DH-1 15W-40柴油机油的开发与应用研究

石顺友，汤占帅

(中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东 茂名 525011)

DH-1 15W-40柴油机油的开发与应用研究

石顺友，汤占帅

(中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东 茂名 525011)

环保法规的制定和不断升级，推动了新发动机技术的广泛应用，满足相应发动机技术和环保要求的高性能发动机油的研发成为重要课题。文章介绍了DH-1规格的主要性能要求，对研发的DH-1 15W-40柴油机油进行了台架试验、理化试验以及在采用日本发动机技术的国Ⅲ、国Ⅳ车辆上的行车试验考察，结果表明，DH-1 15W-40柴油机油具有优异的清净分散性能、抗氧抗腐性能、抗磨性能以及良好的黏度保持性能，完全满足要求使用JASO DH-1规格机油的发动机润滑要求。DH-1 15W-40柴油机油的成功开发与应用有利于打破对这类进口油品的依赖，降低车辆设备的维护成本。

排放法规；DH-1；柴油机油；行车试验；应用研究

0 引言

随着我国城镇化和城市基础设施建设的快速发展，汽车以及各种工程机械设备的数量呈现大幅度增长，尤其是一些城市，汽车和工程机械尾气排放造成的城市环境污染日益严重，环保部门为此制定相应的排放法规并不断升级。在环保法规日益严格的背景下，发动机新技术的广泛应用推动了发动机油规格的不断升级。DH-1重负荷柴油机油规格是JASO为适应日本柴油机的润滑需求和应对新的排放法规而推出的[1]。目前，在我国汽车和工程机械等行业，采用日本技术的柴油机占有较大份额并呈不断增长的趋势，因其都要求使用满足JASO相应规格的发动机油，故造成一定的技术壁垒。因此，研制和应用满足并超越JASO DH-1规格的高性能柴油机油产品，将有利于打破我国发动机行业以及一些日本进口设备对这类发动机油过度依赖的局面，也将是国产润滑油进入日本汽车和工程机械行业的重大突破。

1 DH-1柴油机油

1.1 DH-1柴油机油性能要求

2000年10月，日本汽车标准组织(JASO，Japanese Automobile Standard Organization)发布了JASO DH-1规格标准。在此前，日本汽车柴油发动机油一般都采用美国API标准，然而，在实际应用中却发现其并不能完全适应日本制造的柴油发动机。为了满足日本制造发动机的润滑需求以及适应新的、更低的排放法规，JASO DH-1规格标准应势推出，其性能指标[2]如表1。

表1 JASO DH-1性能指标

表1(续)

从表1可以看出，JASO DH-1规格标准中有4个台架评定试验和7个理化试验。4个台架试验分别是JASO M336 TD25、JASO M354、ASTM D5967和ASTM D5533，其中JASO M336和JASO M354是JASO针对日本制造的发动机特性自己建立的发动机油台架试验，且JASO M336 TD25可由Caterpillar 1P台架试验替代；7个理化试验分别是热管试验、蒸发损失、抗腐蚀试验、剪切安定性、总碱值、泡沫性和橡胶相容性试验。

1.2 DH-1规格机油主要性能

JASO DH-1规格参考了相应API规格中的性能指标，同时增加了如改进摇臂阀系滑动磨损等的额外指标，更加符合日本柴油机的润滑要求，且适用于燃烧低硫(硫含量<0.05%)柴油的发动机，满足更低的排放要求。其主要性能如下：

(1)优异的烟炱分散性

为了适应新的、更低的排放要求，发动机制造厂都采用新的发动机技术，新技术的应用有效降低了PM(颗粒物)和NOX(氮氧化合物)的排放，然而，这些新发动机技术的采用，在有效降低发动机排放的同时，也大大增加了发动机油中的烟炱含量，导致机油黏度的快速增长和发动机的磨损。Mack系列柴油机油评定台架是评定重负荷润滑油烟炱分散性能、抗氧化性能、气缸环和线磨损保护、酸值控制和增长换油期的重要方法[3]，对油品的要求高。DH-1规格中采用Mack T-8A、Mack T-8E或Mack T-11来评定机油的烟炱分散性能，试验中烟炱含量高达4.8%，要求JASO DH-1规格机油具有良好的烟炱分散性能，防止烟炱聚集。

(2)优异的高温清净性

发动机油在高温作用下发生氧化、聚合、缩合等一系列变化，在发动机活塞的顶部、侧面及曲轴中产生积炭、漆膜和油泥。这些沉淀物的产生对发动机的活塞润滑及传热性和爆震、点火等有很大的影响，严重削弱了发动机油的使用寿命和发动机功率，增大了燃料油的消耗。高温清净性是评定发动机油在形成氧化产物后发动机油溶解、分散、中和氧化产物、抑制漆膜、积炭生成等的能力[4]。

DH-1规格中的高温清净性评定采用JASO建立的评定方法JASO M336，该方法采用Nissan公司的2.5 L直列4缸柴油发动机(TD25)，如图1，发动机以4200 r/min全负荷运行200 h，然后对活塞沉积物进行评定。

图1 Nissan柴油发动机(TD25)

鉴于TD25发动机配件的原因，JASO M336 TD25可由Caterpillar 1P替代。Caterpillar 1P使用2.44 L排量的1Y3700单缸直喷四气门发动机，它通过模拟2002年以前的高速、涡轮增压柴油机运行工况，评定油品对活塞沉积物、活塞环黏结；活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响。试验结束后，评定活塞、活塞环和气缸套，对废油进行运动黏度、总碱值、磨损金属含量和燃油稀释状况的分析，评定内容和通过标准[5-6]如表2。

表2 Caterpillar 1P发动机台架试验通过标准

Caterpillar 1P用于API CH-4机油的评定，DH-1规格中可采用Caterpillar 1P台架来替代Nissan TD25台架试验评定油品的高温清净性，从而要求JASO DH-1规格机油具有良好的抗氧化性能和高温清净性以及优异的顶环岸重炭和顶环槽充炭的控制能力。

(3)优异的抗磨性能

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,根据发动机设计的不同，烟炱对阀系的磨损可分为滚动磨损和滑动磨损[7]。由于与美国发动机设计的差异，DH-1规格中，发动机油的阀系磨损评定采用JASO自己的评定方法JASO M354-2005，该方法采用三菱发动机公司3.9 L直列4缸的Mitsubishi Fuso 4D34T4发动机，如图2，发动机以3200 r/min全负荷运行160 h，然后对凸轮从动件的磨损以及点蚀进行评定，在碳沉积物质量至少增加3.0%时的最大凸轮从动件损失为11.3 μm，且无点蚀磨损，这就要求机油中具有合适的硫、磷元素含量和硫酸盐灰分以及优异的抗磨损性能。因为过高的硫、磷元素含量和硫酸盐灰分会导致发动机后处理系统的中毒，过低则会导致严重的凸轮轴磨损和点蚀[8]，如图3。

图2 Mitsubishi 4D34T发动机

图3 DH-1阀系磨损评定

(4)优异的高温抗氧化与抗腐蚀性

由于发动机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[7]。程序ⅢE、ⅢF、ⅢG是评定发动机油抗高温氧化和磨损性能的台架试验，主要用于评定在150 ℃的高温条件下油品的抗氧化性能。DH-1发动机油采用程序ⅢE、ⅢF或ⅢG、热管氧化试验以及135 ℃的高温腐蚀试验来评定油品的高温抗氧化、抗腐蚀性，因此要求DH-1规格的机油具有优异的抗氧化、抗腐蚀性能。

(5)更高的碱值

碱值是测定润滑油中有效添加剂成分的一个指标，表示发动机油的清净性与中和能力。DH-1规格机油要求最低的碱值是10 mgKOH/g，比API CG-4、CH-4、CI-4具有更高的碱值，如图4，说明DH-1规格的机油具有优异的清净分散性和酸中和能力。

图4 碱值对比(ASTM D4739)

(6)良好的低温流动性，为发动机冷启动时提供低温启动保护。

(7)良好的抗剪切和高温黏度保持性能。

(8)良好的发动机橡胶密封件的相容性，不会对橡胶件产生收缩、溶胀、硬化等作用，延长密封件的使用寿命。

2 DH-1 15W-40柴油机油的研制

针对DH-1规格标准的性能要求，考虑到与汽车尾气后处理系统的兼容性，选取了性能优异的复合功能添加剂和加氢基础油进行产品开发，通过配方的调整和优化，研制的DH-1 15W-40柴油机油通过Mitsubishi Fuso 4D34T4、Caterpillar 1P、Mack T-8E和程序ⅢF台架试验，产品满足并超越JASO DH-1规格要求，获得JASO认证。DH-1 15W-40柴油机油的部分台架试验数据如表3，实测数据如表4，馏程数据如表5、成焦板试验结果如图5。从台架试验、成焦板试验、馏程以及常规理化指标分析数据可以看出，研制的DH-1 15W-40柴油机油具有优异的产品性能。

表3 DH-1 15W-40部分台架试验数据

表4 DH-1 15W-40柴油机油实测数据

表5 DH-1 15W-40柴油机油馏程检测结果

图5 DH-1 15W-40柴油机油成焦板试验结果

3 DH-1 15W-40的应用研究

DH-1 15W-40柴油机油是专门为要求使用DH-1规格机油的柴油机开发的，为能够全面、准确地掌握DH-1 15W-40柴油机油的产品性能，除了进行台架试验和理化试验，实际行车试验是必要的，为此，选取了匹配不同发动机、不同类型的车辆进行DH-1 15W-40柴油机油的行车试验，在长途、超载的真实苛刻路况条件下，全面评估其综合使用性能。

3.1 试验条件

行车试验车辆为2台匹配上海日野P11C-UJ发动机(日本技术，国Ⅲ排放)的工程车辆和1台匹配上海日野P11C-VM发动机(日本技术，国Ⅳ排放)的牵引车辆。工程车辆为广州地区城乡区域运营的水泥搅拌车，道路多为省道和乡村道路，路况较为苛刻和复杂；牵引车为东莞至苏州的长途高速运输车，运行时间长，超载较严重。试验车辆发动机技术参数如表6。

表6 试验车辆发动机技术参数

表6(续)

3.2 试验过程

将试验车辆原用机油在热的状态下从油底壳底部放干净，并用试验机油清洗发动机2次，每次怠速运行20 min，然后从油底壳底部放干净清洗油。发动机清洗完成后，更换机滤、空滤和燃油滤，再加入试验机油，怠速运行10 min后，用专用采样器从机油尺管口处采集150 mL油样作为0 km油样，并补加试验机油至机油尺上刻度的中上限，记录车辆的已行驶里程和加入的试验机油总量。

3.3 行车试验

行车试验里程工程车为20000 km左右，牵引车为25000 km左右，每间隔5000 km左右，用专用采样器采样150 mL，同时补加同等数量的新试验机油。对采集的油样进行检测分析和评估，项目包括常规指标、红外光谱和金属元素三个方面，其中，常规指标分析包括油品的100 ℃运动黏度、碱值、酸值、正戊烷不溶物和水分；红外光谱分析包括氧化值和硝化值；金属元素含量分析包括磨损金属元素Fe、Cu、Al和外来污染金属元素Si。

3.4 结果与分析

由于至今还没有DH-1规格机油换油指标的国家或行业标准，只有CH-4级别的换油指标，因此参考GB/T 7607-2010《柴油机油换油指标》中的CH-4换油指标，见表7，并结合红外光谱分析进行试验机油的品质监控，来综合判断试验机油的使用情况。

表7 GB/T 7607-2010《柴油机油换油指标》之

3.4.1 100℃运动黏度

黏度是发动机油最基本的性能指标，是保证发动机获得良好润滑的关键。发动机工作过程中，机油黏度的变化受多种因素的影响。导致机油黏度增加的诸如机油氧化、油泥生成以及不溶物的增加等；导致机油黏度下降的诸如机油中的黏度指数改进剂的被剪切而降解、燃油稀释或机油乳化等。如果机油的黏度增加过快或太大，说明机油氧化加剧，油泥增多，机油的流动性会变差，润滑性下降可能导致发动机故障的产生；黏度下降过大会使发动机摩擦副中的油膜变薄，不能形成有效的润滑而引起发动机故障。因此，运动黏度的变化在一定程度上表征了机油质量的衰变情况。试验机油100 ℃运动黏度变化趋势如图6。

图6 100℃运动黏度变化趋势

从图6可以看出，在机油的行车试验过程中，100 ℃运动黏度在5000 km出现了黏度下降，然后又逐渐上升的趋势。其主要是因为刚加注的新机油受发动机摩擦副的剪切作用，使机油中的黏度指数改进剂由大分子被剪切成小分子，致使机油黏度下降；随着发动机使用时间延长，在苛刻的发动机工况条件下，机油会发生氧化并生成大分子胶质，从而使机油黏度上升。在整个行车试验过程中，机油的黏度变化幅度较小，还处在原来的黏度等级范围之内，没有出现明显的下降和上升现象，也没过超过换油指标中规定的黏度变化范围，说明试验机油具有优异的剪切安定性和黏度保持能力，没有出现过度氧化而造成的机油黏度剧增现象。

3.4.2 碱值

柴油发动机油中含有较大比例的有机金属盐类清净分散剂，这些有机金属盐类带有强碱性，使柴油机油具有较高的碱值，以中和机油氧化生成的有机酸性物质和燃料燃烧产物中的无机酸性物质，因此，碱值反映了机油抑制氧化和中和酸性物质能力的强弱。在机油的使用过程中，碱性添加剂会被不断的消耗，机油的碱值会下降，当碱值下降到一定程度时，机油就会失去中和酸性物质的能力，造成油泥增多，发动机有可能会产生的酸性腐蚀和磨损[9]。试验机油碱值的变化趋势如图7。

图7 碱值变化趋势

从图7可以看出，在试验过程中，机油的碱值呈现逐渐下降的趋势，其原因是机油高温氧化而产生酸性物质和柴油燃烧生成的酸性物质，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，同时也说明试验机油具有良好的碱值储备。

3.4.3 酸值

酸值主要监测机油中某些功能添加剂的消耗情况和机油的老化程度。在用柴油发动机油的酸值主要来源于两个，第一个是发动机油在高温下的降解氧化生产的有机酸，降解氧化生产的有机酸性物质会攻击金属表面而造成腐蚀磨损；其次是燃料燃烧生成的酸性物质与水反应生成硫酸，硫酸会对金属造成强烈的酸性腐蚀磨损。一般发动机油会添加性能良好的抗氧剂来降低机油的氧化速度，同时，碱性添加剂会中和酸性物质，减轻腐蚀磨损对发动机的危害。

在机油的使用过程中，如果酸值增加过大，说明机油产生了大量的酸性物质，会进一步促进机油的变质，产生油泥，对发动机造成一定程度的机械磨损，同时在金属的催化作用下会加剧机油的老化，影响发动机的正常运行。因此，要监控在用机油的酸值，当其达到某一数值时，就要进行换油处理，避免酸值过大而引起发动机故障。试验机油酸值的变化趋势如图8。

图8 酸值变化趋势

从图8可以看出，随着行驶里程的增加，试验机油的酸值呈现逐渐增大的变化趋势，其中2台水泥搅拌车的酸值增加比牵引车的酸值增加大，其原因是水泥搅拌车较老旧，且工况比牵引车更加苛刻。但到试验结束时，试验机油的酸值增加均未超过2.5 mgKOH/g，符合发动机油在使用过程中酸值的变化规律，说明试验机油具有良好的抗氧化性能。

3.4.4 正戊烷不溶物

柴油机油氧化降解后生成微小的固体物悬浮在机油中，外来的污染物如粉尘、沙粒、磨损颗粒和积炭等也会悬浮在机油中，正戊烷不溶物是这些物质的总和。因此，正戊烷不溶物是反映机油容纳污染物能力的一个指标。当在用机油的正戊烷不溶物含量达到一定值后，机油黏度增大，流动性变差，油品中的不溶物聚集成团，堵塞机油过滤网和油道，造成发动机供油不畅润而发生发动机故障。正戊烷不溶物含量的变化趋势如图9。

图9 正戊烷不溶物含量变化趋势

从图9可以看出，随着行驶里程的增加，试验机油的正戊烷不溶物含量呈现逐渐增大的变化趋势，但在整个行车试验过程中，正戊烷不溶物的含量始终处在非常小的范围内，远未达到2%换油指标要求，说明试验机油表现出优异的抗氧化性能。

3.4.5 水分

在用油由于缸套老化渗漏、燃烧室产生的水汽等原因，可能造成油品带水，水的存在会破坏油膜强度，并造成添加剂水解，有机酸还会腐蚀发动机部件。当油品中水分较少时，由于发动机工作温度较高，因此极少量的水有可能被蒸发，对发动机危害不大，随着机油中水分的增加，机油乳化会加剧，机油的润滑性能会大幅度下降，会造成发动机的腐蚀磨损和锈蚀。水分含量的变化趋势如图10。

图10 水分变化趋势

从图10可以看出，试验机油中的水分含量随着行驶里程的增加变化较为平缓，基本处在痕迹的水平，小于换油指标的0.2%的要求，说明试验机油没有受到水分的乳化污染，机油在发动机摩擦副之间形成的有效油膜强度良好，可以为发动机提供有效的润滑保护。

3.4.6 氧化值和硝化值

在用发动机油的氧化值、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HC、CO、NOx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发动机零部件腐蚀、磨损等现象，故而对油品的使用造成不良影响，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。我国目前还没有关于利用红外光谱法监控在用机油的氧化值、硝化值的极限规定，据文献[10]报道，在用柴油机油的氧化值和硝化值的警戒值为0.25 ABS/0.1 mm，超过此警戒值，则表明在用机油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，应予以更换机油。试验机油的氧化值和硝化值的变化趋势如图11和图12。

图11 氧化值变化趋势

图12 硝化值变化趋势

从图11和图12可以看出，随着行驶里程的增加，试验机油的氧化值及硝化值呈现逐渐增大的趋势，但变化幅度不大，没有达到警戒值，表明试验机油具有良好的抗氧化和抗硝化能力。

3.4.7 磨损金属元素

车辆在运营过程中，其运动部件都存在正常的磨损。对发动机的磨损而言，其主要磨损件为缸套、曲轴、活塞和活塞环等。在用机油中的铁元素能够直接反映发动机的磨损情况，其主要来源于气缸套-活塞环的磨损；铜含量则反映了发动机轴承的磨损或腐蚀状况；铝含量主要来自活塞与气缸壁的磨损，通过检测分析机油中Fe、Cu、Al等的磨损金属元素含量，可以掌握发动机的磨损情况。试验机油中磨损金属元素含量变化趋势如图13～图15。

图13 铁含量变化趋势

图14 铜含量变化趋势

图15 铝含量变化趋势

从图13、图14和图15可以看出，随着行驶里程的增加，铁、铜、铝元素的含量呈现逐渐增大的变化趋势。但在整个行车试验过程中，试验机油中的铁、铜和铝元素的含量均较小，且呈规律性增加并稳定在换油技术指标的范围内，认为属于正常的磨损。较低的磨损元素含量也说明试验机油良好的抗磨性能和润滑性能，试验机油能够在发动机各摩擦副之间形成强度很高的极压膜，对发动机形成有效的保护，延长发动机的使用寿命。

3.4.8 硅元素

在用油中硅元素的来源主要与车辆的行驶环境有关，当车辆行驶于尘土飞扬的恶劣环境中，或空气滤清器不正常，都会造成油中硅含量的大量增加，引起发动机零部件的磨料磨损。试验机油中硅元素含量变化趋势如图16。

图16 硅含量变化趋势

从图16可以看出，试验机油中硅元素含量随行驶里程的增加，呈现缓慢增加的变化趋势，这可能与空气滤清器的工作状况和车辆的运营环境有关。在整个行车试验过程中，试验机油中硅元素含量均未达到换油指标的要求。

3.5 行车试验小结

在匹配采用日本发动机技术并满足国Ⅲ、Ⅳ排放的不同车辆上，成功进行了DH-1 15W-40柴油机油的行车试验，结果表明，研制的DH-1 15W-40柴油机油完全满足要求使用DH-1规格发动机的润滑要求，在预定的行车试验里程中，试验机油的100 ℃运动黏度变化率、碱值、酸值、正戊烷不溶物、水分、氧化值、硝化值和金属元素等指标均在参考换油指标范围内，且发动机的磨损正常，润滑状况良好。

4 结论

研制的JASO DH-1 15W-40柴油机油通过苛刻的台架试验、理化试验和行车试验，结果表明：DH-1 15W-40柴油机油具有优异的清净分散性能、

高温抗氧化性能和抗磨性能以及优异的黏度保持性能，完全满足要求使用JASO DH-1规格机油的发动机的润滑要求，具有良好的后处理系统兼容性。

JASO DH-1 15W-40柴油机油的成功研发与应用，并获得JASO的认证，有利于打破采用日本技术的柴油机对这类进口机油的过度依赖，同时也为其提供了性能优异的发动机油，有效延长其使用寿命，降低维护成本。

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Development and Application Research of DH-1 15W-40 Diesel Engine Oil

SHI Shun-you, TANG Zhan-shuai

(Maoming Branch, Sinopec Lubricating Oil Co., Ltd., Maoming 525011, China)

The widespread application of new engine technology have been promoted by the formulation and upgrading of environmental laws and regulations. The development of high-performance engine oil which meets the requirements of new engine technology and increasingly severe emission regulations has become an important topic. This paper focused on the primary performance specification of the JASO DH-1 diesel engine oil，among which the concerned DH-1 15W-40 diesel engine oil was studied by employing engine and bench test, and the field test was carried out on the vehicle that adopts Japanese Diesel Technology and meets the China grade Ⅲ and Ⅳ emission regulations. As a result，DH-1 15W-40 diesel engine oil exhibits excellent dispersion property，and superior resistance to oxidation, corrosion and abrasion, as well as good viscosity retention performance，which can completely meet the lubrication requirements of the engine using JASO DH-1 oil. The successful development and application of DH-1 15W-40 diesel engine oil are beneficial to relieve the dependence on this kind of imported lubricating oil products and reduce the cost for maintenance of vehicle equipment.

emission regulation; DH-1; diesel engine oil; field test; application research

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.04.002

1002- 3119(2017)04- 0006- 10

TE626.32

A

2017-05-22。

石顺友，硕士研究生，工程师，2012年毕业于北京化工大学化学与工程学院，现主要从事车船用润滑油的开发和技术支持工作。E-mail:shisy.lube@sinopec.com