长寿命柴油机油台架的建立及评价方法研究的必要性

杨国峰，杨俊杰，谢惊春，徐小红，冯振文

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060；2.中国石油润滑油公司，北京 100020)

长寿命柴油机油台架的建立及评价方法研究的必要性

杨国峰1，杨俊杰2，谢惊春1，徐小红1，冯振文1

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060；2.中国石油润滑油公司，北京 100020)

近年来我国重负荷柴油机已基本实现了技术自主化，OEM提出美国API规格已不适用于国内的柴油机技术和长换油周期的使用需求，台架试验是研制发动机油的重要评价手段。从必要性和台架研究基础两个方面讲解了建立我国长寿命柴油机油台架试验的重要意义。

长寿命柴油机油；台架试验；必要性；研究基础

0 引言

近年，随着油品及卡车技术升级换代，开发、推出长换油周期的长寿命柴油机油作为发动机的关键零部件进行润滑技术可靠性研究成为行业的共识。发动机制造商从保护发动机，降低维护成本和方便用户的角度不断提出延长发动机油的换油期。因此，为了更好地满足节能环保的要求，必须加快油品升级换代、优化产品性能和延长换油期的步伐[1-2]。

在长寿命柴油机油开发应用方面，北美主要商用车Mack、Cummins和Caterpillar等OEM换油里程一般小于40000 km，欧洲主要商用车MAN、SCANIA和DAF等OEM已经针对各自发动机技术特点开发了大于100000 km换油里程的长寿命柴油机油，国外OEM根据各自发动机技术特点和后处理排放路线的差异而选择不同的换油里程。国内主要柴油机制造商：潍柴、一汽、二汽、北汽和重汽等OEM均提出长换油期的长寿命柴油机油用油需求，长换油期油品要求在抗氧化性、分散性和碱值保持性等方面进行强化。长寿命柴油机油台架与一般柴油机台架相比需要在机油温度、烟炱生产和碱保持性能的试验工况上进行强化，评价油品的综合性能，而一般柴油机台架只针对某一方面的性能进行评价。但是，目前业界没有对应的专项长寿命柴油机油性能评定台架来评价长换油期的柴油机油。在内燃机具备可靠性的前提下，如何有效评价长换油期柴油机油的润滑技术可靠性能，是需要解决的问题。

1 建立长寿命柴油机油台架及评价方法的必要性

1.1商用车长换油期发展的要求

我国柴油机油规格等同采用美国石油学会(API)的规格，与我国柴油机技术的路线不一致。我国柴油机已基本实现了技术自主化，作为国家民族品牌的昆仑润滑油已经通过引进方式建立了美国API发动机油评定体系，在硬件平台资源与人才方面具备开创自主柴油机油评价体系与油品规格的条件。我国发动机技术主要从欧洲引入，汽车和发动机运行工况机制与美国有巨大差别，中国发动机的设计特点(选择性催化还原SCR+高压共轨电喷技术)、道路特点、车辆的行驶条件和使用情况与美国柴油机技术(废气冷却循环EGR+微粒过滤器DPF)有较大差别。OEM提出美国API规格已不适用于国内柴油机厂商的长换油周期、优异的高温清净性与低成本的需求。

1.2有利于掌握核心技术[3-4]

我国发动机油的标准基本沿袭了国际先进标准，采用的是美国API体系，评定技术完全由国外控制，其核心就是台架评定。完全依赖国外的台架评定体系不利于针对我国主流发动机技术进行柴油机油适应性研究，不利于掌握发动机油研发的核心技术。自主建立发动机台架，通过对柴油机油与发动机的适应性研究，使我国柴油机油能够适合我国发动机技术特点，提高发动机油的质量档次，延长换油周期，提高社会效益和经济效益。

1.3有利于节约能源和保护环境

随着汽车行业的发展，对发动机油的品质也提出了更高的要求，比如超长换油周期，通过提高润滑油性能延长发动机的使用寿命，满足欧V(国V)排放标准。

我国市场上，中低档发动机油仍占主流，换油周期不到5000至10000 km，资源浪费严重。日本的汽车保有量是我国的4倍，而发动机油用量仅为我国的2/3[5]。短换油周期造成资源的严重浪费和环境污染。因此，建立长寿命发动机油台架试验，加快和提高我国高端柴油机油的研发能力，延长换油周期有利于减少资源浪费，满足节能环保的要求。

2 建立长寿命柴油机油台架及评价方法的研究基础

2.1技术基础

中国石油润滑油公司拥有基本完备的美国API柴油机油评定台架，与国内OEM联合建立多个润滑油性能评定台架，在国内柴油机油评价手段最为齐全，主要包括:活塞高温清净性台架Caterpillar C13/1N/1K、阀系磨损/油泥分散台架Cummins ISM、阀系磨损台架RFWT、烟炱分散性台架Mack T8E和抗氧化性程序IIIE台架。依靠美国API柴油机台架技术基础，根据国内OEM需求，与一汽联合建立了“高温清净性和抗磨损性能的评定CA 6DL1-30台架” 和“柴油机油烟炱分散性CA 6DL2-35台架”；与上海柴油机厂合作开发了“专用柴油机油评定D6114发动机台架”。中国石油已经构成美国API和国内OEM发动机台架的高温清净性、抗磨损、分散性和抗氧化性等的完整评价体系，拥有技术和人力资源。

2.2开展OEM台架试验情况

2.2.1 CA 6DL1-30发动机台架评价柴油机油活塞清净性性能

一汽无锡柴油机厂与中国石油兰州润滑油研究开发中心合作，利用中国石油的实验室平台和润滑油研究的技术实力，建立CA 6DL1-30发动机台架试验，主要评价柴油机油的活塞清净性性能。由于环保要求，发动机制造商在技术上进行了多种改进:改变燃料喷射时间、提高喷油压力以及改进活塞环并将环槽位置提高等。这些改进大大提高了燃烧质量，降低了尾气排放，但同时发动机的热负荷也大大提高，这样也就加速了高温沉积物的形成，从而导致油耗和排放的增加，因此要求润滑油有极强的控制高温沉积物能力。建立CA 6DL1-30台架的目的是解决高温沉积物形成的问题，高温沉积物导致油耗和排放的增加，使发动机无法正常运行。

(1)试验设备

CA 6DL1-30发动机为一汽无锡柴油机厂生产，该发动机为直列、六缸、增压、空-空中冷柴油机。其额定功率为220 kW、额定转速为2100 r/min、最大扭矩为1500 N·m，发动机出厂设定的喷油提前角为6～8°。在柴油机的设计中使用了高压喷射的柴油泵，每缸四气门设计，使得发动机的升功率比较大，燃烧室温度较高。试验方法设计根据CA 6DL1-30发动机的特点，配置大负荷测功机和相应控制系统，使发动机在全负荷大扭矩运转工况时加快活塞沉积物形成，建立了CA 6DL1-30柴油机台架试验方法。CA 6DL1-30台架试验的正式试验条件见表1。

表1 CA 6DL1-30台架正式试验操作条件

表1(续)

试验使用符合GB 252标准的0号柴油作为试验燃料油。CA6DL1-30发动机试验包括全功率和全扭矩试验规范连续运行250 h，试验期间不换油，每25 h 取样一次，分析油品理化指标，跟踪油品性能变化。试验结束后，按CRC评分手册对活塞沉积物进行评分。

(2)CA 6DL1-30发动机台架活塞清净性重复性试验

为了考察CA 6DL1-30发动机台架的重复性，试验选用油样1进行了重复性验证试验，根据确定的CA6DL1-30发动机台架试验操作条件和试验程序，在250 h试验结束后，拆解发动机对活塞清净性进行评分，其评分结果如图1所示。

图1 油样1活塞清净性重复性验证试验结果

从图1可以看出，所选试验油1在CA 6DL1-30发动机台架的重复性验证试验中，总加权评分和平均一环槽充炭率，在试验时间250 h周期内2次试验结果变化不大，表明该台架试验的重复性较好。

(3)CA 6DL1-30发动机台架活塞清净性区分性试验

CA 6DL1-30发动机台架建立后，进行多次油品的性能评价试验，在250 h试验周期内不同油样具有较好的区分性，见图2。

图2 不同油样活塞清净性区分性试验结果

在250 h试验结束后对活塞清净性进行评分，从图2可以看出，不同油品在CA 6DL1-30发动机台架的区分性试验中，总加权评分和平均一环槽充炭率，具有较好的区分性，表明该台架试验的区分性较好。

(4)Caterpillar 1K与CA 6DL1-30的油样1台架试验活塞清净性对比

CA6DL1-30柴油机的特点是：柴油燃料的高压直喷、进气涡轮增压、每缸四气阀设计，这样可使发动机功率成倍增长，然而发动机的热负荷也有显著增加，尤其表现在活塞温度升高，油品的氧化加速。活塞环槽积炭、漆膜增多，对柴油机油的高温清净性能提出了更高的要求。油样1同时完成了Caterpillar 1K与CA 6DL1-30的台架试验，试验结果对比见表2。

表2 油样1的1K与6DL台架试验结果

从两个台架的试验结果可以看出：同一油品在CA 6DL1-3台架上的一环槽充炭率要高于在Caterpillar 1K台架上做出的结果，这与CA 6DL1-30发动机的高位矩形顶环槽设计有关，为了满足严格的排放法规的要求，CA 6DL1-30发动机的活塞顶部采用了紧顶环岸间隙设计，使活塞顶岸与缸壁的间隙减小，并且活塞顶岸高度也减小，对润滑油的高温清净性有更高的要求。而一环槽充炭率是表征热负荷的一个很重要的参数，如果一环槽充炭情况严重时，会导致发动机个别气缸出现拉缸现象。因此，一环槽充炭率可作为CA 6DL1-30试验的一项重点考察指标。所以，有必要根据CA 6DL1-30发动机的热负荷高、一环槽积炭率高的特点，开展CA 6DL1-30台架试验项目来评定CA 6DL1-30重载柴油机专用油，作为油品清净性能的台架评定试验项目。

2.2.2 CA6DL1-30发动机台架评价柴油机油抗磨损性能

建立CA6DL1-30发动机台架，同时开展了柴油机油的抗磨损性能的评价，燃料油和试验条件相同。CA6DL1-30重负荷柴油发动机台架试验重点突出用户使用过程中出现的发动机低速大扭矩的全功率状况和使用中经常发生的超载状况来综合评定重负荷柴油机油的抗磨(轴瓦磨损、活塞环磨损)性能。使用国产CA6DL1-30柴油发动机建立的试验台架，通过强化试验条件以及延长试验周期来区分不同级别的油品的抗磨损性能。

(1)CA 6DL1-30发动机台架抗磨损性能重复性试验

为了考察CA 6DL1-30发动机台架的重复性验证试验，试验选用油样1进行了重复性验证试验，在250 h试验结束后，拆解发动机对轴瓦磨损和活塞环进行称重，其结果如图3所示。

图3 油样1抗磨损重复性验证试验结果

从图3可以看出，所选试验油1在CA 6DL1-30发动机台架的重复性验证试验中，连杆轴瓦平均失重和第一道活塞环平均失重，在试验时间250 h周期内2次试验结果接近，表明该台架抗磨损试验的重复性较好。

(2)CA 6DL1-30发动机台架区分性试验

CA 6DL1-30发动机台架建立后，进行多次油品的性能评价试验，在250 h试验周期内不同油样具有较好的区分性，见图4。

图4 不同油样抗磨损区分性试验结果

根据确定的CA 6DL1-30发动机台架试验操作条件和试验程序，在250 h试验结束后对抗磨损性能进行评价，从图4可以看出，不同油品在CA 6DL1-30发动机台架的区分性试验中，连杆轴瓦平均失重和第一道活塞环平均失重，具有较好的区分性，表明该台架试验的区分性较好。

2.2.3 CA 6DL2-35发动机台架评价柴油机油烟炱分散性能

一汽无锡柴油机厂与中国石油兰州润滑油研究开发中心合作，建立了CA 6DL2-35发动机台架试验，主要评价柴油机油的烟炱分散性能。发动机燃烧过程中生成的烟炱通过窜气沿活塞环与气缸壁间隙进入曲轴箱，并在机油中累积使柴油机油的运动黏度升高，低温下产生屈服应力和抗磨性能降低，对发动机的正常运转产生负面影响。建立CA 6DL2-35台架的目的是解决因烟炱引起的黏度增长而导致油品的使用性能下降，使发动机无法正常运行。

(1)试验设备

CA 6DL2-35发动机为一汽无锡柴油机厂生产，该发动机为直列、六缸、增压、空-空中冷柴油机。其额定功率为258 kW、额定转速为2100 r/min、最大扭矩为1450 N·m，喷油提前角为26°。在柴油机的设计中使用了高压喷射的柴油泵，每缸四气门设计。试验方法设计根据6DL2-35发动机的特点，通过改变发动机的喷油提前角，配置大负荷测功机和相应控制系统，使发动机在全负荷运转工况时产生较高的烟炱，形成了烟炱分散性能评定试验条件，建立了CA 6DL2-35柴油机台架试验方法。台架试验的正式试验条件见表3。

表3 CA 6DL2-35台架正式试验操作条件

试验燃料为硫含量(质量分数)0.03%～0.05%的0号轻柴油， CA6DL2-35发动机试验在连续全负荷工况下运行125 h，试验期间不换油，时隔25 h 取样一次，对样品进行理化分析。试验结束后，评价柴油机油中烟炱含量和黏度的变化。

(2)CA 6DL2-35发动机台架烟炱分散性重复性试验

为了考察CA 6DL2-35发动机台架的试验重复性，试验选用CH-4 15W-40和BULL DOG 15W-40油品分别进行了重复性验证试验，根据确定的CA6DL2-35发动机台架试验操作条件和试验程序，在125 h全负荷工况运行过程中，采用25 h间隔取样，对所取油样测定烟炱含量和100 ℃运动黏度，其测定结果如图5和图6所示。通过考察发动机烟炱含量的变化与机油黏度增长的情况，来判断CA6DL2-35发动机台架的重复性。

图5 参比油CH-4重复性试验烟炱生成及黏度变化

图6 参比油Bulldog重复性试验烟炱生成及黏度变化

从图5和图6可以看出，所选试验油CH-4 15W-40和BULL DOG 15W-40油品在CA 6DL2-35发动机台架的重复性验证试验中，烟炱含量和黏度增长在试验时间125 h周期内趋势是一致的，表明该台架试验的重复性较好。

(3)CA 6DL2-35发动机台架区分性试验

CA 6DL2-35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，在125 h试验周期内烟炱生成量在5.0%～5.4%的范围内，见图7；对不同级别油品在定量烟炱含量条件下，试验油的黏度变化有较大的差异，见图8。

图7 油品应用试验中烟炱的生成情况

图8 不同级别油品在定量烟炱含量条件下机油黏度变化

根据确定的CA6DL2-35发动机台架试验操作条件和试验程序，在125 h全负荷工况运行过程中，采用25 h间隔取样，对所取油样测定烟炱含量和100 ℃运动黏度，从图7和图8可以看出，不同油品在CA 6DL2-35发动机台架的区分性试验中，烟炱含量增加量基本一致；不同油品在大于3.5%的相同烟炱含量下黏度增长具有较好的区分性，表明该台架试验的区分性较好，可以充分说明其黏度增长对油品的抗烟炱分散性能具有较好的区分性。

3 结束语

(1)台架评定与发动机油的使用性能有良好的相关性已成为发动机油规格建立和评价的最重要手段。依靠美国API柴油机台架技术基础，中国石油润滑油公司已建成美国API和国内OEM发动机台架的高温清净性、抗磨损和分散性的柴油机油完整评价体系。

(2)建立的OEM台架评价方法具有较好的重复性和区分性。同时，建立的OEM台架与行车试验建立了对应性，很好地满足了OEM对柴油机油的评价需求。

(3)结合OEM台架方法的研究技术基础和台架硬件资源，根据国内OEM长寿命柴油机油的用油需求，中国石油润滑油公司正在与OEM联合开展长寿命柴油机油台架试验方法的开发工作。

[1] Mc Geehan J A，Wells J，Kennedy S，et al. The First Oil Category for Diesel Engines Using Cooled Exhaust Gas Recirculation：API CI-4[C]//SAE 2002 Paper No 2002-01-16731.

[2] Mc Geehan J A，Moritz J，Kennedy S，et al. Diesel Oil Category for Both Legacy Engines and Low Emission Engines Using Diesel Particulate Filters：API CJ-4[C]//SAE 2006 Paper No 2006-01-3439.

[3] 杨国峰，谢惊春，冯振文，等. 建立我国发动机油台架试验的意义[J]. 合成润滑材料，2014，41(1)：26-28.

[4] 杨国峰，谢惊春，冯振文.API柴油机油CJ-4与CI-4规格台架对比关系的研究[J].润滑油，2011，26(3)：29-32.

[5] 张华.润滑油规格的发展趋势与高档节能润滑油的应用[J].当代石油石化，2004 (12)：50-55.

The Necessity for Establishing Long Drain Diesel Engine Oil Rig Test and Research on the Evaluation Method

YANG Guo-feng1, YANG Jun-jie2, XIE Jing-chun1, XU Xiao-hong1, FENG Zhen-wen1

(1.PetroChina Lanzhou Lubricating Oil Ramp;D Institute, Lanzhou 730060, China; 2.PetroChina Lubricant Company, Beijing 100020, China)

In recent years, with the fast development of independent technology on heavy-duty diesel engine design and production, OEM puts forward the API specification has been not applied to domestic engine hardware design technology and the demand of the long drain interval. The rig test is an important evaluating tool to develop engine oil. This paper introduces the significance of establishing Chinese long drain diesel engine oil rig test from both the necessity and study basis.

long drain diesel engine oil; rig test; necessity; study basis

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.06.007

1002-3119(2017)06-0034-06

TE626.32

A

2017-06-02。

杨国峰，硕士，工程师，2009年毕业于西北师范大学凝聚态物理专业，现就职于中国石油兰州润滑油研究开发中心，主要从事润滑油的应用和试验方法研究工作，已公开发表论文数篇。E-mail：yangguofeng_rhy@petrochina.com.cn