6万km长寿命国Ⅵ重负荷燃气机油的应用研究

2022-03-03崔军杨操张先盛史莹飞

石油商技 2022年1期

崔军杨操张先盛史莹飞

江苏龙蟠科技股份有限公司

面对汽车排放对大气污染的日益严重，清洁燃料逐渐受到重视并大力推广。使用氢气、太阳能等虽然比较理想，但是到达实用阶段仍旧需要很长的一段时间，清洁能源天然气凭借排放污染低、资源丰富、价格低廉等优点在商用车的普及步伐不断加快，仅需对现有的汽油发动机和柴油发动机做局部改造即可应用，因而有很大的现实价值和巨大的社会经济效益，是目前兼顾运营与环保的理想代用燃料［1］。与石油基燃料相比，天然气作为替代能源，颗粒物(particular matter，PM)排放可以减少约40% ，CO2排放减少约24%，HC（碳氢化合物）排放减少约72%，CO2排放减少约97%［2］。同时，相比国Ⅵ燃油重卡，国Ⅵ燃气重卡没有复杂的后处理系统，使用车用尿素溶液，拥有更低的后处理部件成本和燃料成本，后期使用故障也相对较少，能省去不少麻烦。尤其是在维修水平不高的区域，国Ⅵ燃气重卡有更多的优势，今后将在相当长的一段时间里广泛推广和使用。

天然气发动机的工作方式主要有两种——点燃式和压燃式。由于法规对双燃料发动机的工作模式进行了限制，燃气发动机采用点燃式工作方式。点燃式天然气发动机按照混合气浓度可以分为当量燃烧和稀薄燃烧两种方式，国Ⅵ重卡燃气发动机采用当量燃烧，更容易满足国Ⅵ排放要求。根据国Ⅵ重卡燃气发动机工作特点，其对燃气发动机润滑油的要求主要体现在以下几个方面：优异的抗氧化性能、高温清净性、抗磨损性能、黏度保持能力及适宜的硫酸盐灰分、硫、磷含量等［3］。目前国内外没有统一的分类及标准，随着天然气技术的发展，越来越多的发动机公司推出了自己的油品技术规范，其中最具有代表性的天然气发动机油规范有Cummins CES20074、Cummins CES20085、Cummins CES20092，其中Cummins CES 20092推荐用于当量燃烧发动机，主要用于国Ⅵ重卡。

目前市场上燃气发动机油的换油里程普遍在20 000～40 000 km，我司开发了长寿命燃气机油赠程R6 10W-40，并在3辆国Ⅵ燃气牵引车上进行了60 000 km的行车试验应用研究。

试验部分

试验油品

本次试验所用油品为长寿命燃气机油赠程R6 10W-40，满足康明斯CES 20092技术规格要求，其典型理化数据见表1。

表1 长寿命燃气机油赠程R6 10W-40的主要理化数据

试验车辆

试验车辆为3辆国Ⅵ燃气牵引车，使用年限在1～2年，试验车辆的相关信息见表2；试验车辆的发动机技术参数信息见表3。

表2 试验车辆的相关信息

表3 试验车辆的发动机技术参数信息

试验准备、取样及分析

为了确保试验结果的准确性，采集油样在发动机正常稳定工况下进行，以确保样品的代表性。试验开始前，在发动机热状态下放出发动机内的旧油样，然后将研制的长寿命燃气机油加至发动机油标尺中间位置怠速循环15 min后，将油品放出后排干净，按照此步骤清洗2次，排干净后更换机油滤清器、空气滤清器，最后加注试验油样至油标尺中间位置开始行车试验。

行车试验过程中，为了确保实时了解油样状态，减少取样数量对试验结果引起的偏差，确定取样间隔分别为0 km、10 000 km、20 000 km、30 000 km、40 000 km、50 000 km、60 000 km，共计取7次样，每次取样100 mL对油品的相关性能指标进行分析，实时了解发动机状况。因天然气发动机油国内暂无相关的换油指标标准，本试验参考GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》中CH-4质量等级柴油机油的换油指标作为参考，见表4。

表4 GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》

主要分析指标为常规理化指标分析、红外光谱和金属元素含量三个方面，其中，常规理化指标主要包括油品的 100 ℃运动黏度、碱值、酸值、水分及正戊烷不溶物；红外指标分析包括氧化值、硝化值；金属含量分析包括磨损金属元素Fe、Cu、Al等以及污染元素Si的分析［4］。

结果分析与讨论

经过4个月的行车试验，3辆试验车辆分别经过60 000 km行驶里程，实车验证了长换油里程燃气机油赠程R6 10W-40的性能，具体测试分析结果如下。

100 ℃运动黏度变化

黏度是润滑油最重要的质量指标，因为它是润滑油分类、分级、质量评定的基础指标，同时也是设备润滑中润滑油选用、代用和更换的基础参数。黏度越小，油膜强度越弱，在摩擦副表面形成边界摩擦或干摩擦，从而加速磨损。一般发动机的黏度下降主要是来自于润滑油中的黏度指数改进剂剪切或者燃油稀释原因造成的；黏度越大，油膜强度越高，流动性、渗透性和散热性越差，内摩擦力加大，功损耗较大，也同样造成磨损加剧。发动机油的黏度上升主要由于油品使用过程中与空气接触逐渐氧化，产生酸性物质、胶质、以及发动机磨损产生的金属颗粒等引起。试验油 100 ℃运动黏度的变化趋势见图1。

图1 100 ℃运动黏度的变化趋势

从图1可以看出，油品运动黏度在行车试验前期油品明显下降，主要由于油品中的黏度指数改进剂受剪切后，造成黏度下降；在试验整个过程中黏度缓慢下降，黏度保持能力较好。油样黏度变化均在换油指标内，没有发现过高或者过低现象。

酸值和碱值变化情况

碱值变化主要和所用的燃料油的含硫量及油品使用过程中氧化变质有关，反映了油品抑制氧化和中和酸性物质能力的强弱，碱值下降到一定程度，油品失去了中和酸性物质的能力，会引起油泥增多，发动机部件有可能产生腐蚀、磨损等现象。酸值主要监测油品中某些功能剂的消耗情况及油品的老化程度。酸值的增加主要来自油品高温氧化产生的酸性物质和燃料燃烧生成的酸性物质。酸值增值过大，说明油品产生了大量的酸性物质，会促进变质，生成油泥，对发动机造成一定程度的机械腐蚀，同时在金属的催化作用下继续加速油品的老化状况，影响发动机的正常运行。试验油碱值和酸值变化趋势见图2和图3。

图2 碱值的变化趋势

图3 酸值的变化趋势

从图2、图3的油品碱值和酸值变化情况来看，油品的碱值保持较高的数值，酸值在较低的数值，均未超过换油指标，说明油品在行驶60 000 km后仍然具有较好的抗氧化性能及碱值保持能力。

水分含量

水的存在对润滑油的质量和使用性能来说是致命的。当温度降低时，它会导致润滑油的流动性能和黏温性能变差，并会堵塞油路和滤清器；当温度升高时，水会汽化而导致油路产生气阻，同时还会使油品乳化，破坏油膜，使润滑效果降低。另外水的存在还会加剧油品的氧化，增加油泥，加快有机酸对设备部件的腐蚀，使添加剂水解而失去功效。试验油的水分变化趋势见图4。

图4 水分的变化趋势

从图4的数据可以看出，3辆车中，水分最高的也未超过0.03%，在换油指标内，油品的水分含量在整个行程试验过程中一直保持在比较低的水平。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物主要是指磨损金属、分层杂质、积炭固体物质以及油品裂解和降解所产生的胶状物质。试验油正戊烷不溶物变化趋势见图5。

图5 正戊烷不溶物变化趋势

从图5的正戊烷不溶物变化趋势来看，数值最大为0.14%，远低于换油指标（＞2.0%），说明油品内的相关氧化产物、杂质、磨损金属含量保持在一个比较低的状态，表明了油品的老化程度和污染程度均较低。

氧化和硝化

氧化是润滑油的成分与氧发生化学反应，生成醛、酮和羧酸等氧化产物的过程，高温、高压、水分都会加快液的氧化速率。硝化是在高温缺氧的条件下的一种高温凝聚过程，会使油液黏度增高，也是油泥和漆膜生成的重要原因之一。试验油氧化值和硝化值变化趋势见图6和图7。

图6 氧化值变化趋势

图7 硝化值变化趋势

从图6、图7的氧化值和硝化值的变化趋势来看，整个行车试验过程中，油品的氧化值、硝化值随着行驶里程在缓慢上升，但保持在较低水平。目前国内还没有针对氧化、硝化的换油指标，参考结合其他理化指标判断，油品有着较好的抗氧化、硝化能力。

磨损金属含量

发动机在运行过程中，摩擦副直接相互作用产生一系列磨损，对于金属元素，一般铁元素主要来源于缸套、活塞环、凸轮、齿轮等零部件的异常磨损；铜元素主要来源于曲轴瓦、连杆瓦及有关衬套的异常磨损；铝元素主要来源于发动机活塞、滑动轴承等部件。试验油铁、铜、铝变化趋势分别见图8、图9、图10。

图8 铁含量变化趋势

图9 铜含量变化趋势

图10 铝含量变化趋势

从图8铁含量变化趋势来看，晋J H1056车辆变化较大，达到60 mg/kg，仍在换油指标（＞150 mg/kg）内，发动机磨损处在低水平状态；图9、图10的铜、铝变化趋势参考换油标准均在换油指标（Cu＞50 mg/kg；Al＞30 mg/kg）内。整个行车试验过程中金属磨损数据呈规律性并保持在较低的数值，说明试验油具有良好的抗磨和润滑性能。