CK-4 10W-40在東風(fēng)柳汽國六發(fā)動機上的應(yīng)用

楊繩政，葉小娟，鄧冰，梁安德，陳柳安

(廣西北海玉柴馬石油高級潤滑油有限公司，廣西 北海 536000)

0 引言

2020年7月1日我國開始實施更為苛刻的國六排放法規(guī)[1]。采用新的WHSC、WHTC、WNTE測試循環(huán),并且增加海拔排放要求；而對于三階段油耗法規(guī)總體節(jié)能目標(biāo)是要在2020年實現(xiàn)比2015年燃料消耗量限值嚴(yán)苛約15%[2-3]。新的排放法規(guī)和節(jié)能降耗推動著發(fā)動機技術(shù)不斷更新?lián)Q代，國六發(fā)動機多種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)特征，以及發(fā)動機的實際運行工況，綜合影響了整個發(fā)動機系統(tǒng)，給潤滑油帶來更嚴(yán)苛挑戰(zhàn)[4-5]。

首先活塞技術(shù)革新對機油產(chǎn)生重要的影響，國六重型發(fā)動機活塞設(shè)計發(fā)展趨勢傾向于使用一體式的鋼活塞；活塞環(huán)、缸套采用新的設(shè)計和采用新的材料涂層發(fā)展方向，目的是降低摩擦同時保證發(fā)動機耐久性，保證竄氣量；活塞環(huán)與缸套表面采用新材料涂層,要求考慮與潤滑油兼容性問題,以及這些涂層與潤滑油中的表面活性劑之間相互作用，都會影響潤滑油在接觸表面停留的時間，從而導(dǎo)致沉積物形成和磨損增加，同時也增加了潤滑油在燃燒產(chǎn)物的暴露,這些變化會要求潤滑油機油很強的抗氧化性、分散性。熱管理控制技術(shù)是國六排放達標(biāo)非常關(guān)鍵的技術(shù)，是SCR和DPF充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[6-7]。需要關(guān)注整個循環(huán)的熱量生成情況，以及高溫如何管理，涉及到暖機的策略，機油的溫度以及各個潤滑油部件的局部溫度，由于機油處于高溫的時間變長，所以氧化的程度會增加。柴油機燃燒技術(shù)的改進將會對潤滑油產(chǎn)生非常明顯的影響，最普遍的問題就是研究燃燒產(chǎn)物對潤滑油的影響特別是EGR系統(tǒng)，另外煙炱/NOX與潤滑油之間的相互作用也非常關(guān)鍵，潤滑油將面臨煙炱處理能力、渦輪增壓器沉積物的挑戰(zhàn)以及后噴射帶來的燃油稀釋問題。后處理系統(tǒng)技術(shù)變化,包括采用EGR以及DPF技術(shù)[8-9]，以及排放的測試循環(huán)的變化,不僅造成技術(shù)成本的增加,同時潤滑油面臨挑戰(zhàn),如潤滑油中的硫、磷對催化劑中毒；后處理控制造成燃油稀釋,對潤滑油功能性產(chǎn)生影響[10]。

無論是要求滿足新的國六排放法規(guī)還是燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)，都離不開與國六發(fā)動機技術(shù)相配套的高品質(zhì)高規(guī)格的符合國六發(fā)動機的潤滑油。優(yōu)秀國六潤滑油可減少發(fā)動機活塞沉積物和摩擦副磨損，使發(fā)動機和傳動系統(tǒng)發(fā)揮正常功能并長期保持較低的排放水平，與后處理設(shè)備兼容的潤滑油可防止DPF堵塞，保持DOC等有催化劑覆蓋層有效活性，使得整個車輛使用壽命中持續(xù)有效地降低排放。在此基礎(chǔ)上降低潤滑油黏度，提升燃油經(jīng)濟性，兼顧機油的保護性能。新的國六潤滑油也面臨新的挑戰(zhàn)，那就是在提供燃油經(jīng)濟性的同時在嚴(yán)苛的工況環(huán)境和延長換油周期(ODI)下對硬件提供充分保護。國內(nèi)市場的潤滑油正在迅速向低黏度方向發(fā)展，長換油周期和更低黏度，都意味著必須提升潤滑油的保護能力[11-12]。

玉柴馬石油技術(shù)研發(fā)中心在通過配方設(shè)計，理化試驗，模擬試驗手段進行國六機油的驗證，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)提高國六油品方案的抗氧化性和分散性能，依托玉柴工程院摩擦與潤滑研究所進行500～3000 h不同時長的臺架可靠性考察，研制出新一代低灰分長壽命的CK-4 10W-40機油。為了進一步考察新一代國六CK-4 10W-40產(chǎn)品在行車上的表現(xiàn)，我們采用3輛東風(fēng)柳汽乘龍H7配套國六發(fā)動機的牽引車，裝載玉柴馬石油國六CK-4 10W-40開展行車試驗，確定該油品在新的國六發(fā)動機上的換油期。

1 試驗概述

為了驗證玉柴馬石油國六CK-4 10W-40油品在東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上能否滿足10萬公里換油周期的要求。本試驗在3輛裝載玉柴機器國六YCK13600-60發(fā)動機的東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上，裝配華源專制長效機油濾清器，以及柴油濾清器，空氣濾清器，使用玉柴馬石油國六CK-4 10W-40機油，按照試驗里程富余20%原則，開展12萬公里行車試驗，檢驗油品能否滿足10萬公里換油要求。試驗期間收集油品，重點監(jiān)測油品的運動黏度、燃油稀釋、酸值、堿值、金屬元素以及斑點等指標(biāo)，反映油品的性能變化情況和發(fā)動機內(nèi)部磨損情況。

1.1 試驗車輛

試驗車輛選用深圳千里通物流有限公司運營的3輛東風(fēng)柳汽乘龍H7系列牽引車，蘇州往返深圳的高速公路，車輛從事負載約35 t的電子產(chǎn)品業(yè)務(wù)，發(fā)動機型號YCK13600-60國六柴油發(fā)動機。試驗車輛具體信息見表1。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 試驗用油

本次試驗油品采用玉柴馬石油開發(fā)的國六CK-4 10W-40機油，其理化數(shù)據(jù)見表2。

表2 CK-4 10W-40理化數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

1.3 試驗方案

首先用XLLV視頻內(nèi)窺鏡檢查發(fā)動機的燃燒室以及缸壁清潔程度，檢查燃油噴嘴情況，取原車的舊油150 mL檢測作分析掌握車輛前期運行狀況。然后對試驗發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)進行徹底清洗兩次，每次30 min，從油底殼取出放油塞，將油排空(15 min)。兩次清洗結(jié)束后，更換機濾、柴油濾清器和空氣濾芯，將試驗油品按油底殼大小加入發(fā)動機中，加油過程要求瓶口等部位清潔干凈。發(fā)動機怠速運行30 min后，取出150 mL的樣品作為0 km油樣，用油尺檢查油底殼液位是否達到上刻線。監(jiān)控試驗車輛運行里程，按照試驗采樣里程計劃進行采集樣品。若車輛需額外補加油，應(yīng)記錄補油的里程和補油量。采樣要求在車輛停止運行20 min內(nèi)完成，如果車輛停止超過20 min，需要啟動發(fā)動機怠速運行15 min后再進行采樣，采集定量樣品，貼好試驗標(biāo)簽，做好標(biāo)識記錄，油品寄送玉柴馬石油南寧研發(fā)中心檢測和分析。

1.4 試驗方法

油品的運動黏度、酸值、堿值、金屬元素指標(biāo)以及斑點檢測方法見表3。

表3 試驗方法

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 運動黏度

運動黏度是油品關(guān)鍵指標(biāo)之一，反映油品流動過程中內(nèi)部分子剪切力的大小。油品運動黏度小，一方面有利于發(fā)動機的節(jié)約能耗，另一方面太小導(dǎo)致油膜形成不良，強度下降，零部件磨損增大；運動黏度過大，油品的油膜強度大可以為發(fā)動機部件提供更好承載保護，尤其在軸瓦部位形成油楔子，防止發(fā)動機部件磨損，但運動黏度過大，卻會影響油品的低溫泵送速度，在低溫冷啟動狀態(tài)，發(fā)動機不能及時將潤滑油泵送到需要潤滑的發(fā)動機部位，造成低溫冷啟動異常磨損。機油運動黏度會隨著使用過程而增大或者變小，黏度變化反映其氧化衰變程度、添加劑的高溫?zé)岱纸庖约梆ざ戎笖?shù)改進劑、降凝劑的受力剪切、熱裂解縮合等變化情況。因發(fā)動機摩擦副之間的高速運轉(zhuǎn)將油品內(nèi)增黏劑、降凝劑等碳氫大分子化合物剪切成小分子從而造成油品運動黏度變小[13]。因油品高溫氧化、硝化、硫化反應(yīng)造成分子交聯(lián)反應(yīng)生成大分子聚合物而使油品運動黏度增大；常見的有發(fā)動機高溫，油品被氧化；發(fā)動機漏氣嚴(yán)重，積炭煙塵污染機油；發(fā)動機油運動黏度的變化情況一定程度上可以反映發(fā)動機油的衰變情況，結(jié)合燃油稀釋或者煙炱等其他指標(biāo)掌握發(fā)動機運行是否正常。試驗過程油品的100 ℃運動黏度隨著試驗里程的變化趨勢見圖1[14]。

圖1 運動黏度(100 ℃)隨里程的變化

圖1中，兩輪試驗結(jié)束時油品100 ℃運動黏度變化降到最低的為13.98 mm2/s，運動黏度下降率最大為6.6%。盡管油品因受摩擦副劇烈的高速剪切的作用導(dǎo)致黏度下降，國六發(fā)動機要求的抗剪切更高但可以從整個試驗過程看出油品運動黏度變化趨勢平穩(wěn)，變化幅度小，從圖1可知最大運動黏度變化率未超過換油指標(biāo)的限值要求，該油品運動黏度保持性好，可以很好滿足車輛發(fā)動機的潤滑要求。

2.2 酸堿值

酸堿值主要監(jiān)測油品中清凈劑功能的消耗情況及油品的老化程度。在用柴油機油的酸值增加主要來自兩方面：一是油品高溫氧化帶來的酸性物質(zhì)，二是燃料燃燒生成的酸性物質(zhì)。柴油機油中含堿性的清凈劑能夠在使用過程中，持續(xù)中和潤滑油和燃料氧化生成的含氧酸，阻止它們進一步氧化縮合，從而減少漆膜，同時可以中和含硫燃料燃燒后生成的氧化硫，阻止它們磺化潤滑油，也可以中和燃燒后產(chǎn)生的氯化氫和硝酸等，阻止它們對烴類進一步作用，由于中和了這些無機酸和有機酸，防止這些酸性物質(zhì)對發(fā)動機金屬部件的腐蝕[15-16]。試驗過程中酸值增值，說明油品產(chǎn)生了大量的酸性物質(zhì)，會促使變質(zhì)，生成油泥，對發(fā)動機造成一定程度的機械腐蝕，同時在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品的老化狀況，影響發(fā)動機的正常運行。試驗過程中油品的酸堿值隨著試驗里程的變化情況見圖2。

圖2 酸堿值隨里程的變化

由圖2可見，隨著試驗里程的增加，油品酸值逐漸增大，變化趨勢平穩(wěn)；試驗結(jié)束時，油品酸值最大值為4.5 mgKOH/g，堿值為5.9 mgKOH/g,未出現(xiàn)酸堿值交叉現(xiàn)象。國六階段柴油的硫含量已經(jīng)低于5 μg/g，因此機油中的堿值主要中和發(fā)動機燃燒所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。試驗結(jié)束時，油品堿值下降率為35%左右，油品仍具有很好的清凈性和堿值儲備性，可以繼續(xù)為油品和發(fā)動機提供保護，滿足車輛的車輛使用要求。

2.3 氧化值和硝化值

車輛在行駛過程中發(fā)生的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，主要表現(xiàn)在油品被燃燒產(chǎn)物污染以及油品自身因為接觸發(fā)動機高溫氧化和硝化、添加劑的老化降解以及與燃料產(chǎn)物的反應(yīng)等等。油品高溫氧化后生成酸性化合物，會腐蝕發(fā)動機硬件、加速發(fā)動機部件的磨損。而氧化產(chǎn)物的進一步氧化縮合則生成大分子膠狀物質(zhì)，使油品黏度不斷增大。最終因低溫流動性能惡化而導(dǎo)致發(fā)動機故障。油品的硝化物是產(chǎn)生油泥的主要來源之一[17]。試驗過程中油品的氧化值和硝化值隨著試驗里程的變化情況見圖3、圖4。

圖3 氧化值隨里程的變化

圖4 硝化值隨里程的變化

由圖3和圖4可以看出，隨著行駛試驗的進行，試驗油品氧化值和硝化值含量逐步上升，達到0.2 A/100 mm左右；分析原因為推向市場的新型國六發(fā)動機趨于輕量化與增壓化，以及發(fā)動機中鋼活塞的應(yīng)用等，都要求潤滑油面對更苛刻的工況控制，包括氧化控制，沉積物控制以及黏度增長，所以從這兩輪道路試驗可以得出，國六階段發(fā)動機對潤滑油的抗氧化能力要求極大地提高。

2.4 金屬元素含量

發(fā)動機部件磨損及腐蝕都會導(dǎo)致使用油品的金屬含量增高，因此通過油液監(jiān)測金屬元素含量的變化情況，可以了解和掌握發(fā)動機的磨損情況。發(fā)動機狀態(tài)正常，油品中磨損金屬元素會呈平穩(wěn)上升趨勢，如果金屬元素含量一旦出現(xiàn)急劇增加則表明發(fā)動機發(fā)生了明顯的磨損[18-19]。試驗過程中油品鐵、鉛、銅含量變化見圖5～圖8。

圖5 鐵元素隨里程的變化

圖6 銅元素隨里程的變化

圖7 鋁元素隨里程的變化

圖8 鉛元素隨里程的變化

從圖5～圖8可以看出，銅元素逐漸增大的原因是冷卻器部位含有銅層金屬，經(jīng)過一段磨合后將會降低下來。其他磨損元素鐵、鉛、鋁磨損含量變化平穩(wěn)，始終處于正常范圍，說明車輛工作正常，油品使用性能良好。

2.5 煙炱

煙炱是一種混合物，國六發(fā)動機產(chǎn)生煙炱主要是來源于柴油和進入燃燒室的柴油機油在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的不定型碳，以及EGR廢氣再循環(huán)進入燃燒室而產(chǎn)生的煙炱。煙炱初始粒徑約為20～80 mm，在柴油機油中以固體不溶物形式存在。煙炱對柴油機油影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面引起油品黏度急劇增長；二是對發(fā)動機閥系和軸承造成磨損。當(dāng)煙炱作為單獨的小顆粒存在時，一般不會引起黏度明顯變化，但由于煙炱微粒具有很高的表面自由能，在柴油機油中具有強烈自發(fā)聚結(jié)的熱力學(xué)傾向。因此當(dāng)煙炱團聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大顆粒時直接影響是使油品黏度急劇增加，進而影響供油效率，易堵塞濾網(wǎng)，影響發(fā)動機正常工作[20]。試驗油品煙炱含量隨行駛里程的變化曲線見圖9。

圖9 煙炱隨里程的變化

由圖9可以看出，隨著行駛試驗的進行，試驗油品的煙炱含量逐步上升，但基本在1.0%以下，遠低于煙炱含量3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的換油指標(biāo)限值，說明試驗油品具有良好的煙炱分散性能。

2.6 煙炱潤滑油分散性測試

油斑吸濾試驗用于鑒定過多引擎煙塵、評價潤滑油分散性和檢測發(fā)動機曲軸箱內(nèi)潤滑油是否存在乙二醇、燃油和其他污垢物。潤滑油分散測試儀如圖10所示，可以在讀取油斑時，避免個人主觀判斷影響實驗結(jié)果可靠性。儀器測試項目包括分散性指標(biāo)(MD)、污染指數(shù)(IC)、加權(quán)評分(DP)，功能介紹如表4。分別取經(jīng)過12萬公里的油品滴到濾紙上，如圖10所示。

圖10 潤滑油分散性測試儀和油品濾紙效果

表4 油品試驗結(jié)果

從表4可以看出，油品經(jīng)過12萬公里，表征分散性能和清潔能力的重要指標(biāo)MD表現(xiàn)還是非常高，IC評定油品不容物的百分含量很小，油品經(jīng)過12萬公里之后質(zhì)量整體還是很好。

3 發(fā)動機檢查

通過XLLV視頻內(nèi)窺鏡檢查發(fā)動機的燃燒室情況，經(jīng)過兩輪試驗下來，車輛(A車)活塞頂部還是非常干凈，氣缸蓋和油底殼很干凈沒有油泥，軸瓦沒有腐蝕，搖臂軸內(nèi)部的銅部位很光滑，沒有劃痕出現(xiàn)。見圖11。

圖11 發(fā)動機情況

4 結(jié)論

試驗證明CK-4 10W-40機油產(chǎn)品在東風(fēng)柳汽乘龍H7牽引車上完成的12萬公里行車試驗，試驗中油品各項指標(biāo)變化平穩(wěn)且正常，油品性能表現(xiàn)良好，可滿足該類車10萬公里實際換油要求。