CF-4 15W-40柴油机油在HC4132UPS型柴油机上的考核性研究

徐金龙 赵 波 程 琛

摘要:介绍了CF-4 15W-40柴油机油在HC4132UPS型柴油机上1000 h的耐久性考核试验,试验结束后首先考察油品的质量变化情况如磨损金属元素分析、油品的氧化衰变情况分析以及运动粘度增长率、碱值、酸值等的分析,结果显示油品质量变化不大;其次是考察发动机的外特性情况,外特性数据显示扭矩、功率以及燃油耗率的各项参数均在技术条件要求范围内;最后通过发动机的拆检鉴定,显示各运动部件磨损正常,通过上述考察表明该油品能够满足HC4132UPS型柴油机及其装备该型发动机车辆的使用要求。

关键词:CF-4 15W-40;柴油机油;台架考核

中图分类号:TE626.32 文献标识码:A

Reliability Test of CF-4 15W-40 Diesel Engine Oil on the HC4132UPS Diesel Engine

XU Jin-long1, ZHAO Bo2, CHENG Chen3

(1.POL Research Institute of General Logistics Dept, Beijing 102300,China;2.Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072,China; 3.Unit 62211, Geermu 816000,China)

Abstract:The reliability test of CF-4 15W-40 diesel engine oil on the HC4132UPS diesel engine was carried out for 1000 h. After test, the engine oil data obtained from oil monitoring such as wear metal, oxidation, kinematic viscosity increase, base number and acid number showed that there is no change. The engine external characteristic data showed that torque, power and consumption rate of fuel are normal. And the engine parts are in order after knocked-down. So, the above proves that the CF-4 15W-40 diesel engine oil can meet the requirements of the HC4132UPS diesel engine and the vehicle equipped with it.

Key words:CF-4 15W-40; diesel engine oil; reliability test

0 前言

随着环保法规的不断严格以及柴油机功率的不断增加和新技术的应用,CD级柴油机油已不能满足直喷高压柴油机的使用要求[1],然而我国市场上的主流柴油机油仍以CD级为主,虽然CF-4级别的柴油机油在市场上的比重不断增加,但产品质量不能得到很好的保证,尤其是不能满足特定大型重负荷装备的使用要求。因此总后油料研究所与中国石化润滑油公司合作研制了CF-4 15W-40柴油机油,在经过了CF-4要求的标准发动机台架后,为了能够在HC4132UPS型柴油机及其相应的车辆上进行使用,需在其上进行相应的考核性试验。经过1000 h的耐久性考核试验,发动机拆检显示各摩擦副磨损正常,在用油液监测显示该油品衰变正常,表明该油品可以满足HC4132UPS柴油机的使用要求,与此同时也为同系列类型的发动机选用该油品提供了科学的依据。

1 实验部分

(1)试验油品:CF-4 15W-40柴油机油(理化指标见表1)

(2)试验地点:北方发动机研究所

(3)试验方法或规程

①试验方法:考核试验根据考核试验大纲要求进行,共进行100个循环,每个循环10 h,共计1000 h。每运转一个循环,对发动机及试验设备做例行保养;考核每250 h后,更换新机油及机油滤清器;在考核500 h后,更换柴油滤清器。在考核前、500 h考核结束后和1000 h考核完成后分别进行外特性试验;

②发动机原始尺寸测量与记录;

③发动机台架试验,具体参数见表2;

④发动机分解鉴定;

⑤柴油机油监控,监控结果与GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》[2]相关内容进行对比。

2 结果与讨论

2.1 油品质量变化情况

由于CF-4级别的柴油机油换油指标至今还没有国家或者行业标准,只有CD级别的换油指标,因此只能参考“GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》”之CD级柴油机油,见表3,并结合红外光谱、铁谱、磨粒等相关仪器分析进行化验分析,来综合判断油品的使用情况。

(1)磨损金属元素分析

磨损金属元素分析是柴油机对油品考核的最主要指标之一,通过分析油品中的磨损金属就大致能够判断机器的磨损部位。目前,测定磨损金属的方法很多,本文采用了BAIRD公司的原子发射光谱仪来进行测定,测定的元素有Fe、Cu、Al、Pb等磨损金属及污染元素硅,通过其数值变化,可以分析发动机的磨损状况,同时了解在用油品的润滑性能变化情况。

图1是试验油品的磨损金属和污染元素含量变化。从图1可以看出,CF-4 15W-40柴油机油在1000 h(每隔250 h更换柴油机油,故1000 h考核时间可分为四个阶段,即四个试验段,其油样结果分析亦可按四个试验段进行,以下类同)的运转过程中,其油样中磨损金属含量的变化随着使用时间的延长呈现了缓慢增长的趋势,但却保持在一个较低的水平上,大多未超出参考指标(Fe:正常水平≤150 μg/g,危险水平>500 μg/g;Cu:正常水平≤30 μg/g,危险水平>75 μg/g;Al:正常水平≤20 μg/g,危险水平>60 μg/g;Si:正常水平≤25 μg/g,危险水平>100 μg/g;Pb:正常水平≤30 μg/g)中规定的正常水平范围,也未达到GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》规定的换油要求(当Fe含量>150 μg/g时);但同时我们还注意到,在第一阶段250 h的试验时间里,Cu的磨损超出了参考指标正常水平范围,这主要是由于装配不当所致,与润滑油无关。上述情况表明了CF-4 15W-40柴油机油的抗磨性能、润滑性能良好。

(2)油品的氧化衰变情况分析

发动机在运转过程中,燃烧废气中的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫及卤化物等物质,在一定条件下可反应生成氧化物、硝化物及硫化物等酸性物质,这些物质的存在可导致机件腐蚀、磨损等现象,故而对油品的使用造成负面影响,而发动机油中的添加剂可以减缓或终止这类反应,抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物质的生成,因此,利用红外光谱监控油品氧化值、硝化值及硫化值的变化,可以反映油品的氧化衰变状况,间接掌握油品中添加剂的消耗情况。

目前,我国没有关于利用红外光谱法监控在用油品的氧化值、硝化值及硫化值作出极限规定,根据有关资料的介绍和以往试验的经验值,此三项指标的监控测试值,柴油车一般控制在0.25 A/0.1 mm以下,超过此经验值,则表示在用油品的氧化衰变情况达到一定程度,结合其他监控指标的变化情况,应予以换油。本文采用了热电公司的A370种红外光谱仪对试验油样进行了监控分析。

图2是试验油品的红外光谱数据变化图。从图2可知,试验油品的氧化值、硝化值及硫化值变化情况正常,均未达到换油要求的经验值0.25 A/0.1mm,这表明油品的抗氧化安定性能良好。

(3)油品常规理化性能分析

油品常规理化性能分析项目主要有油品100 ℃运动粘度、闪点、酸值增加、碱值下降、正戊烷不溶物及水分等,从分析结果看,CF-4 15W-40柴油机油在使用过程中,其理化性能指标未达到GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》规定的换油要求,数值变化均在正常范围内,这表明该油品的使用性能稳定、良好。其具体分析结果如下:

①100 ℃运动粘度

油品运动粘度的变化趋势是反映油品实际使用效能的重要理化指标之一。油品在实际使用过程中的抗剪切、抗高温氧化性能主要通过其粘度变化程度来表征,粘度的变化趋势通常是先降低再升高,这主要是因为刚使用的新油由于受发动机摩擦副的剪切作用,使油品中的粘度指数改进剂由大分子剪切成小分子,致使油品粘度明显下降,其后,随着发动机使用小时数的不断增加,油品本身发生氧化并生成大分子胶质,再加上磨损金属和燃烧积炭的作用,使油品粘度缓慢回升,当油品粘度升高到一定程度时,将导致润滑不良现象发生,发动机产生事故的可能性增大。

图3是被试油品100 ℃运动粘度变化率图。从图3可看出,试验油品在使用中的粘度变化均呈现出了逐渐上升的规律,这说明试验油品中含有的可以引起粘度增加的氧化产物和不溶物等物质,但其对油品的使用性能影响不大,油品的使用性能良好,此外我们注意到,所有试验油品的粘度变化值均未达到GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》中规定的油品粘度变化超过新油粘度±25%的换油要求,这充分说明了该油品具有良好的使用性能,其抗剪切、抗高温氧化性能优异。

②碱值

油品碱值来源于油品中的碱性添加剂,其变化预示了油品的碱储备能力,表明了油品添加剂体系中某些有效组分的下降或耗尽情况,同时也反映了油品清净分散能力的衰变程度。

油品在使用中,由于其碱性添加剂要中和氧化及受燃烧废气影响而产出的酸性物质,从而使碱性物质损耗,致使油品的碱值下降,GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》中规定,当在用油碱值低于新油碱值50%时,应该换油,否则,有可能对发动机零部件产生腐蚀、磨损等负面影响。

图4是试验油品的碱值下降率变化图,从图中可以看出,试验油品的碱值随使用时间的延长,呈缓慢下降趋势,但碱值下降程度均未达到标准规定的换油要求,这表明该油品具有良好的碱储备度。

③酸值

油品酸值变化源于油品在使用中高温氧化产生的中间产物及燃烧产生的部分酸性物质,这些物质的存在表现为油品酸值增大。发动机保险期试验过程中,油品总酸值变化预示着其氧化衰变的程度,油品在使用过程中由于氧化物、硝化物和硫化物等酸性物质的增加,使油品的酸值逐渐增大,这不仅会造成机械腐蚀,同时还会促进柴油机油的变质,生成油泥,增加机械的磨损,因此,通过酸值的变化程度可以判断油品在使用中的变质程度。GB/T 7607-2002《柴油机油换油指标》中规定,当油品的酸值增值大于2.0 mgKOH/g时就应该换油,否则,会给发动机的使用带来负面影响。

图5是试验油品的酸值增值变化图,从图中可以看出,试验油品的酸值随着试验时间的延长,呈现了缓慢增加的趋势,但增势缓慢,酸值增值均小于2.0 mgKOH/g。

④正戊烷不溶物、闪点和水分

在用油中的正戊烷不溶物主要包括机油的氧化、硝化产物、部分添加剂的分解产物、烟炱、外界带入的尘土以及磨损的金属微粒,主要是反映油品氧化变质、添加剂消耗及油品污染程度。闪点指标是对在用油液实施监控的一项重要指标,闪点的变化可以反映油品的燃油稀释程度和轻组分挥发程度,进而可作为判断发动机密封状况和磨损程度的依据,是内燃机油在使用中的一项安全指标。水分主要由于缸套渗漏、油品温度升高产生的水蒸气汽化后以及燃料燃烧产生的水分,水分的存在会使油品乳化、破坏润滑油形成的油膜,使润滑效果变差;油品氧化变质并且粘度增加,流动性变差,粘温性能变坏;添加剂水解;加速有机酸对金属的腐蚀作用,锈蚀设备,使油品容易产生沉渣。

表4是试验油品的正戊烷不溶物、闪点和水分变化表,从表4可以看出,这三项指标的变化都不大,都在GB/T 7607-2002规定的换油指标之内,说明该油品在发动机上运行的工况良好,未发生燃油稀释等情况。

2.2 发动机外特性试验

发动机在耐久性考核试验过程中共测试外特性三次,即考核试验开始前、500 h试验结束、1000 h试验结束时各一次。通过发动机外特性试验数据可以看出:试验前后发动机标定点功率下降率为2.2%,满足功率下降小于4%的要求。燃油消耗率没有上升,符合试验大纲规定的经济指标技术要求。最高燃烧压力为14.2 MPa,满足最高燃烧压力小于15 MPa的性能指标要求。发动机排温正常,各项参数变化均在技术条件要求范围内。发动机外特性曲线见图6～图8所示。

2.3 发动机分解鉴定

(1)外观检查

①曲轴箱、传动机构、气缸盖等主要紧固件各部结合面上未发现裂纹、麻坑、深划道、重擦伤、金属粘合现象。

②各主要部件,如曲轴轴颈、缸套、瓦片、止推片、气门、凸轮轴等工作表面未发现腐蚀、深划道和擦伤等缺陷,颜色正常,镀覆层完整。

③油底壳清洁、干净。

④活塞经过1000 h考核后,燃烧室没有任何烧蚀和异常损坏痕迹,活塞头部环岸附近有较重的积炭,但均未发现裂纹、耐磨镶圈凸出、烧蚀和表面拉伤等现象,总体状态良好,仍然可以继续使用。

⑤增压器压气机叶片因铸造缺陷,有碎裂现象。

(2)磨损

试验结束后,进行了发动机分解鉴定,并对主要运动件进行了精密测量,未见运动件产生异常磨损现象,磨损量较小,所有零部件均有继续工作的能力。部分零部件检测情况如图9～图10所示。

3 结论

CF-4 15W-40柴油机油在HC4132UPS发动机上经过1000 h的耐久性考核试验,经过对试验后油品的磨损金属含量、氧化衰变情况以及理化性能分析,各项指标变化基本都不大,表明该油品具有优良的抗氧化性、清净性、抗磨性及润滑性;发动机拆检结果显示,各零部件外观正常,运动件磨损正常,各项参数符合技术条件的要求。综上所述,CF-4 15W-40柴油机油可满足HC4132UPS型柴油发动机的使用要求。

参考文献:

[1] 杨杰丹,张建国,彤云鹏.重负荷柴油机润滑油技术的发展与应用[J].内燃机工程,1999(2):10-15.

[2] GB/T 7607-2002,柴油机油换油指标[S].

收稿日期:2009-02-26。

作者简介:徐金龙(1976-),工程师,2002年毕业于北京化工大学催化专业,主要从事润滑油品的论证、研制及应用研究工作,已公开发表论文数篇。