采用CA 6DL 2-35发动机台架评价柴油机油烟炱引起的黏度增长性能

2020-10-13王争胜冯振文张莹苟春江王诗卓

润滑油 2020年5期

王争胜，冯振文，张莹，苟春江，王诗卓

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州 730060；2.北京化工大学生命科学与技术学院，北京 100029)

0 引言

随着国家排放法规污染物指标的不断提高，重负荷柴油机制造商不断地采用新技术以满足排放法规的要求，节能环保内燃机油成为当今润滑油发展的趋势。随着柴油发动机结构的变化，特别是EGR(废气再循环)系统的引入加速了油品使用过程中烟炱生成的速度，在CI-4规格发动机中废气循环率为10%～15%，而在CJ-4规格发动机循环率为15%～35%，废气循环率的提高使燃烧气体中的酸性物质进一步增加，从而引发一系列的问题。

北美在API柴油机油规格中使用Mack T-11来评价API CJ-4、CK-4、FA-4规格的柴油机油烟炱聚集状态下黏度增长性能，规定试验燃料为硫含量(质量分数)0.03%～0.05% 0#轻柴油。

一般而言，硫含量的高低对烟炱生成量并无明显影响，对黏度的增长有一定影响，而高硫柴油试验中油品的黏度增长速率更快(1)。

高档柴油机油研发、复合剂配方优化和高性能无灰分散性添加剂合成等科研项目，需要进行板式成焦器、油泥分散、烟炱分散、烟炱磨损等一系列的模拟评价试验，但由于模拟试验本身的局限性和与台架试验之间存在或多或少的差异，并不能确保筛选的方案一次性通过Mack T-11发动机台架试验，因此需要一种更为有效的模拟评定手段进行Mack T-11发动机台架试验油品的筛选；本研究是基于一款国内典型的柴油发动机台架试验建立起来的模拟台架评定方法，与Mack T-11发动机台架试验具有很好的相关性，筛选出的方案能够高效地通过Mack T-11烟炱分散性发动机台架试验评定。

一次标准的Mack T-11台架的试验时间需要252 h，每次使用燃油大约17 t，试验费用大约为50万元，而CA 6DL 2-35台架每次试验只需要120 h，每次使用燃油大约6 t，CA 6DL 2-35试验费用为大约10万元，大大地缩短了试验时间和试验成本。

1 试验部分

1.1 台架试验设备及试验方法

试验台架采用一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂生产的“CA 6DL 2-35”型柴油机，为直列、六缸、涡轮增压、空-空中冷、高压喷射柴油泵和每缸四气门设计；其额定功率/转速为258 kW/2100 r/min、最大扭矩/转速为1450 N·m/1300～1500 r/min。发动机出厂设定的喷油提前角为26°，具有大功率、低排放、低成本、低油耗、长寿命、低噪音等特点。

试验方法设计在CA 6DL 2-35试验发动机上，EGR系统的改装使发动机燃烧状况恶化，促使烟炱的生成量增加。由于烟炱的聚集作用，使油品黏度急剧增大影响到发动机的性能和平稳运行，对润滑油的烟炱分散性能提出了更高的要求。参照 ASTM D7156-2016方法文本“用Mack T-11废气再循环发动机评价柴油机油性能的标准试验方法”的试验程序、条件、评价指标，建立CA 6DL 2-35相应的试验程序；实际试验过程进行试验控制条件的摸底试验，确认设备的安全运行状况和可靠性评估，通过控制过量供油及局部改变参数，可以获得不同的烟炱含量；试验废油分析数据结果表明，同样百分含量的烟炱(6%)，CA 6DL 2-35模拟Mack T-11试验方法机油黏度变化明显苛刻，机油的黏度变化和Mack T-11的试验结果趋于一致。同步也确定了CA 6DL 2-35台架试验的正式试验条件，见表1。

表1 CA 6DL 2-35台架正式试验操作条件与Mack T-11试验条件对比

1.2 试验过程

CA 6DL 2-35发动机试验在连续全负荷工况运行120 h，试验期间不换油，每间隔12 h取样一次，每次取样200 mL，监测油品的指标变化，分析项目包括TGA(热重法)烟炱含量(SH/T 0607-2005)、100 ℃的运动黏度(GB/T 11137-1989)、酸值(GB/T 7304-2000)、碱值(SH/T 0688-2000)、金属元素含量分析(铜、铅、铁、铬、铝)(GB/T 17476-1998)、戊烷不溶物(GB/T 8926 -1988)等。试验结束后，评价柴油机油中烟炱引起的黏度增长,在黏度增长达到12 mm2/s时的烟炱含量不得小于6.0%作为试验结果判定依据。

1.3 试验燃料油

因为在做润滑油台架评定试验时，发动机的功率选择在额定功率和转速下运行，燃料油质量会影响发动机的功率输出以及发动机的耐久性；为保证燃料油的稳定性，排除不同批次之间差异性带来的影响同时考虑到试验机使用指标要求，CA 6DL 2-35台架试验方法参照 ASTM D7156-2016试验方法的要求，规定试验燃料为硫含量0.03%～0.05% 0#轻柴油。质量指标见表2。

表2 CA 6DL 2-35台架试验燃油规格

表2(续)

1.4 试验润滑油

为考察Mack T-11与CA 6DL 2-35发动机的烟炱引起黏度增长的相关性，并找出两个台架之间的差异性，本试验使用Mack T-11台架的参比油与Mack T-8台架参比油，在CA 6DL 2-35发动机上进行试验，试验油主要理化分析指标见表3。

表3 试验油主要理化分析指标

2 试验结果与讨论

2.1 CA 6DL 2-35发动机重复性试验考察

为考查CA 6DL 2-35发动机台架试验的重复性，试验选用Mack T-11台架的试验参比油进行了2次重复性验证试验，并选取Mack T-11标准台架的标机试验数据与CA 6DL 2-35模拟Mack T-11方法的试验结果进行对比，见图1，确定模拟Mack T-11台架与标准台架结果的一致性；选用Mack T-8E台架参比油进行不通过油的二次重复性试验结果见图2。根据确定的CA 6DL 2-35发动机台架试验操作条件和试验程序，在120 h全负荷工况运行过程中，采用每12 h间隔取样，对所取油样测定烟炱含量和100 ℃运动黏度。通过考察发动机烟炱含量的变化与机油黏度增长情况，来判断CA 6DL 2-35发动机台架的重复性。

Mack T-11台架参比油标机试验其黏度增长值12.0 mm2/s时，烟炱量生成经过多次试验结果统计，标准偏差为0.21%，重复性结果为烟炱含量不大于0.59%。从图1、图2可以看出CA 6DL 2-35试验能很好地控制烟炱的形成和产生，统计计算2个样品的重复性结果之差分别为烟炱含量0.3%和0.2%，结果见表4。

图1 Mack T-11参比油在CA 6DL 2-35台架上的重复试验

图2 Bulldog参比油在CA 6DL 2-35台架的重复性试验

表4 试验方法重复性验证结果

由图1、图2可知，采用Mack T-11台架参比油、Mack T-8E台架参比油在建立的CA 6DL 2-35试验台架上进行了对比试验和重复性验证试验，两者的烟炱生成和黏度增长趋于一致，重复性验证试验结果表明：试验油品性能稳定，台架试验重复性良好。

2.2 CA 6DL 2-35发动机区分性试验考察

选取2种不同级别的参比油,一种为Mack T-8E台架参比油(CI-4/Bulldog油品)，典型的CI-4级别柴机油通过油品，烟炱分散性能优异；另一种选取Mack T-11台架参比油，台架试验结果表明，烟炱分散性能达到CJ-4级别柴机油的水平。两种不同规格柴油机油进行CA 6DL 2-35发动机台架试验区分性。试验后以试验油不同烟炱含量时的运动黏度增长进行烟炱分散性区分，见图3、图4。可以看出，对所选的二种柴油机油CI-4油和CJ-4油，油品在其6%以上高烟炱含量下的黏度增长方面具有较好的区分性。

图3 两种不同油品的区分性试验

图4 区分性试验结果与通过指标

由图3、图4可知，通过两种不同质量级别的油品考察发动机的区分性，CA 6DL 2-35台架表现出优异的区分性性能。

CA 6DL 2-35发动机台架试验在同类的烟炱性能台架评定试验中，烟炱的产生和控制情况比较理想，表明台架试验能很好地控制烟炱的形成和产生，从而真实地对不同质量级别不同配方体系油品的抗烟炱分散性能进行区分。在重复性试验中，参比油性能表现比较稳定，表现在油品黏度的变化趋势一致，没有大的偏差，说明CA 6DL 2-35台架试验能真实地反应油品的使用性能，可以作为柴油机油烟炱性能评价的台架评定试验方法。该台架试验具有较好的重复性和区分性；试验通过指标采用Mack T-11通过指标。

2.3 CA 6DL 2-35台架应用性评价试验

CA 6DL 2-35发动机台架建立后，结合科研研发的实际需求，进行多次油品的性能评价试验和新配方的筛选评价试验，在120 h试验周期内，多次试验的烟炱生成在6.8%～7.5%的范围内，见图5；对同级别油品在定量烟炱含量条件下，试验油的黏度变化趋势一致，见图6。对应Mack T-11台架通过油、失败油黏度变化有明显的区分，见图7；同时，根据内部油品配方调整和烟炱分散性添加剂的合成进行一系列的筛选评价工作，试验结果见图8，试验筛选评价可应用于配方研发、OEM认证、添加剂合成研究，具有较好的应用前景。