CI—4 15W—40柴油机油在国Ⅳ发动机上的应用研究

赵正华+刘志勇+汤仲平+廖湘芸

摘要：发动机厂商采用多项新技术以满足更为严格的排放法规，同时也对发动机油产品提出了更高的要求，文章主要阐述了API CI-4柴油机油的性能要求，并对研制的CI-4 15W-40柴油机油在国Ⅳ发动机300 h的应用进行了研究，结果表明，CI-4 15W-40柴油机油具有优异的烟炱分散性和抑制烟炱引起的发动机磨损能力、抗氧抗磨损性，可满足国Ⅳ发动机用油要求。

关键词：CI-4柴油机油；烟炱分散性；高温清净性；抗氧化性；抗磨损性

中图分类号：TE626.32文献标识码：A

Abstract：All engine OEMs adopted various new technologies to meet increasingly severe emission regulations. This resulted in higher requirements for engine oil. This article was mainly focused on the performance requirements of the API CI-4 diesel engine oil. 300 hours applied research with CI-4 15W-40 diesel engine oil was carried out on China Ⅳ engine. The results indicated， CI-4 15W-40 diesel engine oil exhibits not only excellent soot dispersancy and ability to inhibit the engine wear and tear caused by soot， but also superior resistance to oxidation and abrasion， which can completely meet the requirements of the China Ⅳ engine.

Key words：CI-4 diesel engine oil； soot dispersancy； high temperature detergency； oxidation resistence； antiwear property

0引言

环保、节能、延长换油期是推动油品规格发展进步的主要动力，随着排放法规的不断严格，仅依靠机内净化措施已不能满足日益严格的排放法规要求，发动机制造商采取各种新技术，例如氧化催化剂（DOC）、颗粒物过滤器（DPF）、选择性还原催化剂（SCR）、氮氧化合物捕集器（LNT）、尾气再循环（EGR）等技术，以使其发动机满足越来越严格的排放法规[1]。

我国排放标准采用欧洲经济委员会（ECE）汽车技术法规体系制定而成。随着我国对环保的不断重视，重负荷柴油机的排放不断严格，国Ⅳ排放标准已在北京、上海等少数城市实施，而全国实施国Ⅳ排放标准的时间由于柴油燃料硫含量不达标的原因再次被推迟，为达到国Ⅳ排放要求，国内一汽、二汽、潍柴、上柴等汽车制造厂以不同的技术路线开发出满足国Ⅳ排放标准的发动机，这些后处理技术的采用，对柴油机油提出了严峻的考验，需要更高规格的润滑油来满足发动机的润滑要求。API CI-4柴油机油可以满足国Ⅳ发动机的润滑要求，并且其使用量在未来几年将逐年增加。

由此可见，API CI-4柴油机油规格用于装有EGR装置的发动机，比现行的API CH-4规格油品在漆膜控制、铅和铜腐蚀抑制以及氧化控制等方面都有提高[5]，其具体性能特点如下：

（1）优异的高温清净性

油品需要通过评定高温清净性的发动机台架试验有Caterpillar 1K和Caterpillar 1P（1R），主要用于评定柴油机油对活塞沉积物、活塞环黏结以及活塞环、气缸套的擦伤、油耗的影响；其中Caterpillar 1K发动机采用全铝活塞减少了顶环台与缸套之间的间隙，提高了顶环槽的位置，改善了燃烧，降低了排放污染，提高了活塞第一环槽温度；Caterpillar 1P发动机台架试验采用顶部为铁、裙部为铝的两段活塞，其活塞环的顶环更靠近活塞顶部，同时发动机采用顶置凸轮轴和电子燃油喷射控制，从而要求油品具有良好的抗氧化性能和高温清净性，特别是要求油品具有优良的顶环岸重炭和顶环槽充炭的控制能力[6]。

（2）优异的烟炱分散性

新发动机技术的采用显著降低了微粒（PM）和氮氧化物（NOX）的排量，但这些技术的采用，在改善柴油机的排放质量的同时，却使润滑油中的烟炱含量大大增加[1]，易导致油品黏度的快速增长和发动机的磨损，API CI-4柴油机油对油品的烟炱分散性能和抗磨损性能的要求很高，用于评定油品由烟炱引起的磨损台架试验有RFWT、Mack T-12（Mack T-10）、Cummins ISM（Cummins M11），评定烟炱分散能力的台架试验有Mack T-8E，其中，Mack T-8E主要用于评定柴油机油的烟炱分散性能，试验中烟炱含量高达55%，这就要求油品具有非常好的防止烟炱聚集的能力。

（3）优异的抑制烟炱引起的发动机磨损

烟炱以一定的形式积聚，造成发动机活塞环、汽缸壁和气阀执行机构的磨损。发动机在装备EGR后带来的腐蚀磨损，就是由于含有更多烟炱的柴油机油表现出更高的切割性能。对于同一种油品，烟炱含量水平越高，其保持抗磨损性能的时间就越短[7-8]，这种趋势可从不同烟炱含量的润滑油在发动机试验中抗磨损性能表现中看出来，见图1。

烟炱对阀系的磨损根据设计不同可分为滚动磨损和滑动磨损。发动机油对因烟炱引起的驱动轴磨损的保护能力采用滚轮随动件磨损试验（RFWT）来评价，试验要求平均挺杆的磨损不大于76 μm；发动机机油对因烟炱增加引起的凸轮、阀系构件磨损的保护能力采用Cummins ISM（或Cummins M11）高烟炱试验来评价，Cummins ISM发动机台架试验最高烟炱含量可达70%；带EGR的Mack T-12发动机台架试验，烟炱含量达60%，用于评定烟炱引起的缸套磨损和活塞顶环磨损、轴瓦腐蚀以及机油耗，这就要求油品具有非常好的抑制烟炱引起的发动机磨损能力[9]。

（4）优异的高温抗氧化、抗腐蚀性

API CI-4柴油机油需要通过程序ⅢF（ⅢG ）发动机台架试验，该试验主要用于评定在150 ℃的高温条件下油品的抗氧化性能。同时，润滑油氧化生成的酸性产物容易造成铜铅轴瓦的腐蚀，因此，油品需要通过高温腐蚀试验的评定，考察润滑油在135 ℃的条件下对铜、铅和锡金属试片的腐蚀性，因此，要求油品具有优异的抗氧化、抗腐蚀性能[9]。

（5）较低的机油消耗

（6）良好的橡胶相容性，延长密封件的使用寿命

（7）良好的低温流动性，为发动机冷启动时提供极好的抗磨损保护

2CI-4 15W-40柴油机油的研制

以金属清净剂、无灰分散剂、抗氧抗腐抗磨剂等其他功能添加剂以特定的加剂量，应用于加氢基础油中，调制的CI-4 15W-40柴油机油，通过了Caterpillar 1K、Caterpillar 1P、Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、RFWT、EOAT、程序ⅢF发动机台架试验，产品质量满足API CI-4柴油机油标准，CI-4 15W-40柴油机油实测数据见表2。

3某国Ⅳ发动机应用研究

选择国内某汽车厂研发的国Ⅳ发动机，某国Ⅳ发动机技术参数见表3。

表3某国Ⅳ发动机技术参数

项目某国Ⅳ发动机型式直列四冲程、水冷、四气门、增压中冷燃烧室型式直接喷射、ω型气缸数6气缸直径/mm112活塞行程/mm145活塞总排量/L8.6压缩比17.5∶1发火次序1-5-3-6-2-4额定功率/kW261净功率/kW258额定转速/r·min-12100最大扭矩/N·m1500最大扭矩转速/r·min-11300～1470

将CI-4 15W-40柴油机油在该国Ⅳ发动机上进行300 h的考核试验，并对试验过程中的0 h、100 h、200 h和300 h的油样进行分析检测，检测项目包括常规理化指标、红外光谱和磨损金属元素三个方面，其中，常规理化指标主要包括油品的100 ℃运动黏度、碱值、烟炱含量及水分；红外指标分析包括氧化值、硝化值；磨损金属分析，包括Fe、Cr、Cu、Al和Pb等金属的分析，具体试验结果如下。

3.1100 ℃运动黏度

多级油品100 ℃运动黏度在使用过程中通常是先降低再升高，这主要是因为刚使用的新油受发动机摩擦副的剪切作用，使油品中的黏度指数改进剂由大分子剪切成小分子，致使油品黏度明显下降，其后，随着发动机使用时间延长，油品本身发生氧化并生成大分子胶质，使油品黏度缓慢上升[10]。100 ℃运动黏度变化趋势见图2。

图2100 ℃运动黏度变化趋势

由图2可以看出，CI-4 15W-40柴油机油在整个考核试验过程中，100 ℃运动黏度主要呈现缓慢下降的变化趋势，但下降幅度很小，说明油品具有优异的剪切安定性和黏度保持性，没有出现过度氧化而造成的油品黏度剧增现象。

3.2碱值

油品碱值来源于油品中的碱性添加剂，其变化表征油品的碱值储备能力的变化，表明油品添加剂体系中某些有效组分的下降或消耗情况，同时也反映油品清净分散能力降低的程度。碱值变化趋势见图3。

可以看出，在试验过程中因高温氧化而产生酸性物质，使得油品的碱值逐步下降，但未超出换油指标要求的50%，符合发动机油在使用过程中碱值下降的变化规律。

3.3烟炱含量

烟炱是柴油和进入燃烧室的机油在空气不足的条件下经不完全燃烧或热裂解而产生的不定型炭（微小的炭微粒）[11]，油品中烟炱含量的增加，会引起油品黏度增大和磨损加剧，影响油品的润滑性能。烟炱含量变化趋势见。

3.4氧化值及硝化值

油品的氧化值、硝化值可以反映出试验油品被氧化、硝化及受污染的程度。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，利用红外光谱监测油品氧化值、硝化值的变化，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[10]。见图5。

3.5金属元素含量

在用油中的Fe、Cr、Cu、Al和Pb等磨损金属元素含量可直接反映发动机各主要摩擦副在运行过程中的磨损情况，因此要对试验油品做磨损金属分析，主要磨损金属元素（Fe、Cu和Pb）具体试验结果见图6，其余磨损金属元素结果见表4。

由图6和表4可见，整个试验过程中，各主要磨损金属元素呈现逐渐增大的趋势，但各磨损金属元素含量始终处于较低水平，说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的抗磨损和抑制烟炱引起的发动机磨损能力。

试验结束后，对发动机进行拆机检查，具体结果见图7～图9。

经拆机检查，凸轮轴、轴瓦、十字头、十字头销及活塞环等表面形貌状态良好，无异常磨损，活塞表面没有擦伤痕迹，积炭水平正常、无黏环，说明CI-4 15W-40柴油机油在某国Ⅳ发动机300 h的试验中，表现出优异的高温清净性、分散性和抗氧抗磨损性。

4结论

日益严格的环保法规使得OEM厂商采用多种发动机新技术，导致柴油机油中烟炱含量激增，要求油品具有优异的烟炱分散性及抑制烟炱引起的发动机磨损能力，因而油品规格亦不断升级换代，以适应新发动机技术和更苛刻的排放要求。

研制的CI-4 15W-40柴油机油经过某国Ⅳ发动机300 h的试验考核，结果表明：具有优异的烟炱分散性和抑制烟炱引起的发动机磨损能力、抗氧抗磨损性，可满足其用油要求。参考文献：

[1] 陆沁莹.热重法测定烟炱含量及其应用[J].润滑油，2005，20（2）：62-64.

[2] 徐小红.美国最新内燃机油规格发展[J].润滑油，2005，20（4）：50-55.

[3] 高级柴油机油CI-4性能[J].商用汽车杂志，2007（10）：129.

[4] ASTM D4485[S].2015.

[5] 王成勇.柴油机机油的新规格—API CI-4/ASTM PC-9[J].柴油机，2005，27（1）：43-48.