基于dci11發(fā)動機臺架試驗評價10萬公里長壽命柴油機油性能

2019-05-08 01:02:12李湛夏沖魏新宇余春松張亞平韓燕玲

石油商技 2019年2期

李湛夏沖魏新宇余春松張亞平韓燕玲

東風(fēng)嘉實多油品有限公司

隨著商用車數(shù)量的快速增長，石油消耗量快速增加，石油危機的威脅日益凸顯，對環(huán)境的污染日漸加重，人們的節(jié)能意識和環(huán)保要求不斷提高。長壽命發(fā)動機油降低了廢機油的生成量及處理成本，符合先進的節(jié)能環(huán)保理念；同時從終端客戶角度考慮，降低了車輛換油頻次，提高了出勤率，帶來了綜合經(jīng)濟效益的提升；對于OEM 廠商而言，有與其發(fā)動機技術(shù)相匹配的質(zhì)量穩(wěn)定可靠的長壽命發(fā)動機油可提高其產(chǎn)品競爭力，提升在廣大用戶中的口碑，增強在業(yè)界的影響力，實現(xiàn)銷量的提升［1］。目前長換油期的潤滑油已成為最重要的研究課題之一［2］。傳統(tǒng)換油周期僅為10 000～20 000 km的柴油機油已遠遠不能滿足重型載貨車市場的高端化需求。同時，隨著油品及卡車技術(shù)的升級換代，開發(fā)長壽命柴油機油作為柴油發(fā)動機關(guān)鍵零部件，并對其進行可靠性和耐久性驗證，已經(jīng)成為了行業(yè)一致需求與共識。

在長壽命柴油機油開發(fā)方面，北美主要商用車Mack、Cummins和Caterpillar等OEM（原始設(shè)備制造商）換油里程相對較短，歐洲主要商用車MAN、SCANIA、Renault和DAF等OEM也已經(jīng)針對各種發(fā)動機技術(shù)特點開發(fā)了大于100 000公里換油期的長壽命柴油機油［3］。

目前我國柴油機油規(guī)格與美國石油學(xué)會API機油規(guī)格基本一致，而我國主流柴油機技術(shù)路線主要從歐洲引入，其發(fā)動機特點是（高壓共軌電噴技術(shù)+SCR選擇性催化還原），發(fā)動機運行工況機制與美國柴油機技術(shù)（EGR廢氣冷卻再循環(huán)+DPF微粒過濾器）有著巨大的差別［4］，因此有必要基于國內(nèi)歐系技術(shù)發(fā)動機dci11平臺對東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油進行可靠性、耐久性驗證。

試驗部分

試驗?zāi)康?/h3>
考察東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油對dci420-51國V發(fā)動機的磨損影響，比較試驗前后發(fā)動機的性能變化情況，測量發(fā)動機主要零部件的磨損數(shù)據(jù)，監(jiān)測潤滑油理化指標(biāo)變化情況，驗證其可靠性和耐久性，綜合評判潤滑油綜合性能。

試驗對象

試驗用柴油機油

試驗機油為東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油，配方組成見表1，典型數(shù)據(jù)見表2。

發(fā)動機主要技術(shù)特征及參數(shù)

發(fā)動機主要技術(shù)特征及參數(shù)見表3。

本文采用國內(nèi)東風(fēng)商用車歐系雷諾dci11重型柴油發(fā)動機，通過1 000 h可靠性、耐久性臺架試驗考察東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油的綜合性能。臺架試驗結(jié)果表明，東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油具有優(yōu)秀的抗磨保護性能、高溫清凈分散性、抗氧化性能、抗油泥性能和堿值保持性能，可以滿足雷諾dci11國V排放重負(fù)荷柴油發(fā)動機超長換油期的使用要求。

主要試驗步驟及方法

發(fā)動機主要摩擦副試驗前測量

對發(fā)動機試前拆機，對主要摩擦副進行試驗前的測量，包括活塞（環(huán)）-缸套、主軸承瓦-連桿瓦、凸輪軸-氣門挺桿。

發(fā)動機可靠性、耐久性試驗前和試驗后發(fā)動機性能試驗

按照GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》進行發(fā)動機總功率試驗、活塞漏氣量試驗、機油消耗量試驗，記錄發(fā)動機最大功率工況、最大扭矩工況、最低燃油消耗率、最高排氣溫度、最大活塞漏氣量、最大功率機油消耗率、機燃比、24 h消耗機油量。

發(fā)動機可靠性、耐久性試驗

按照GB/T 19055—2003《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》進行1 000 h可靠性、耐久性試驗，采用全速全負(fù)荷試驗（額定轉(zhuǎn)速，油門全開）。試驗油樣每100 h取樣1次，從0 h至1 000 h，共計取樣11次，將取得的機油樣品進行理化分析，監(jiān)測其變化情況。

表1 試驗機油配方組成

表2 試驗機油典型數(shù)據(jù)

發(fā)動機拆解

拆解發(fā)動機，對零部件進行精確測量，并對外觀進行評分。

表3 發(fā)動機主要特征及典型參數(shù)

試驗條件

性能試驗控制條件

◇燃油溫度：（40±2） ℃；

◇進氣管總溫度：（47±2） ℃（額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷）；

◇出水溫度：（90±2）℃（額定工況）；

◇進氣阻力：≤-5.0 kPa（額定功率）；

◇排氣背壓：（20±2） kPa（額定工況）；

◇中冷前后壓降：（20±1） kPa（額定功率）。

可靠性、耐久試驗控制條件

◇進氣溫度：（40±5）℃；

◇進氣管總溫度（中冷后）：（70±5）℃（額定工況）；

◇燃油溫度：（40±3）℃；

◇出水溫度：90～100 ℃；

◇進氣阻力：≤-5.0 kPa（額定工況）；

◇排氣背壓：（20±2）kPa（額定工況）；

◇中冷前后壓降：（20±1）kPa（額定工況）。

試驗用燃油、防凍液

◇燃油：國V 0號柴油；

◇防凍液：凌浚重負(fù)荷發(fā)動機冷卻液HEC-II-40 ℃。

結(jié)果與討論

1 000 h可靠性、耐久性試驗前后發(fā)動機性能變化

試驗發(fā)動機在1 000 h可靠性、耐久性試驗前后的主要性能對比見表4。

從表4可以看出，1 000 h可靠性、耐久性試驗后，發(fā)動機最大功率、最大扭矩、燃油消耗率、活塞漏氣量等變化量較初始值均未超過5%。試后機油消耗量變大，主要原因為活塞環(huán)與缸套間隙變大，油環(huán)油封性能下降所致，屬正?，F(xiàn)象。

1 000 h可靠性、耐久性試驗機油理化數(shù)據(jù)分析

運動黏度變化

運動黏度是保證發(fā)動機正常潤滑的基本條件。在正常情況下，發(fā)動機工作過程中，發(fā)動機油運動黏度變化除受到發(fā)動機摩擦副剪切作用外還受到2個因素影響，分別為機油自身的氧化和燃燒竄入機油里的煙炱。從氧化角度來說：由于潤滑油為碳氫化合物，在發(fā)動機高溫下與空氣及燃燒產(chǎn)物作用產(chǎn)生氧化反應(yīng)生成醛、酮、有機酸等中間產(chǎn)物，而氧化中間產(chǎn)物又進一步氧化縮合生成大分子膠質(zhì)和瀝青質(zhì)物質(zhì)使油品黏度增大。從煙炱角度來說：煙炱作為單獨小顆粒存在于機油中是不會引起明顯的黏度增加的，當(dāng)煙炱粒子增加到一定程度時，由于范德華引力的影響，煙炱粒子發(fā)生積聚，與氧化形成的膠質(zhì)凝聚成高黏度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)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［5］。

1 000 h可靠性、耐久性試驗機油樣品的黏度與氧化值隨運行時間的變化見圖1，機油黏度與煙炱含量隨運行時間的變化見圖2。

從圖1可以看出，當(dāng)臺架試驗達到400 h時，機油氧化值出現(xiàn)了陡升，在500 h時達到峰值，這說明機油在400～500 h時開始明顯氧化，但機油黏度并未隨油品氧化值陡升而劇烈變化，而是在0～600 h保持穩(wěn)定緩慢增長，這說明試驗油品具有良好的清凈分散性能，可以有效防止機油氧化產(chǎn)物進一步縮合成大分子膠質(zhì)，從而有效防止氧化引起的機油黏度增長；在機油氧化值達到峰值后，在后續(xù)500～1 000 h臺架試驗中，氧化值在小范圍內(nèi)波動，考慮到檢測誤差，可認(rèn)為機油氧化值在達到45 A/cm-1后氧化速率維持在一定水平，進一步氧化得到有效抑制。

從圖2可以看出，機油煙炱含量在600 h上升達到第1個峰值時，運動黏度出現(xiàn)第1個拐點，并在600～700 h迅速上升，而從600～900 h，當(dāng)機油煙炱含量趨于穩(wěn)定后，運動黏度增長也趨于穩(wěn)定，達到新的平衡；在900～1 000 h，機油煙炱含量再次開始上升，運動黏度從950 h開始隨煙炱含量同步增加。由此可知，運動黏度增長同機油煙炱含量增長呈密切的正相關(guān)性，該特征與以往采用dci國V發(fā)動機進行可靠性、耐久性試驗中的機油變化規(guī)律一致。因此在試驗過程中，對于東風(fēng)嘉實多10萬公里長壽命CJ-4 10W-40柴油機油，黏度變化的主要影響因素為煙炱含量。對于dci發(fā)動機可靠性、耐久性試驗的煙炱含量來源，可以從2個方面解釋：從發(fā)動機角度來看，dci國V發(fā)動機采用SCR（選擇性催化還原）技術(shù)方案后，會使發(fā)動機排氣背壓增加，阻礙高溫燃燒氣體的排出，而滯留的高溫燃燒氣體將導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部煙炱含量和溫度較高；從試驗過程工況來看，可靠性、耐久性試驗在“全速全負(fù)荷”工況下，容易引起煙炱的過快增長。

表4 1 000 h可靠性、耐久性試驗前后發(fā)動機主要性能對比

圖1 試驗機油樣品黏度與氧化值隨運行時間的變化

圖2 試驗機油樣品黏度與煙炱含量隨運行時間的變化

總堿值、總酸值變化

發(fā)動機油在使用過程中產(chǎn)生的氧化衰變產(chǎn)物、燃油不完全燃燒產(chǎn)物等污染物對發(fā)動機的性能具有非常大的影響。發(fā)動機油的高溫清凈性能可以確?；钊ōh(huán)）、缸套保持清潔，減少活塞沉積物的生成，并保持曲軸箱內(nèi)清潔，提高油品對油泥、膠質(zhì)的清凈分散能力。堿值及堿值保持能力是衡量發(fā)動機油清凈性能的參數(shù)之一。通常發(fā)動機油的堿值越高，其中和酸性物質(zhì)的能力越強，清凈性越好；但堿值的高低與堿值保持能力的好壞并沒有一一對應(yīng)關(guān)系［6］。發(fā)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。發(fā)動機油總酸值變化是機油氧化程度的指標(biāo)，反映了基礎(chǔ)油氧化衰變情況和機油中添加劑消耗降解程度。

1 000 h可靠性、耐久性試驗機油樣品的總堿值與總酸值隨運行時間的變化見圖3。

從圖3可以看出，機油在1 000 h可靠性、耐久性試驗中，總堿值先緩慢下降，在400 h后保持穩(wěn)定；同時總酸值在0～400 h保持緩慢上升，在400 h后保持穩(wěn)定；總堿值和總酸值變化率遠低于油品評估技術(shù)要求。試驗結(jié)果表明，東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10W公里長壽命機油具有優(yōu)秀的堿值保持能力，可以長期保持適當(dāng)?shù)膲A值和良好的清凈分散能力，可持續(xù)中和油品中的酸性物質(zhì)，防止發(fā)動機機件的腐蝕。

硝化值和正戊烷不溶物含量變化

發(fā)動機油中的硝化物是產(chǎn)生油泥的主要組分之一。正戊烷不溶物主要表征發(fā)動機油高溫氧化過程中產(chǎn)生的非油溶性物質(zhì)及發(fā)動機磨損的金屬顆粒。硝化值和正戊烷不溶物含量是監(jiān)測機油中油泥等非油溶物的重要指標(biāo)。當(dāng)機油中油泥和非油溶性沉淀過多時，發(fā)動機的輸送系統(tǒng)就有可能發(fā)生不暢甚至堵塞；也會在活塞、挺桿等部位形成漆膜粘結(jié)，影響發(fā)動機的正常運行。

1 000 h可靠性、耐久性試驗機油樣品的硝化值與正戊烷不溶物隨運行時間的變化見圖4。

從圖4可以看出，機油在1 000 h可靠性、耐久性試驗中，硝化值隨著試驗運行時間逐步增長；正戊烷不溶物呈現(xiàn)微弱增大的趨勢，但始終處于非常小的范圍內(nèi)。根據(jù)以上分析可知，組成正戊烷不容物的機油氧化產(chǎn)物和磨損金屬顆粒沒有異常波動，發(fā)動機臺架試驗過程中運行平穩(wěn)。

元素變化

機油中所含元素主要分為添加劑元素（包括Ca、P、Zn、Mg等）和磨損元素（包括Fe、Cu、Pb、Al等）兩大類。在臺架試驗過程中監(jiān)控元素變化，可以反映油品在臺架運行過程中的基本情況，如果臺架試驗出現(xiàn)泄露、污染、燃油稀釋等情況，油品中添加劑元素也會異常波動。同時磨損元素的變化情況也可以直接反映在發(fā)動機臺架運行過程中各摩擦副的磨損情況，直觀反映機油的抗磨性能。

1 000 h可靠性、耐久性試驗機油樣品的添加劑元素和磨損元素含量隨運行時間的變化分別見圖5、圖6。

圖3 試驗機油樣品總堿值與總酸值隨運行時間的變化

圖4 試驗機油樣品硝化值與正戊烷不溶物隨運行時間的變化

從圖5可以看出，機油在1 000 h可靠性、耐久性試驗中，各添加劑元素呈緩慢升高的趨勢，這是由于在試驗過程中，機油中的部分輕組分蒸發(fā)損失，添加劑元素會繼續(xù)留在機油中，在不斷補加機油后，添加劑元素緩慢富集。由此可知，在臺架試驗過程中，機油狀態(tài)穩(wěn)定，未明顯混入其他雜質(zhì)和機油。

從圖6可以看出，各機油在1 000 h可靠性、久性試驗中磨損元素變化均勻。正常情況下，發(fā)動機在使用過程中，各摩擦副的磨損是不可避免的，發(fā)動機磨損元素變化應(yīng)該為緩慢增長，其中Fe、Al主要來源于缸套、活塞、閥系，Cu、Pb元素主要來源于連桿軸瓦和主軸瓦等。由此可知，東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油具有良好的抗磨性能，機油磨損元素未見異常升高。

臺架試驗發(fā)動機拆檢結(jié)果分析

磨損量

發(fā)動機臺架試驗結(jié)束后，對發(fā)動機進行拆檢分析，重點考核活塞（環(huán)）-缸套、主軸承瓦-連桿瓦、凸輪軸-氣門挺桿的磨損情況。

圖5 試驗機油樣品添加劑元素含量隨運行時間的變化

圖6 試驗機油樣品磨損元素含量隨運行時間的變化

活塞（環(huán)）-缸套磨損情況及外觀分析：發(fā)動機拆檢后，各活塞頭部有燃燒產(chǎn)物沉積、活塞裙部無磨損現(xiàn)象，各活塞第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)、油環(huán)試后轉(zhuǎn)動靈活，外觀良好。

各活塞環(huán)磨損量見表5，各活塞外觀狀態(tài)見圖7。

從表5和圖7可以看出，各活塞環(huán)經(jīng)過1 000 h可靠性、耐久性試驗后，各活塞環(huán)開口間隙未超過主機廠推薦限值，活塞環(huán)功能正常。各缸套外圍無氣穴穴蝕，可見加工紋路。缸套內(nèi)珩磨網(wǎng)紋清晰可見，無拉缸現(xiàn)象。

各缸套一環(huán)上止點處最大磨損量見表6，各缸套外觀見圖8。

從表6和圖8可以看出，缸套磨損量未見異常，符合主機廠磨損限值要求。

主軸承瓦、連桿瓦最大磨損量見表7、表8。主軸承瓦外觀狀態(tài)見圖9。連桿軸承瓦外觀狀態(tài)見圖10。

從表7、表8、圖9、圖10可以看出，主軸承瓦-連桿瓦磨損量符合主機廠磨損限值要求；發(fā)動機拆檢后，主軸承瓦上瓦和下瓦外觀良好，沒有擦傷、擠壓、剝落的跡象發(fā)生；連桿瓦上瓦和下瓦外觀良好，沒有擦傷、剝落現(xiàn)象。

表5 臺架試驗后活塞環(huán)磨損量

圖7 臺架試驗后各活塞外觀狀態(tài)

圖8 臺架試驗后缸套內(nèi)壁外觀狀態(tài)

凸輪軸凸輪最大磨損量見表9，凸輪軸外觀狀態(tài)見圖11。搖臂襯套磨損量數(shù)據(jù)見表10，搖臂外觀狀態(tài)見圖12。挺柱最大磨損量數(shù)據(jù)見表11，挺柱外觀狀態(tài)見圖13。

從表9～表11、圖11～圖13可以看出，凸輪軸未出現(xiàn)剝落、劃傷和點蝕現(xiàn)象；搖臂襯套未發(fā)現(xiàn)異常磨損；氣閥驅(qū)動機構(gòu)主要磨擦部件挺柱外觀有輕微磨痕；活塞（環(huán)）-缸套、主軸承瓦-連桿瓦、凸輪軸-氣門挺桿等主要摩擦副磨損情況正常，未超過1 000 h可靠性、耐久性試驗主機廠推薦磨損限值。這說明東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10W公里長壽命機油具有良好的抗磨保護性能。

活塞清凈性

發(fā)動機拆檢后，按照SH/T 0031—90《柴油機活塞清凈性評分方法》對臺架試驗后活塞總成進行處理，并在評分箱中進行活塞清凈性評分。評分結(jié)果見表12。

由表12可以看出，dci420-51發(fā)動機經(jīng)過1 000 h可靠性、耐久性臺架試驗后，活塞清凈性評分滿足主機廠推薦的活塞清凈性標(biāo)準(zhǔn)要求，說明東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10W 公里長壽命柴油機油具有較好的高溫清凈性能。

發(fā)動機拆檢油泥沉積物

發(fā)動機拆檢后，按照美國協(xié)調(diào)研究委員會（CRC）評分手冊

表6 臺架試驗后缸套一環(huán)上止點處最大磨損量

表7 臺架試驗后主軸承瓦磨損量

表8 臺架試驗后連桿瓦磨損量

圖9 臺架試驗后主軸承外瓦外觀狀態(tài)

圖10 臺架試驗后連桿外瓦外觀狀態(tài)

表9 臺架試驗后凸輪軸凸輪最大磨損量

表10 臺架試驗后搖臂襯套磨損量

圖11 臺架試驗后凸輪軸外觀狀態(tài)

圖12 臺架試驗后搖臂外觀狀態(tài)

表11 臺架試驗后挺柱最大磨損量

圖13 臺架試驗后挺柱外觀狀態(tài)

第4冊油泥評分法，對臺架試驗后dci420-51發(fā)動機油底殼、缸罩蓋、齒輪室蓋和挺桿室擋板進行油泥沉積情況分析，結(jié)果見表13，油底殼、缸罩蓋、齒輪室蓋、挺桿室擋板外觀分別見圖14～圖17。

從表13、圖14～圖17可以看出，發(fā)動機油底殼、缸罩蓋、齒輪室油泥沉積較少，挺桿室擋板因靠近渦輪增壓器，溫度較高，油泥最厚處達到F，但屬于正常。由此可知，東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油具有較好的清凈分散性能，可有效防止機油中油泥的產(chǎn)生。

結(jié)論

采用東風(fēng)dci420-51國V發(fā)動機進行1 000 h全速全負(fù)荷可靠性、耐久性試驗，對東風(fēng)嘉實多CJ-4 10W-40 10萬公里長壽命柴油機油性能進行全面考察，結(jié)果表明，試驗用機油在抗氧化、黏度保持、煙炱處理、高溫清凈、抗磨保護和抗油泥等方面表現(xiàn)良好，可以為發(fā)動機提供全面持久的保護。未來將開展實車行車試驗，進一步驗證機油在實車實際路況中對發(fā)動機的綜合保護性能。