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長壽命柴油機油臺架的建立及評價方法研究的必要性

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摘要:近年來,我國重負荷柴油機已基本實現了技術自主化,0EM提出美國API規格已不適用于國內的柴油機技術和長換油周期的使用需求,臺架試驗是研制發動機油的重要評價手段。
長壽命柴油機油臺架的建立及評價方法研究的必要性
 
近年來,我國重負荷柴油機已基本實現了技術自主化,0EM提出美國API規格已不適用于國內的柴油機技術和長換油周期的使用需求,臺架試驗是研制發動機油的重要評價手段。
 
引 言
 
近年,隨著油品及卡車技術升級換代,開發、推出長換油周期的長壽命柴油機油作為發動機的關鍵零部件進行潤滑技術可靠性研究成為行業的共識。發動機制造商從保護發動機,降低維護成本和方便用戶的角度不斷提出延長發動機油的換油期。因此,為了更好地滿足節能環保的要求,必須加快油品升級換代、優化產品性能和延長換油期的步伐。
 
在長壽命柴油機油開發應用方面,北美主要商用車Mack、Cummins和Caterpillar等0EM換油里程一般小于40000 km,歐洲主要商用車MAN、SCANIA和DAF等OEM已經針對各自發動機技術特點開發了大于100000 km換油里程的長壽命柴油機油,國外0EM根據各自發動機技術特點和后處理排放路線的差異而選擇不同的換油里程。
 
國內主要柴油機制造商:濰柴、一汽、二汽、北汽和重汽等OEM均提出長換油期的長壽命柴油機油用油需求,長換油期油品要求在抗氧化性、分散性和堿值保持性等方面進行強化。長壽命柴油機油臺架與一般柴油機臺架相比需要在機油溫度、煙炱生產和堿保持性能的試驗工況上進行強化,評價油品的綜合性能,而一般柴油機臺架只針對某一方面的性能進行評價。但是,目前業界沒有對應的專項長壽命柴油機油性能評定臺架來評價長換油期的柴油機油。在內燃機具備可靠性的前提下,如何有效評價長換油期柴油機油的潤滑技術可靠性能,是需要解決的問題。
 
建立長壽命柴油機油臺架及評價方法的必要性
商用車長換油期發展的要求

我國柴油機油規格等同采用美國石油學會(API)的規格,與我國柴油機技術的路線不一致。我國發動機技術主要從歐洲引入,汽車和發動機運行工況機制與美國有巨大差別,中國發動機的設計特點(選擇性催化還原SCR+高壓共軌電噴技術)、道路特點、車輛的行駛條件和使用情況與美國柴油機技術(廢氣冷卻循環EGR+微粒過濾器DPF)有較大差別。OEM提出美國API規格已不適用于國內柴油機廠商的長換油周期、優異的高溫清凈性與低成本的需求。
 
有利于掌握核心技術

我國發動機油的標準基本沿襲了國際先進標準,采用的是美國API體系,評定技術完全由國外控制,其核心就是臺架評定。完全依賴國外的臺架評定體系不利于針對我國主流發動機技術進行柴油機油適應性研究,不利于掌握發動機油研發的核心技術。自主建立發動機臺架,通過對柴油機油與發動機的適應性研究,使我國柴油機油能夠適合我國發動機技術特點,提高發動機油的質量檔次,延長換油周期,提高社會效益和經濟效益。
 
有利于節約能源和保護環境

隨著汽車行業的發展,對發動機油的品質也提出了更高的要求,比如超長換油周期,通過提高潤滑油性能延長發動機的使用壽命,滿足歐V(國V)排放標準。
 
我國市場上,中低檔發動機油仍占主流,換油周期不到5000至10000 km,資源浪費嚴重。日本的汽車保有量是我國的4倍,而發動機油用量僅為我國的2/3。短換油周期造成資源的嚴重浪費和環境污染。因此,建立長壽命發動機油臺架試驗,加快和提高我國高端柴油機油的研發能力,延長換油周期有利于減少資源浪費,滿足節能環保的要求。
 
開展OEM臺架試驗情況
 
CA 6DLl—30發動機臺架評價柴油機油活塞清凈性性能
 
一汽無錫柴油機廠與中國石油蘭州潤滑油研究開發中心合作,利用中國石油的實驗室平臺和潤滑油研究的技術實力,建立CA 6DLl一30發動機臺架試驗,主要評價柴油機油的活塞清凈性性能。由于環保要求,發動機制造商在技術上進行了多種改進:改變燃料噴射時間、提高噴油壓力以及改進活塞環并將環槽位置提高等。這些改進大大提高了燃燒質量,降低了尾氣排放,但同時發動機的熱負荷也大大提高,這樣也就加速了高溫沉積物的形成,從而導致油耗和排放的增加,因此要求潤滑油有極強的控制高溫沉積物能力。建立CA 6DLl一30臺架的目的是解決高溫沉積物形成的問題,高溫沉積物導致油耗和排放的增加,使發動機無法正常運行。
 
(1)試驗設備
 
CA 6DLl—30發動機為一汽無錫柴油機廠生產,該發動機為直列、六缸、增壓、空一空中冷柴油機。其額定功率為220 kw、額定轉速為2100 r/min、最大扭矩為1500 N·m,發動機出廠設定的噴油提前角為6~8。。在柴油機的設計中使用了高壓噴射的柴油泵,每缸四氣門設計,使得發動機的升功率比較大,燃燒室溫度較高。試驗方法設計根據CA 6DLl—30發動機的特點,配置大負荷測功機和相應控制系統,使發動機在全負荷大扭矩運轉工況時加快活塞沉積物形成,建立了CA 6DLl—30柴油機臺架試驗方法。CA 6DLl一30臺架試驗的正式試驗條件見表1。
 

 
試驗使用符合GB 252標準的0號柴油作為試驗燃料油。CA6DLl一30發動機試驗包括全功率和全扭矩試驗規范連續運行250 h,試驗期間不換油,每25 h取樣一次,分析油品理化指標,跟蹤油品性能變化。試驗結束后,按CRC評分手冊對活塞沉積物進行評分。
 
(2)CA 6DLl—30發動機臺架活塞清凈性重復性試驗
 
為了考察CA 6DLl—30發動機臺架的重復性,試驗選用油樣1進行了重復性驗證試驗,根據確定的CA6DLl—30發動機臺架試驗操作條件和試驗程序,在250 h試驗結束后,拆解發動機對活塞清凈性進行評分,其評分結果如圖1所示。
 
 
從圖1可以看出,所選試驗油1在CA 6DLl—30發動機臺架的重復性驗證試驗中,總加權評分和平均一環槽充炭率,在試驗時間250 h周期內2次試驗結果變化不大,表明該臺架試驗的重復性較好。
 
(3) CA 6DLl一30發動機臺架活塞清凈性區分性試驗
 
CA 6DLl—30發動機臺架建立后,進行多次油品的性能評價試驗,在250 h試驗周期內不同油樣具有較好的區分性,見圖2。
 
 
在250 h試驗結束后對活塞清凈性進行評分,從圖2可以看出,不同油品在CA 6DLl—30發動機臺架的區分性試驗中,總加權評分和平均一環槽充炭率,具有較好的區分性,表明該臺架試驗的區分性較好。
 
(4)Caterpillar 1 K與CA 6DLl—30的油樣1臺架試驗活塞清凈性對比
 
CA6DLl—30柴油機的特點是:柴油燃料的高壓直噴、進氣渦輪增壓、每缸四氣閥設計,這樣可使發動機功率成倍增長,然而發動機的熱負荷也有顯著增加,尤其表現在活塞溫度升高,油品的氧化加速。活塞環槽積炭、漆膜增多,對柴油機油的高溫清凈性能提出了更高的要求。油樣1同時完成了Cat-erpillar 1K與CA 6DLl—30的臺架試驗,試驗結果對比見表2。
 
 
從兩個臺架的試驗結果可以看出:同一油品在CA 6DLl—3臺架上的一環槽充炭率要高于在Cat-erpillar 1K臺架上做出的結果,這與CA 6DLl—30發動機的高位矩形頂環槽設計有關,為了滿足嚴格的排放法規的要求,CA 6DLl一30發動機的活塞頂部采用了緊頂環岸間隙設計,使活塞頂岸與缸壁的間隙減小,并且活塞頂岸高度也減小,對潤滑油的高溫清凈性有更高的要求。而一環槽充炭率是表征熱負荷的一個很重要的參數,如果一環槽充炭情況嚴重時,會導致發動機個別氣缸出現拉缸現象。因此,一環槽充炭率可作為CA 6DLl—30試驗的一項重點考察指標。所以,有必要根據CA 6DLl—30發動機的熱負荷高、一環槽積炭率高的特點,開展CA 6DLl—30臺架試驗項目來評定CA 6DLl—30重載柴油機專用油,作為油品清凈性能的臺架評定試驗項目。 
 
CA6DLl—30發動機臺架評價柴油機油抗磨損性能 
 
建立CA6DLl—30發動機臺架,同時開展了柴油機油的抗磨損性能的評價,燃料油和試驗條件相同。CA6DLl—30重負荷柴油發動機臺架試驗重點突出用戶使用過程中出現的發動機低速大扭矩的全功率狀況和使用中經常發生的超載狀況來綜合評定重負荷柴油機油的抗磨(軸瓦磨損、活塞環磨損)性能。使用國產CA6DLl一30柴油發動機建立的試驗臺架,通過強化試驗條件以及延長試驗周期來區分不同級別的油品的抗磨損性能。
 
(1)CA 6DLl—30發動機臺架抗磨損性能重復性試驗
 
為了考察CA 6DLl一30發動機臺架的重復性驗證試驗,試驗選用油樣1進行了重復性驗證試驗,在250 h試驗結束后,拆解發動機對軸瓦磨損和活塞環進行稱重,其結果如圖3所示。
 
 
從圖3可以看出,所選試驗油1在CA 6DLl—30發動機臺架的重復性驗證試驗中,連桿軸瓦平均失重和第一道活塞環平均失重,在試驗時間250 h 周期內2次試驗結果接近,表明該臺架抗磨損試驗的重復性較好。

(2)CA 6DLl—30發動機臺架區分性試驗
 
CA 6DLl—30發動機臺架建立后,進行多次油品的性能評價試驗,在250 h試驗周期內不同油樣具有較好的區分性,見圖4。
 
根據確定的CA 6DLl—30發動機臺架試驗操作條件和試驗程序,在250 h試驗結束后對抗磨損性能進行評價,從圖4可以看出,不同油品在CA 6DLl—30發動機臺架的區分性試驗中,連桿軸瓦平均失重和第一道活塞環平均失重,具有較好的區分性,表明該臺架試驗的區分性較好。 

 
 
 

CA 6DL2—35發動機臺架評價柴油機油煙炱分散性能 
 
一汽無錫柴油機廠與中國石油蘭州潤滑油研究開發中心合作,建立了CA 6D12—35發動機臺架試驗,主要評價柴油機油的煙炱分散性能。發動機燃燒過程中生成的煙炱通過竄氣沿活塞環與氣缸壁間隙進入曲軸箱,并在機油中累積使柴油機油的運動黏度升高,低溫下產生屈服應力和抗磨性能降低,對發動機的正常運轉產生負面影響。建立CA 6DL2—35臺架的目的是解決因煙炱引起的黏度增長而導致油品的使用性能下降,使發動機無法正常運行。
 
(1)試驗設備
 
CA 6DL2—35發動機為一汽無錫柴油機廠生產,該發動機為直列、六缸、增壓、空一空中冷柴油機。其額定功率為258 kw、額定轉速為2100 r/min、最大扭矩為1450 N·m,噴油提前角為26。。在柴油機的設計中使用了高壓噴射的柴油泵,每缸四氣門設計。試驗方法設計根據6DL2—35發動機的特點,通過改變發動機的噴油提前角,配置大負荷測功機和相應控制系統,使發動機在全負荷運轉工況時產生較高的煙炱,形成了煙炱分散性能評定試驗條件,建立了CA 6DL2—35柴油機臺架試驗方法。臺架試驗的正式試驗條件見表3。
 
 
試驗燃料為硫含量(質量分數)0.03%~0.05%的0號輕柴油,CA6D12—35發動機試驗在連續全負荷工況下運行125 h,試驗期間不換油,時隔25 h取樣一次,對樣品進行理化分析。試驗結束后,評價柴油機油中煙炱含量和黏度的變化。
 
(2)CA 6DL2—35發動機臺架煙炱分散性重復性試驗
 
為了考察CA 6DL2—35發動機臺架的試驗重復性,試驗選用CH一4 15W一40和BULL DOG 15W一40油品分別進行了重復性驗證試驗,根據確定的CA6DL2—35發動機臺架試驗操作條件和試驗程序,在125 h全負荷工況運行過程中,采用25 h間隔取樣,對所取油樣測定煙炱含量和100℃運動黏度,其測定結果如圖5和圖6所示。通過考察發動機煙炱含量的變化與機油黏度增長的情況,來判斷CA6DL2—35發動機臺架的重復性。
 
圖5及圖6  如圖所示 
 
從圖5和圖6可以看出,所選試驗油CH一4  15W一40和BULL DOG 15W一40油品在CA 6DL2—35發動機臺架的重復性驗證試驗中,煙炱含量和黏度增長在試驗時間125 h周期內趨勢是一致的,表明該臺架試驗的重復性較好。
 
(3)CA 6DL2—35發動機臺架區分性試驗
 
CA 6DL2—35發動機臺架建立后,結合科研研發的實際需求,進行多次油品的性能評價試驗,在125 h試驗周期內煙炱生成量在5.0%~5.4%的范圍內,見圖7;對不同級別油品在定量煙炱含量條件下,試驗油的黏度變化有較大的差異,見圖8。
 
 圖7及圖8  如圖所示 
 
根據確定的CA6DL2—35發動機臺架試驗操作條件和試驗程序,在125 h全負荷工況運行過程中,采用25 h間隔取樣,對所取油樣測定煙炱含量和100℃運動黏度,從圖7和圖8可以看出,不同油品在CA 6DL2—35發動機臺架的區分性試驗中,煙炱含量增加量基本一致;不同油品在大于3.5%的相同煙炱含量下黏度增長具有較好的區分性,表明該臺架試驗的區分性較好,可以充分說明其黏度增長對油品的抗煙炱分散性能具有較好的區分性。 
 
結束語 
 
(1)臺架評定與發動機油的使用性能有良好的相關性已成為發動機油規格建立和評價的最重要手段。依靠美國API柴油機臺架技術基礎,中國石油潤滑油公司已建成美國API和國內OEM發動機臺架的高溫清凈性、抗磨損和分散性的柴油機油完整評價體系。
(2)建立的0EM臺架評價方法具有較好的重復性和區分性。同時,建立的OEM臺架與行車試驗建立了對應性,很好地滿足了0EM對柴油機油的評價需求。
(3)結合0EM臺架方法的研究技術基礎和臺架硬件資源,根據國內0EM長壽命柴油機油的用油需求,中國石油潤滑油公司正在與OEM聯合開展長壽命柴油機油臺架試驗方法的開發工作。 
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