滿足國Ⅵ排放的重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油研制及應(yīng)用

趙正華，馬文全,張勤，焦軍平，金鵬

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060;2.中國石油蘭州潤滑油廠，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

2018年6月，生態(tài)環(huán)境部和國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及車輛方法(中國第六階段)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)可適用于天然氣或液化石油氣作為燃料的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)汽車及其發(fā)動機(jī)所排放的氣態(tài)污染物的排放限值及測量方法。要求整車進(jìn)行實(shí)際道路車載法排放試驗(yàn)，達(dá)到以下排放限值，具體限值見表1。

表1 整車試驗(yàn)排放限值 mg/kW·h

注：*為PN限值從6b階段開始實(shí)施。

而今年7月1日期，北京地區(qū)的重型燃?xì)廛嚤仨殱M足國Ⅵb階段要求，NOx和PM將比國Ⅴ階段降低60%以上，并增加了顆粒物粒數(shù)(PN)限值要求，該排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將有利于提升機(jī)動車排放水平，進(jìn)一步減少污染排放，促進(jìn)空氣質(zhì)量改善。

1 國Ⅵ重型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的性能特點(diǎn)

目前，天然氣發(fā)動機(jī)的工作方式主要有兩種，第一種是點(diǎn)燃式，與傳統(tǒng)汽油機(jī)工作方式類似，天然氣和空氣在進(jìn)氣沖程行車均質(zhì)混合氣，由火花塞點(diǎn)火引燃天然氣空氣均質(zhì)混合氣；第二種工作方式為壓燃式，由于天然氣著火溫度非常高，天然氣不易被壓燃，天然氣由缸內(nèi)直噴的柴油引燃。

點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動機(jī)按照混合氣濃度可以分為當(dāng)量燃燒和稀薄燃燒兩種方式，混合氣的形成方式通常有進(jìn)氣道噴射以及缸內(nèi)直噴的方式。采用當(dāng)量燃燒的天然氣發(fā)動機(jī)是目前應(yīng)用的主要型式，因?yàn)椴捎卯?dāng)量燃燒可以使三元催化器具備很高的轉(zhuǎn)化效率[2]，THC和NOx幾乎可以100%的轉(zhuǎn)化，同時(shí)降低THC、CO和NOx排放，達(dá)到降低排氣污染物，很容易達(dá)到國Ⅵ排放要求，而稀薄燃燒的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的NOx排放水平則難以達(dá)到國Ⅵ排放要求，需要增加SCR技術(shù)，造成成本大幅度提高。

根據(jù)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，國Ⅵ階段重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油的主要要求如下：

(1)更高的抗氧化能力，滿足發(fā)動機(jī)高溫工況、熱負(fù)荷增大的使用要求，抑制潤滑油品在使用過程中出現(xiàn)過度氧化導(dǎo)致的酸性物質(zhì)和黏度增加。

(2)更優(yōu)異的高溫清凈性，有效抑制活塞環(huán)黏結(jié)、活塞沉積物、積炭的生成，保持發(fā)動機(jī)清潔；

(3)更佳的抗磨損能力，防止發(fā)動機(jī)在使用過程中閥系、缸套、活塞環(huán)等部件磨損，大大提升發(fā)動機(jī)運(yùn)行可靠性；

(4)更穩(wěn)定的黏度保持性，保障發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞、缸套等部件間的優(yōu)良潤滑，減少發(fā)動機(jī)部件磨損；

(5)適宜的硫酸鹽灰分、硫、磷含量，避免大量沉積物積累導(dǎo)致閥門熔損，燃燒室及活塞沉積物襯里磨損和提前點(diǎn)火。

2 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油的研制

根據(jù)國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油的具體要求，選擇性能優(yōu)異的金屬清凈劑、無灰分散劑和抗氧劑、抗磨劑，通過添加劑復(fù)配規(guī)律研究，在性能優(yōu)異的加氫基礎(chǔ)油中進(jìn)行氧化性能、抗磨和高溫清凈性評價(jià)，具體情況見表2。

表2 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油方案考察

根據(jù)成焦板、熱管，磨斑直徑等模擬數(shù)據(jù)，綜合來看，3號方案表現(xiàn)出更好的抗氧化性能、高溫清凈性和抗磨損性能，因此，初步確定3號方案為10W-40 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油的定型方案，研制的10W-40 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油，其主要理化分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油主要理化數(shù)據(jù)

由于國內(nèi)外燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，油品公司往往與發(fā)動機(jī)廠商(OEM )合作，通過使用試驗(yàn)，開發(fā)滿足特定OEM用油要求的產(chǎn)品，并獲得其認(rèn)證[3-4]。油品研發(fā)過程中一般采用Cat.1M-PC和CRC L-38發(fā)動機(jī)試驗(yàn)來評價(jià)油品的高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性，本研究對研制的油品進(jìn)行了Cat.1M-PC和CRC L-38發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，其結(jié)果見表4。

表4 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4(續(xù))

由表3和表4可見，研制的國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油基本理化數(shù)據(jù)滿足質(zhì)量指標(biāo)要求，并通過了Cat.1M-PC和CRC L-38臺架試驗(yàn)，表明該油品具有優(yōu)異的黏度保持性、高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性。

3 國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油在重型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的應(yīng)用

將研制的國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油應(yīng)用到某重型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)行性能評價(jià)，并對油品的黏度、酸值、氧化值、硝化值和主要磨損金屬元素鐵含量進(jìn)行了跟蹤評價(jià)，具體結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 油品100 ℃運(yùn)動黏度的變化趨勢

圖2 油品酸值的變化趨勢

圖3 油品主要磨損金屬元素Fe含量的變化趨勢

圖4 油品氧化值、硝化值的變化趨勢

由圖1～圖4可以看出，在整個試驗(yàn)過程中，油品黏度變化平緩，具有優(yōu)異的黏度保持性；油品的酸值變化值經(jīng)過1000 h的考核，沒有出現(xiàn)明顯的上升，說明油品沒有出現(xiàn)過度氧化后酸性物質(zhì)的增加；油品的氧化值和硝化值隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，呈現(xiàn)了增加的趨勢，但增勢緩慢，抗氧化性能優(yōu)異；主要磨損金屬元素含量處于較低范圍內(nèi)，說明發(fā)動機(jī)磨損小，油品潤滑性能和抗磨損性能優(yōu)良。

4 小結(jié)

(1)國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油對潤滑油在抗氧化性、高溫清凈性、抗磨損性等方面提出了更加苛刻的要求；

(2) 研制的國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油通過了Cat.1M-PC和CRC L-38臺架試驗(yàn)，并經(jīng)過重型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)考核試驗(yàn)表明，油品具有優(yōu)異的黏度保持性、高溫清凈性、抗氧化性和抗磨損性。