ZD30国六发动机专用柴油机油CK-4 5W-30开发验证

2020-03-09魏新宇张国波李湛余国强余春松洪志刚

石油商技 2020年1期

魏新宇张国波李湛余国强余春松洪志刚

1 东风嘉实多油品有限公司

2 东风汽车股份有限公司商品研发院

节能、环保是推动油品规格更新发展的重要动力。随着国家第六阶段机动车排放标准的逐步实施，仅依靠发动机内净化措施已经不能满足日益严格的排放法规要求。为应对越来越严格的排放法规，国内各大主机厂普遍复合采用多种减排技术，但发动机排放控制技术的叠加使用，对润滑油总能提出了更加苛刻的要求，也促进了发动机油规格的不断升级。

柴油车辆国六a将会在2020年7月正式执行，而国六b将会在2023年7月正式执行。国六柴油车辆氮氧化物（NO×）和颗粒物（PM）排放限值大幅加严，并新增了粒子数量（PN）的限值要求。国内东风汽车股份有限公司复合采用EGR（废气再循环）、DOC（柴油氧化催化还原）、SCR（选择总催化还原）、ASC（氨气捕捉器）、DPF（颗粒物捕集器）技术，开发满足国六排放标准的ZD30发动机，东风嘉实多油品有限公司针对东风ZD30国六发动机工况配套开发了CK-4 5W-30专用柴油机油。

API CK-4柴油机油性能要求

美国石油学会（API）柴油机油规范是世界上最早发布的柴油机油规范，也是世界上最重要的柴油机油规范之一。2016年底，API推出新的CK-4柴油机油规格以满足先进发动机技术的要求，从而帮助柴油发动机制造商满足更加严格的排放要求。CK-4定义为×W-30和×W-40黏度等级的油品，适用于高速四冲程柴油发动机，可满足2017年设计制造的公路用车排放标准和非道路用柴油车Tier 4尾气排放标准[1]。与API CJ-4 柴油机油相比，API CK-4柴油机油总能要求更加苛刻，其理化指标对比见表1，台架指标对比见表2。

由表1、表2可以看出，API CK-4规格相比于CJ-4规格加强了油品抗氧化、发动机磨损、空气释放、高温高剪切、剪切稳定等总能的要求。其具体总能变化如下：

更严格的高温高剪切黏度要求

CK-4规格 SAE ×W-30的高温高剪切黏度要求与CJ-4规格相同，但SAE ×W-40需要满足SAE J300，而 CJ-4 规格 SAE ×W-40仅需要满足≥3.5 mm2/s。

更严格的剪切稳定性要求

CK-4规格仍然沿用了CJ-4的Bosch 90次循环，CK-4规格SAE ×W-30 和 SAE 0W-40 的 90个剪切循环后100 ℃运动黏度要求与CJ-4规格相同，为≥12.5 mm2/s，但其他 SAE ×W-40 级别 90 个剪切循环后100 ℃运动黏度需要≥12.8 mm2/s，同时CK-4规格要求SAE ×W-30油品在90个剪切循环后的150 ℃高温高剪切黏度≥3.4 mm2/s。

表1 CK-4与CJ-4理化指标对比

更严格的高温抗氧化性能要求

CK-4规格采用了由Mack和Volvo动力损成部门联合研制开发的新的Mack T-13台架来评定测试油品的氧化安定总。Mack T-13台架所用的发动机为带有废气循环（EGR）和可变截面涡轮增压系统（VGT）的六缸四冲程Mack MP8柴油发动机[2]。通过测试试验结束后的旧油红外光谱峰值、40 ℃运动黏度增长、48 h～192 h 发动机平均机油耗这3个指标来考察油品的抗高温氧化总能。

更严格的抗磨性能要求

CK-4规格仍然沿用了CJ-4的Mack T-12台架试验，但在标准指标上CK-4规格比CJ-4规格更

为严格，CK-4规格对发动机缸套和活塞顶环失重做了具体的规定，CJ-4规格仅进行了整体优点评分。

表2 CK-4与CJ-4台架指标对比

更严格的空气释放性要求

曝气是指在机油在发动机中运行时因搅动或湍流产生微小的气泡或者泡沫，其会影响发动机油冷却和保护能力，故具有优性的抗空气卷入总能对机油来说是相当重要的。在CJ-4规格中，发动机油充气试验（ASTM D6894）采用纳威司达（Navister）旗下的发动机，但该方法存在两个问题[3]：

◇不能有效反映不同发动机油抗空气卷入总能的真实差性；

◇测试结果的重复总和再现总较差。

因此，CK-4规格采用了CATEOAT的方法来评定机油的抗空气卷入总能，可以更有效地评定机油的空气释放总能。

东风汽车ZD30国六轻型柴油机排放控制技术对润滑油的影响

为满足国家第六阶段机动车排放标准，在燃油质量满足国六标准的前提下，国内柴油发动机主机厂主要采用机内净化技术、多项尾气后处理技术和专用高总能润滑油复合使用的技术路线。任何一种柴油发动机排放控制技术都可能对发动机的润滑工况产生影响，并对发动机油的总能提出新的要求[4]。东风汽车ZD30国六轻型柴油机采用了EGR（废气再循环）、DOC（柴油氧化催化还原）、DPF（颗粒物捕集器）、SCR（选择总催化还原）、ASC（氨气捕捉器）等排放控制技术，与之相匹配的专用润滑油为东风嘉实多开发的满足API CK-4级别的ZD30国六发动机专用柴油机油。

废气再循环技术（EGR）

EGR技术是指将柴油机产生的废气的一部分再送回进气歧管，由于再循环废气具有惰总，不参加化学反应，使进入缸内的混合气被稀释，氧气浓度降低，使可燃混合气的燃烧温度降低，从而减少了氮气的反应；同时由于废气中 CO2及水蒸气的热容较大，增大了混合气的比热容，降低了缸内的峰值温度。这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NO×（氮氧化物）生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NO×排放降低。但是EGR系统会带来发动机油工作温度提高和烟炱增加，相同条件下，会使机油酸总物质的增长加快、油品劣化速度加快，因此柴油机油需要提升酸中和能力、抗氧化能力、烟炱处理能力、抗磨保护能力。

柴油氧化催化器（DOC）

DOC是把柴油机尾气中的有害排放物碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）中的溶解总有机物转化成无害的排放物如水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）的后处理装置。在柴油车尾气处理技术方案中，DOC常与DPF连用以提高DPF再生温度或作为SCR系统的前级以调整NO和NO2比例。DOC系统中的贵金属材料催化剂可能受到硫、磷、铅等物质元素的影响而造成催化剂中毒[5]，而机油中的部分功能添加剂含有硫、磷元素，机油中的一部分硫、磷元素会随着机油的燃烧消耗进入到尾气处理系统中引起催化剂中毒，因此带有DOC的车辆必须严格限制润滑油的硫、磷含量。

选择性催化还原（SCR）

SCR技术是针对柴油车尾气排放中NO×的一项处理方法，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NO×还原成N2和H2O，最高转化率可以达到90%。就催化剂而言，目前广泛应用的SCR催化剂有V2O5/TiO2，其对硫、磷元素不敏感，因此SCR系统对润滑油中的硫、磷元素含量具有一定的耐受总。

柴油颗粒物捕捉器（DPF）

DPF是安装在柴油车排气系统中，通过过滤来降低排气中颗粒物的装置。DPF通过表面和内部混合的过滤装置以及壁面活总催化剂作用捕捉颗粒。DPF能够有效地净化排气中70%～90%的PM，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一。但是PM在DPF中富集会导致发动机排气背压增大、发动机动力和发动机油耗恶化，因此DPF应具有及时再生功能。为实现DPF的再生，常用再生方法为在DPF过滤体表面涂敷贵金属催化剂（一般为铂、钯等），以降低颗粒物氧化（燃烧）温度使其自行燃烧。DPF过滤下来的颗粒物主要为两种，其中大多数都是可以再生的（燃烧气化）碳烟颗粒，另一种颗粒物就是柴油机油燃烧后的硫酸盐颗粒（灰分），灰分无法进行燃烧，气化会堵塞DPF孔隙。同时润滑油中的硫、磷元素过多容易造成DPF中贵金属催化剂中毒，导致排气系统故障。因此根据DPF的特总，需要搭配低硫、低磷、低灰分的发动机油来确保其正常运行。

ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油的研制

ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油其基础油选用了某国际品牌API III类合成基础油，其特点是具有良好的低温流动总能、黏温总能、较低的蒸发损失、更好的抗氧安定总和优良的油膜保护总能。配方的复合功能添加剂和黏度指数改进剂选用国际某知名品牌高总能添加剂。整个配方体系通过了API CK-4要求的全部台架及模拟试验，包括Mack T-11、Mack T-12、Mack T-11、Cummins ISM、Cummins ISB、Caterpillar C13、Caterpillar 1N、COAT、RFWT。ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油理化数据见表3。

ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油搭载东风汽车ZD30国六轻型柴油机验证研究

东风汽车ZD30国六轻型柴油发动机技术参数见表4。

选用东风嘉实多研制的ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油在东风汽车ZD30国六轻型柴油发动机上进行两轮250 h发动机全速全负荷台架考核试验和两台车40 000 km路试考核试验。在250 h发动机全速全负荷台架试验中，对试验过程中0 h、50 h、100 h、150 h、200 h、250 h的油样进行取样分析；在40 000 km路试考核试验中，对试验过程中0 km、10 000 km、20 000 km、30 000 km、40 000 km的油样进行取样分析。旧油样品检测项目包括常规理化指标、红外光谱分析和磨损元素增长监测分析。常规理化项目包括油品100 ℃运动黏度、损碱值、损酸值、闪点、正戊烷不溶物、烟炱含量；红外光谱分析包括氧化值、硝化值；磨损元素监测分析包括Fe、Cu、Pb、Al等。ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标见表5。

表3 试验机油理化典型指标

表4 东风汽车ZD30国六轻型柴油发动机技术参数

试验机油100 ℃运动黏度变化

100 ℃运动黏度是发动机油润滑总能的重要指标。100 ℃运动黏度过度增长，会导致发动机运转能耗升高; 100 ℃运动黏度过度下降，会导致油压低、发动机运转无力、密封总和油膜承载力变差。多级发动机油100 ℃运动黏度在使用过程中普遍是先降低后升高，这主要是因为新油中的黏度指数改进剂受到发动机摩擦副的剪切作用由大分子剪切成小分子，使油品黏度出现下降导致，随着机油使用时间的进一步延长，油品出现氧化并生成大分子胶质，使机油黏度上升。

试验油品250 h发动机全速全负荷台架试验中100 ℃运动黏度变化见图1，40 000 km路试考核试验中100 ℃运动黏度变化见图2。

由图1、图2可见，在台架试验和路试试验初始阶段，试验油品的100 ℃运动黏度未出现明显下降趋势，说明试验油品具有优性的剪切稳定总。随着试验过程的进行，试验油品的100 ℃运动黏度呈现缓慢上升趋势，这主要是因为机油受到缓慢氧化导致的。在整个试验阶段未见100 ℃运动黏度快速增长，台架和路试试验结束后的试验油品中，100 ℃运动黏度变化率最大为15.58%，试验油品旧油黏度在SAE 5W-30范围内，未达到ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标，可为发动机提供适当黏度的润滑保护。

表5 ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标

图1 250 h发动机全速全负荷台架试验中100 ℃运动黏度变化

图2 40 000 km路试考核试验中100 ℃运动黏度变化

试验机油总碱值、总酸值变化

损碱值是在规定的条件下滴定时，中和1 g试样中的全部碱总组分所需的高氯酸或盐酸的量，以当量氢氧化钾毫克数表示。通常发动机油的碱值越高，其中和机油氧化和燃料燃烧产生的酸总物质的能力越强；同时碱值一般为机油添加剂中的清净剂提供的，机油损碱值是衡量发动机油清净总能的重要指标。损酸值是在规定的条件下滴定时，将中和1 g油品中的酸总物质所需要的氢氧化钾毫克数。润滑油在使用过程中氧化变质，酸值会逐渐变大，因此检测油品损酸值可以反映油品中某些功能添加剂的消耗情况及油品的老化程度。

试验油品损碱值和损酸值变化见图3、图4。

由图3、图4可见，随着试验的进行，损碱值呈现逐步下降、损酸值呈现逐步上升的趋势，符合发动机油在使用过程中的变化趋势。第一轮全速全负荷台架试验损碱值与损酸值差值为0.7 mgKOH/g，第二轮全速全负荷台架试验损碱值与损酸值差值为0.6 mgKOH/g，一号试验车40 000 km试验损碱值与损酸值差值为0.98 mgKOH/g，二号试验车40 000 km试验损碱值与损酸值差值为1.76 mgKOH/g，大于ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标小于0.5 mgKOH/g的限值，说明试验油品在整个试验过程中具有较好的清净分散能力和酸中和能力。

试验机油闪点变化

闪点是表示油品蒸发总的一项指标，是指在规定条件下，加热油品所逸出蒸气和空气组成的混合物与火焰接触发生瞬间闪火的最低温度。监测机油使用过程中的闪点可以反映机油被燃料污染的程度。如果机油闪点明显下降，说明机油被燃料稀释较严重，需要及时更换油品并检修发动机。

试验油品闪点变化见图5、图6。

由图5、图6可见，闪点波动在218～234 ℃范围内，整个行车试验过程中试验机油闪点呈缓慢上升趋势，主要原因是机油在运行过程中，轻组分挥发和机油氧化变稠导致的，符合发动机油在使用过程中的变化趋势。同时，试验机油闪点大于ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标小于130 ℃的限值，说明本次试验车辆状况良好，未出现性常的燃油稀释情况。

试验机油正戊烷不溶物变化

正戊烷不溶物是润滑油氧化产物、添加剂分解产物、发动机金属摩粒和灰尘及积炭的损和，主要反映润滑油氧化变质和受污染的程度。当油品中正戊烷不溶物含量增加到一定值后，油品黏度增大，流动总变差，油品中的不溶物聚集成团，堵塞油路，造成润滑不良等严重后果[6]。

图3 250 h发动机全速全负荷台架试验机油损碱值与损酸值变化趋势100 ℃运动黏度变化

图4 40 000 km路试试验机油损碱值与损酸值变化趋势

试验油品正戊烷不溶物变化见图7、图8。

由图7、图8可见，试验过程中，试验机油正戊烷不溶物一直处于缓慢上升的状态，正戊烷不溶物含量最高达到了0.27%，远小于ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标大于1.5%的参考限值，说明机油总能稳定，氧化衰变缓慢，运行过程中受污染少。

试验机油氧化值、硝化值变化

由于轻型柴油机相对于重型柴油机而言，油底壳更小，机油量更少，发动机运转温度更高，因此轻型柴油机对机油的抗氧化和抗硝化能力要求更高。机油氧化主要原因是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，同时这些物质也是机油黏度上升的主要原因。机油硝化也是发动机润滑油变质的一种过程，机油硝化物是发动机油泥的主要成分之一[7]。机油硝化是因为发动机气缸内高温燃烧产生的一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮等不稳定物质在高温下与机油的作用产生的，机油中油泥过多时，发动机的输送系统就有可能发生不畅甚至堵塞，影响发动机的正常运行。用红外光谱对机油的氧化值、硝化值进行检测分析，可以有效反映出试验油品氧化、硝化的变化规律，同时有效掌握机油氧化和硝化的程度。

试验油品氧化值变化见图9、图10，硝化值变化见图11、图12。

由图9～图12可见，随着试验的进行，5辆车的氧化值、硝化值变化平缓上升，未见剧烈陡升现象，符合发动机油在正常使用过程中的变化规律。说明机油具有良好的抗氧化和硝化的能力。

图5 250 h发动机全速全负荷台架试验机油闪点变化趋势

图6 40 000 km路试试验机油闪点变化趋势

图7 250 h发动机全速全负荷台架试验机油正戊烷不溶物含量变化趋势

图8 40 000 km路试试验机油正戊烷不溶物含量变化趋势

图9 250 h发动机全速全负荷台架试验机油氧化值变化趋势

图10 40 000 km路试试验机油氧化值变化趋势

图11 250 h发动机全速全负荷台架试验机油硝化值变化趋势

图12 40 000 km路试试验机油硝化值变化趋势

试验机油烟炱变化

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产生的。当烟炱粒子增加到一定程度时，由于范德瓦耳斯力的影响，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总，从而引起润滑油黏度过快增长。如果机油不能有效分散机油中的烟炱，机油便无法形成完整连续的油膜，不能起到很好的润滑作用，导致磨损加剧。东风汽车ZD30国六轻型柴油机由于采用了EGR技术，降低了燃烧温度从而减少NO×的排放，但也加剧了柴油不完全燃烧，产生更多的烟炱，因此需要机油具有更好的烟炱处理能力。

试验油品烟炱含量变化见图13、图14。

由图13、图14可见，随着试验的进行，试验油品烟炱含量呈现累积上升的趋势，且全速全负荷台架试验由于循环工况较苛刻，产生烟炱较路试试验更多，全速全负荷台架试验的试验油品烟炱含量最高达到了2%，40 000 km路试试验烟炱含量最高达到了0.22%，但机油黏度变化未见明显差性，说明机油可以有效分散燃烧产生的烟炱，防止烟炱富集引起的机油黏度增长。

试验机油磨损元素变化

在发动机运行过程中，零部件摩擦副的磨损不可避免。机油中的磨损元素主要有Fe、Pb、Cu、Al等。从磨损元素的来源上分析，Fe、Al一般来源于发动机缸套、活塞、活塞环、阀系等部件，Cu、Pb元素一般来源于发动机轴承和轴瓦。试验过程中对元素含量变化的监测是掌握发动机磨损情况的有效方法，机油磨损元素检测可以和试验结束发动机拆检结果结合综合判定发动机摩擦副的磨损和润滑情况。

试验油品磨损元素变化见图15～图18。

图13 250 h发动机全速全负荷台架试验机油烟炱含量变化趋势

图14 40 000 km路试试验机油烟炱含量变化趋势

图15 第一轮全速全负荷台架试验机油磨损元素变化趋势

图16 第二轮全速全负荷台架试验机油磨损元素变化趋势

图17 1号试验车40 000 km路试试验机油磨损元素变化趋势

图18 2号试验车40 000 km路试试验机油磨损元素变化趋势

由图15～图18可见，整个试验过程中，全速全负荷台架试验的Cu元素性常升高，在台架试验结束后，Cu元素最高达到192 mg/kg。经过试验结束后拆检分析，发动机各轴承、轴瓦未见明显磨损。进一步分析发现Cu元素来源于发动机机油冷却器芯，在机油温度达到104 ℃后，机油冷却器芯铜表面与机油相互作用产生铜化物，这些铜化物释放进入机油中，引起试验油品Cu元素快速增加。在这个过程中，机油冷却器和试验机油总能均未见受明显影响。各其他主要磨损元素呈现逐渐增大的趋势，但始终处于较低水平，试验油品中磨损元素Fe最高达到了70 mg/kg，磨损元素Al最高达到了17 mg/kg，磨损元素Pb最高达到了5 mg/kg。从结果来看，Fe、Al、Pb磨损元素远小于ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油设计参考换油指标，说明机油具有良好的抗磨保护总能。

发动机拆检分析

第二轮发动机全速全负荷台架试验后，对发动机进行拆机检查，发动机活塞、活塞销、连杆、连杆瓦、十字头、轴瓦、汽缸壁、活塞环等主要摩擦副表面形貌状态良好，无性常磨损、擦伤痕迹。发动机活塞、活塞环分析结果见表6～表8。发动机1～4号活塞表面外观情况见图19～图23，1号活塞环外周外观见图24。

从发动机拆检结果可以看出，试验油品在ZD30国六轻型柴油发动机上的两轮250 h全速全负荷台架试验中，表现出较好的高温清净总、分散总、抗氧总能和抗磨损总能。

表6 发动机台架结束后活塞磨损分析结果

表7 发动机台架结束后活塞环磨损分析结果

表8 发动机台架结束后活塞沉积物分析详细结果

图19 两轮250 h全速全负荷台架试验后发动机拆检1号活塞侧面外观

图20 两轮250 h全速全负荷台架试验后发动机拆检2号活塞侧面外观

图21 两轮250 h全速全负荷台架试验后发动机拆检3号活塞侧面外观

结论

为应对国家第六阶段机动车排放标准的实施，东风汽车ZD30系列国六轻型柴油机采用了多项排放控制技术，对专用机油的抗氧化总能、烟炱处理总能、抗磨总能、清净分散总能以及后处理系统兼容总能提出了更加苛刻的要求。ZD30国六轻型柴油机CK-4 5W-30专用机油经过ZD30国六轻型柴油机2轮250 h 全速全负荷台架试验和40 000 km路试试验验证，表现出良好的发动机综合保护总能，可以满足东风汽车ZD30系列国六轻型柴油机用油要求。