基于dci11发动机台架试验评价10万公里长寿命柴油机油性能

2019-05-08李湛夏冲魏新宇余春松张亚平韩燕玲

石油商技 2019年2期

李湛夏冲魏新宇余春松张亚平韩燕玲

东风嘉实多油品有限公司

随着商用车数量的快速增长，石油消耗量快速增加，石油危机的威胁日益凸显，对环境的污染日渐加重，人们的节能意识和环保要求不断提高。长寿命发动机油降低了废机油的生成量及处理成本，符合先进的节能环保理念；同时从终端客户角度考虑，降低了车辆换油频次，提高了出勤率，带来了综合经济效益的提升；对于OEM 厂商而言，有与其发动机技术相匹配的质量稳定可靠的长寿命发动机油可提高其产品竞争力，提升在广大用户中的口碑，增强在业界的影响力，实现销量的提升［1］。目前长换油期的润滑油已成为最重要的研究课题之一［2］。传统换油周期仅为10 000～20 000 km的柴油机油已远远不能满足重型载货车市场的高端化需求。同时，随着油品及卡车技术的升级换代，开发长寿命柴油机油作为柴油发动机关键零部件，并对其进行可靠性和耐久性验证，已经成为了行业一致需求与共识。

在长寿命柴油机油开发方面，北美主要商用车Mack、Cummins和Caterpillar等OEM（原始设备制造商）换油里程相对较短，欧洲主要商用车MAN、SCANIA、Renault和DAF等OEM也已经针对各种发动机技术特点开发了大于100 000公里换油期的长寿命柴油机油［3］。

目前我国柴油机油规格与美国石油学会API机油规格基本一致，而我国主流柴油机技术路线主要从欧洲引入，其发动机特点是（高压共轨电喷技术+SCR选择性催化还原），发动机运行工况机制与美国柴油机技术（EGR废气冷却再循环+DPF微粒过滤器）有着巨大的差别［4］，因此有必要基于国内欧系技术发动机dci11平台对东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油进行可靠性、耐久性验证。

试验部分

试验目的

考察东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油对dci420-51国V发动机的磨损影响，比较试验前后发动机的性能变化情况，测量发动机主要零部件的磨损数据，监测润滑油理化指标变化情况，验证其可靠性和耐久性，综合评判润滑油综合性能。

试验对象

试验用柴油机油

试验机油为东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油，配方组成见表1，典型数据见表2。

发动机主要技术特征及参数

发动机主要技术特征及参数见表3。

本文采用国内东风商用车欧系雷诺dci11重型柴油发动机，通过1 000 h可靠性、耐久性台架试验考察东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油的综合性能。台架试验结果表明，东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油具有优秀的抗磨保护性能、高温清净分散性、抗氧化性能、抗油泥性能和碱值保持性能，可以满足雷诺dci11国V排放重负荷柴油发动机超长换油期的使用要求。

主要试验步骤及方法

发动机主要摩擦副试验前测量

对发动机试前拆机，对主要摩擦副进行试验前的测量，包括活塞（环）-缸套、主轴承瓦-连杆瓦、凸轮轴-气门挺杆。

发动机可靠性、耐久性试验前和试验后发动机性能试验

按照GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》进行发动机总功率试验、活塞漏气量试验、机油消耗量试验，记录发动机最大功率工况、最大扭矩工况、最低燃油消耗率、最高排气温度、最大活塞漏气量、最大功率机油消耗率、机燃比、24 h消耗机油量。

发动机可靠性、耐久性试验

按照GB/T 19055—2003《汽车发动机可靠性试验方法》进行1 000 h可靠性、耐久性试验，采用全速全负荷试验（额定转速，油门全开）。试验油样每100 h取样1次，从0 h至1 000 h，共计取样11次，将取得的机油样品进行理化分析，监测其变化情况。

表1 试验机油配方组成

表2 试验机油典型数据

发动机拆解

拆解发动机，对零部件进行精确测量，并对外观进行评分。

表3 发动机主要特征及典型参数

试验条件

性能试验控制条件

◇燃油温度：（40±2） ℃；

◇进气管总温度：（47±2） ℃（额定转速全负荷）；

◇出水温度：（90±2）℃（额定工况）；

◇进气阻力：≤-5.0 kPa（额定功率）；

◇排气背压：（20±2） kPa（额定工况）；

◇中冷前后压降：（20±1） kPa（额定功率）。

可靠性、耐久试验控制条件

◇进气温度：（40±5）℃；

◇进气管总温度（中冷后）：（70±5）℃（额定工况）；

◇燃油温度：（40±3）℃；

◇出水温度：90～100 ℃；

◇进气阻力：≤-5.0 kPa（额定工况）；

◇排气背压：（20±2）kPa（额定工况）；

◇中冷前后压降：（20±1）kPa（额定工况）。

试验用燃油、防冻液

◇燃油：国V 0号柴油；

◇防冻液：凌浚重负荷发动机冷却液HEC-II-40 ℃。

结果与讨论

1 000 h可靠性、耐久性试验前后发动机性能变化

试验发动机在1 000 h可靠性、耐久性试验前后的主要性能对比见表4。

从表4可以看出，1 000 h可靠性、耐久性试验后，发动机最大功率、最大扭矩、燃油消耗率、活塞漏气量等变化量较初始值均未超过5%。试后机油消耗量变大，主要原因为活塞环与缸套间隙变大，油环油封性能下降所致，属正常现象。

1 000 h可靠性、耐久性试验机油理化数据分析

运动黏度变化

运动黏度是保证发动机正常润滑的基本条件。在正常情况下，发动机工作过程中，发动机油运动黏度变化除受到发动机摩擦副剪切作用外还受到2个因素影响，分别为机油自身的氧化和燃烧窜入机油里的烟炱。从氧化角度来说：由于润滑油为碳氢化合物，在发动机高温下与空气及燃烧产物作用产生氧化反应生成醛、酮、有机酸等中间产物，而氧化中间产物又进一步氧化缩合生成大分子胶质和沥青质物质使油品黏度增大。从烟炱角度来说：烟炱作为单独小颗粒存在于机油中是不会引起明显的黏度增加的，当烟炱粒子增加到一定程度时，由于范德华引力的影响，烟炱粒子发生积聚，与氧化形成的胶质凝聚成高黏度的网状结构，这些网状物极其脆弱，易断裂，它们改变了油品的流动性，从而引起润滑油黏度过快增长［5］。

1 000 h可靠性、耐久性试验机油样品的黏度与氧化值随运行时间的变化见图1，机油黏度与烟炱含量随运行时间的变化见图2。

从图1可以看出，当台架试验达到400 h时，机油氧化值出现了陡升，在500 h时达到峰值，这说明机油在400～500 h时开始明显氧化，但机油黏度并未随油品氧化值陡升而剧烈变化，而是在0～600 h保持稳定缓慢增长，这说明试验油品具有良好的清净分散性能，可以有效防止机油氧化产物进一步缩合成大分子胶质，从而有效防止氧化引起的机油黏度增长；在机油氧化值达到峰值后，在后续500～1 000 h台架试验中，氧化值在小范围内波动，考虑到检测误差，可认为机油氧化值在达到45 A/cm-1后氧化速率维持在一定水平，进一步氧化得到有效抑制。

从图2可以看出，机油烟炱含量在600 h上升达到第1个峰值时，运动黏度出现第1个拐点，并在600～700 h迅速上升，而从600～900 h，当机油烟炱含量趋于稳定后，运动黏度增长也趋于稳定，达到新的平衡；在900～1 000 h，机油烟炱含量再次开始上升，运动黏度从950 h开始随烟炱含量同步增加。由此可知，运动黏度增长同机油烟炱含量增长呈密切的正相关性，该特征与以往采用dci国V发动机进行可靠性、耐久性试验中的机油变化规律一致。因此在试验过程中，对于东风嘉实多10万公里长寿命CJ-4 10W-40柴油机油，黏度变化的主要影响因素为烟炱含量。对于dci发动机可靠性、耐久性试验的烟炱含量来源，可以从2个方面解释：从发动机角度来看，dci国V发动机采用SCR（选择性催化还原）技术方案后，会使发动机排气背压增加，阻碍高温燃烧气体的排出，而滞留的高温燃烧气体将导致发动机内部烟炱含量和温度较高；从试验过程工况来看，可靠性、耐久性试验在“全速全负荷”工况下，容易引起烟炱的过快增长。

表4 1 000 h可靠性、耐久性试验前后发动机主要性能对比

图1 试验机油样品黏度与氧化值随运行时间的变化

图2 试验机油样品黏度与烟炱含量随运行时间的变化

总碱值、总酸值变化

发动机油在使用过程中产生的氧化衰变产物、燃油不完全燃烧产物等污染物对发动机的性能具有非常大的影响。发动机油的高温清净性能可以确保活塞（环）、缸套保持清洁，减少活塞沉积物的生成，并保持曲轴箱内清洁，提高油品对油泥、胶质的清净分散能力。碱值及碱值保持能力是衡量发动机油清净性能的参数之一。通常发动机油的碱值越高，其中和酸性物质的能力越强，清净性越好；但碱值的高低与碱值保持能力的好坏并没有一一对应关系［6］。发动机油的碱值保持能力越好，其越能确保在使用后期具有足够的清净性能，避免因碱值消耗过大而造成清净性能不足。发动机油总酸值变化是机油氧化程度的指标，反映了基础油氧化衰变情况和机油中添加剂消耗降解程度。

1 000 h可靠性、耐久性试验机油样品的总碱值与总酸值随运行时间的变化见图3。

从图3可以看出，机油在1 000 h可靠性、耐久性试验中，总碱值先缓慢下降，在400 h后保持稳定；同时总酸值在0～400 h保持缓慢上升，在400 h后保持稳定；总碱值和总酸值变化率远低于油品评估技术要求。试验结果表明，东风嘉实多CJ-4 10W-40 10W公里长寿命机油具有优秀的碱值保持能力，可以长期保持适当的碱值和良好的清净分散能力，可持续中和油品中的酸性物质，防止发动机机件的腐蚀。

硝化值和正戊烷不溶物含量变化

发动机油中的硝化物是产生油泥的主要组分之一。正戊烷不溶物主要表征发动机油高温氧化过程中产生的非油溶性物质及发动机磨损的金属颗粒。硝化值和正戊烷不溶物含量是监测机油中油泥等非油溶物的重要指标。当机油中油泥和非油溶性沉淀过多时，发动机的输送系统就有可能发生不畅甚至堵塞；也会在活塞、挺杆等部位形成漆膜粘结，影响发动机的正常运行。

1 000 h可靠性、耐久性试验机油样品的硝化值与正戊烷不溶物随运行时间的变化见图4。

从图4可以看出，机油在1 000 h可靠性、耐久性试验中，硝化值随着试验运行时间逐步增长；正戊烷不溶物呈现微弱增大的趋势，但始终处于非常小的范围内。根据以上分析可知，组成正戊烷不容物的机油氧化产物和磨损金属颗粒没有异常波动，发动机台架试验过程中运行平稳。

元素变化

机油中所含元素主要分为添加剂元素（包括Ca、P、Zn、Mg等）和磨损元素（包括Fe、Cu、Pb、Al等）两大类。在台架试验过程中监控元素变化，可以反映油品在台架运行过程中的基本情况，如果台架试验出现泄露、污染、燃油稀释等情况，油品中添加剂元素也会异常波动。同时磨损元素的变化情况也可以直接反映在发动机台架运行过程中各摩擦副的磨损情况，直观反映机油的抗磨性能。

1 000 h可靠性、耐久性试验机油样品的添加剂元素和磨损元素含量随运行时间的变化分别见图5、图6。

图3 试验机油样品总碱值与总酸值随运行时间的变化

图4 试验机油样品硝化值与正戊烷不溶物随运行时间的变化

从图5可以看出，机油在1 000 h可靠性、耐久性试验中，各添加剂元素呈缓慢升高的趋势，这是由于在试验过程中，机油中的部分轻组分蒸发损失，添加剂元素会继续留在机油中，在不断补加机油后，添加剂元素缓慢富集。由此可知，在台架试验过程中，机油状态稳定，未明显混入其他杂质和机油。

从图6可以看出，各机油在1 000 h可靠性、久性试验中磨损元素变化均匀。正常情况下，发动机在使用过程中，各摩擦副的磨损是不可避免的，发动机磨损元素变化应该为缓慢增长，其中Fe、Al主要来源于缸套、活塞、阀系，Cu、Pb元素主要来源于连杆轴瓦和主轴瓦等。由此可知，东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油具有良好的抗磨性能，机油磨损元素未见异常升高。

台架试验发动机拆检结果分析

磨损量

发动机台架试验结束后，对发动机进行拆检分析，重点考核活塞（环）-缸套、主轴承瓦-连杆瓦、凸轮轴-气门挺杆的磨损情况。

图5 试验机油样品添加剂元素含量随运行时间的变化

图6 试验机油样品磨损元素含量随运行时间的变化

活塞（环）-缸套磨损情况及外观分析：发动机拆检后，各活塞头部有燃烧产物沉积、活塞裙部无磨损现象，各活塞第一道气环、第二道气环、油环试后转动灵活，外观良好。

各活塞环磨损量见表5，各活塞外观状态见图7。

从表5和图7可以看出，各活塞环经过1 000 h可靠性、耐久性试验后，各活塞环开口间隙未超过主机厂推荐限值，活塞环功能正常。各缸套外围无气穴穴蚀，可见加工纹路。缸套内珩磨网纹清晰可见，无拉缸现象。

各缸套一环上止点处最大磨损量见表6，各缸套外观见图8。

从表6和图8可以看出，缸套磨损量未见异常，符合主机厂磨损限值要求。

主轴承瓦、连杆瓦最大磨损量见表7、表8。主轴承瓦外观状态见图9。连杆轴承瓦外观状态见图10。

从表7、表8、图9、图10可以看出，主轴承瓦-连杆瓦磨损量符合主机厂磨损限值要求；发动机拆检后，主轴承瓦上瓦和下瓦外观良好，没有擦伤、挤压、剥落的迹象发生；连杆瓦上瓦和下瓦外观良好，没有擦伤、剥落现象。

表5 台架试验后活塞环磨损量

图7 台架试验后各活塞外观状态

图8 台架试验后缸套内壁外观状态

凸轮轴凸轮最大磨损量见表9，凸轮轴外观状态见图11。摇臂衬套磨损量数据见表10，摇臂外观状态见图12。挺柱最大磨损量数据见表11，挺柱外观状态见图13。

从表9～表11、图11～图13可以看出，凸轮轴未出现剥落、划伤和点蚀现象；摇臂衬套未发现异常磨损；气阀驱动机构主要磨擦部件挺柱外观有轻微磨痕；活塞（环）-缸套、主轴承瓦-连杆瓦、凸轮轴-气门挺杆等主要摩擦副磨损情况正常，未超过1 000 h可靠性、耐久性试验主机厂推荐磨损限值。这说明东风嘉实多CJ-4 10W-40 10W公里长寿命机油具有良好的抗磨保护性能。

活塞清净性

发动机拆检后，按照SH/T 0031—90《柴油机活塞清净性评分方法》对台架试验后活塞总成进行处理，并在评分箱中进行活塞清净性评分。评分结果见表12。

由表12可以看出，dci420-51发动机经过1 000 h可靠性、耐久性台架试验后，活塞清净性评分满足主机厂推荐的活塞清净性标准要求，说明东风嘉实多CJ-4 10W-40 10W 公里长寿命柴油机油具有较好的高温清净性能。

发动机拆检油泥沉积物

发动机拆检后，按照美国协调研究委员会（CRC）评分手册

表6 台架试验后缸套一环上止点处最大磨损量

表7 台架试验后主轴承瓦磨损量

表8 台架试验后连杆瓦磨损量

图9 台架试验后主轴承外瓦外观状态

图10 台架试验后连杆外瓦外观状态

表9 台架试验后凸轮轴凸轮最大磨损量

表10 台架试验后摇臂衬套磨损量

图11 台架试验后凸轮轴外观状态

图12 台架试验后摇臂外观状态

表11 台架试验后挺柱最大磨损量

图13 台架试验后挺柱外观状态

第4册油泥评分法，对台架试验后dci420-51发动机油底壳、缸罩盖、齿轮室盖和挺杆室挡板进行油泥沉积情况分析，结果见表13，油底壳、缸罩盖、齿轮室盖、挺杆室挡板外观分别见图14～图17。

从表13、图14～图17可以看出，发动机油底壳、缸罩盖、齿轮室油泥沉积较少，挺杆室挡板因靠近涡轮增压器，温度较高，油泥最厚处达到F，但属于正常。由此可知，东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油具有较好的清净分散性能，可有效防止机油中油泥的产生。

结论

采用东风dci420-51国V发动机进行1 000 h全速全负荷可靠性、耐久性试验，对东风嘉实多CJ-4 10W-40 10万公里长寿命柴油机油性能进行全面考察，结果表明，试验用机油在抗氧化、黏度保持、烟炱处理、高温清净、抗磨保护和抗油泥等方面表现良好，可以为发动机提供全面持久的保护。未来将开展实车行车试验，进一步验证机油在实车实际路况中对发动机的综合保护性能。