié)會(huì)要求在PC-11中采用新的氧化試驗(yàn)以取代Seq ⅢG試驗(yàn)。由馬克和沃爾沃動(dòng)力總成部門聯(lián)合研制的Mack T-13試驗(yàn)很有可能被采納為新的氧化試驗(yàn)，該試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為帶有廢氣循環(huán)（EGR）和可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）的六缸四沖程Mack MP-8柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)計(jì)劃在轉(zhuǎn)速為1500 r/min、載荷為2200 Nm和機(jī)油溫度為88 ℃條件下運(yùn)行360 h，并且在運(yùn)行過程中通過EGR和VGT控制系統(tǒng)精確控制進(jìn)氣歧管中CO2含量和進(jìn)氣歧管壓力，具體參數(shù)分別為（2.06±0.05）%和（232±5）kPa。試驗(yàn)結(jié)束后通過分析機(jī)油氧化硝化、活塞/缸套磨損、軸瓦腐蝕以及機(jī)油耗等情況考察油品的熱穩(wěn)定性能力，但具體指標(biāo)尚未公布。不過由于該試驗(yàn)耗時(shí)較長且費(fèi)用十分昂貴，不太適合基礎(chǔ)油互換試驗(yàn)，所以其中的一些重要參數(shù)和關(guān)鍵指標(biāo)有待商榷。該試驗(yàn)已于2012年啟動(dòng)，現(xiàn)在已完成前期試驗(yàn)，正在對(duì)低黏度機(jī)油進(jìn)行測試，下一步有望進(jìn)行精確的矩陣試驗(yàn)。

規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)另外需要指出的是，在PC-11中Mack T-13試驗(yàn)并不會(huì)取代Mack T-12試驗(yàn)，Mack T-12試驗(yàn)將會(huì)繼續(xù)用來檢測缸套和活塞環(huán)磨損，當(dāng)然，其中一些檢測指標(biāo)可能會(huì)被提高。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)油充氣試驗(yàn)

目前，CJ-4規(guī)格中的發(fā)動(dòng)機(jī)油充氣試驗(yàn)（ASTM D 6894）采用納威司達(dá)（Navistar）旗下的萬國卡車（International Truck）發(fā)動(dòng)機(jī)，該方法存在兩個(gè)問題：（1）不能有效反映不同發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗空氣卷入性能的真實(shí)差別；（2）測試結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性較差?？ㄌ乇死展緸榇碎_發(fā)了一個(gè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)油充氣試驗(yàn)（CAT-EOAT），該試驗(yàn)是基于CAT C13發(fā)動(dòng)機(jī)，采用高速空轉(zhuǎn)（1800 r/min）無負(fù)載模式并使用微動(dòng)技術(shù)進(jìn)行測量空氣卷入體積（注：微動(dòng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)精確測量發(fā)動(dòng)機(jī)油密度）。圖1展示了采用這兩種方法分別對(duì)兩種不同機(jī)油的測試結(jié)果[1]，從圖1可以看出，使用納威司達(dá)方法進(jìn)行測試，兩種機(jī)油的空氣卷入量沒有明顯的區(qū)別；而使用卡特彼勒方法，兩種機(jī)油的空氣卷入量則出現(xiàn)了較大的差異，這說明卡特彼勒方法比納威司達(dá)方法能夠更有效地反映不同機(jī)油的抗空氣卷入性能。

現(xiàn)在卡特彼勒公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)油充氣試驗(yàn)已經(jīng)基本完成，該試驗(yàn)也得到了代表潤滑油和添加劑公司利益的美國化學(xué)委員會(huì)的支持和認(rèn)可，并且在最近一次的工作會(huì)議上也通過了投票，所以該試驗(yàn)方法肯定會(huì)在PC-11中出現(xiàn)[3]。

1.3活塞環(huán)/缸套擦傷試驗(yàn)

隨著燃油經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)油向低黏度化發(fā)展成為不可避免的趨勢，因此新規(guī)格必須要加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗磨損性能。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部磨損的特點(diǎn)，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(gè)摩擦副之間由于存在其他顆粒物質(zhì)而引起的磨損；另一種是黏著磨損，它是指滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬黏著，發(fā)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(gè)摩擦副直接接觸在一起，在足夠大的外力作用下發(fā)生金屬黏著。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說通常發(fā)生在活塞上下止點(diǎn)，然后在隨后的相對(duì)滑動(dòng)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(guī)格主要重點(diǎn)保護(hù)混合潤滑和流體潤滑區(qū)域，所以該規(guī)格并沒有直接測定抗黏著磨損性能的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)（注：Caterpillar 1N發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中雖然有對(duì)活塞/缸套擦傷情況的考察，但是并沒有具體的定量指標(biāo)考核發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗黏著磨損性能）；而隨著PC-11低黏度規(guī)格的推出，油膜厚度將會(huì)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗黏著磨損性能勢必會(huì)成為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的重要指標(biāo)，因此開發(fā)能夠有效評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)油抗黏著磨損性能的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)顯得十分迫切。

DD13擦傷試驗(yàn)是主要由戴姆勒和路博潤進(jìn)行合作開發(fā)，試驗(yàn)采用底特律DD13型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過預(yù)設(shè)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和工況（運(yùn)行時(shí)間為125 h或150 h，發(fā)動(dòng)機(jī)功率逐步增加到510 hp）使缸套出現(xiàn)擦傷現(xiàn)象，如圖3所示，并根據(jù)產(chǎn)生擦傷的時(shí)間長短、頂環(huán)磨損情況以及對(duì)油品理化性能的分析（包括金屬鐵和鉻的含量），來考察發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗黏著磨損性能。原定于今年進(jìn)行的矩陣試驗(yàn)很可能會(huì)被推遲，主要原因是目前該試驗(yàn)方法還存在一些問題急需解決，比如，該方法在不同實(shí)驗(yàn)室的再現(xiàn)性較差以及該方法與行車試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性還受到質(zhì)疑。在下一次新規(guī)格開發(fā)小組（NCDT）會(huì)議上將會(huì)討論如何加快DD13試驗(yàn)的進(jìn)展。

通常認(rèn)為油膜厚度越薄，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)阻力越小，燃油經(jīng)濟(jì)性也就越好。所以美國發(fā)動(dòng)機(jī)制造商協(xié)會(huì)建議PC-11分為兩個(gè)規(guī)格：一個(gè)是高溫高剪切（HTHS）黏度不小于3.5 mm2/s的PC-11A，另一個(gè)是高溫高剪切黏度最小值位于2.9 ～ 3.3 mm2/s之間（具體數(shù)值還未確定）的PC-11B。PC-11A的黏度指標(biāo)與CJ-4相同，可以兼容老的油品質(zhì)量規(guī)格，適用于2016年之前的發(fā)動(dòng)機(jī)；而PC-11B由于黏度較低，適用于2016年之后新開發(fā)的并且有燃油經(jīng)濟(jì)性要求的發(fā)動(dòng)機(jī)。通過降低高溫高剪切黏度來實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的做法，與歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)（ACEA）制定標(biāo)準(zhǔn)的思路相一致。

現(xiàn)在主要的問題是怎樣命名這兩種規(guī)格以區(qū)分它們黏度上的不同，同時(shí)又與傳統(tǒng)的命名方法相統(tǒng)一。目前來看，主要有兩種方案[3]：一種是兩個(gè)不同黏度規(guī)格都命名為CK-4，但是要在限制性條款中對(duì)兩種不同黏度規(guī)格進(jìn)行說明，高黏度規(guī)格可以兼容老的油品質(zhì)量規(guī)格，而低黏度規(guī)格則不可以；另外一種方案是，高黏度規(guī)格命名為CK-4，低黏度規(guī)格命名為DK-4，這樣CK-4作為傳統(tǒng)命名方式延續(xù)下來的新規(guī)格可以兼容老的油品質(zhì)量規(guī)格，而與之相平行存在DK-4則作為未來具有燃油經(jīng)濟(jì)性功能的質(zhì)量規(guī)格。在2014年1月份舉行的工作會(huì)議上后一種方案獲得了較為廣泛的支持。

3PC-11實(shí)施時(shí)間表[4]

原定于2016年1月1日發(fā)布實(shí)施的新一代美國重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格PC-11，可能會(huì)推遲三個(gè)月至4月1日或更晚才開始實(shí)施。主要原因是由于一些新增的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)展不順利還需要更多時(shí)間進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)一些添加劑公司表示由于2016年還有另一個(gè)新的輕負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格（GF-6）將要發(fā)布實(shí)施，因此他們需要更多的時(shí)間來進(jìn)行兩種新規(guī)格產(chǎn)品的開發(fā)。

4結(jié)束語

本文概述了北美新一代重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格（PC-11）2014年最新進(jìn)展情況，同時(shí)詳細(xì)介紹了新規(guī)格中三個(gè)新增發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的特點(diǎn)和進(jìn)度。整體來看，新規(guī)格將向低黏度化發(fā)展但同時(shí)兼顧對(duì)老規(guī)格的兼容性，并加強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)油在燃油經(jīng)濟(jì)性、抗氧化硝化、抗黏著磨損和防止機(jī)油內(nèi)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(zhàn)是，如何解決油品低黏度化帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)制造商共同協(xié)作開發(fā)高性能油品和改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)經(jīng)濟(jì)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。