柴油機油清凈性評定臺架活塞沉積物生成及對試驗運行影響

蔡秋濤等

摘要：介紹柴油機油清凈性評定臺架現(xiàn)狀，分析活塞沉積物的成因和影響因素，通過選擇不同試驗條件來考察使用不同含硫量燃油和不同冷卻液溫度對活塞沉積物生成的影響，分析不同量的活塞沉積物對試驗運行工況的影響。通過發(fā)動機臺架的實際運行來考察清凈性很差的油品由于沉積物過多造成發(fā)動機運行異常 ，并對沉積物造成發(fā)動機運行異常的實例結果進行分析，對柴油機油研發(fā)以及評定臺架性能考察與設計具有重要的參考意義。

關鍵詞：柴油機油評定臺架 ；清凈性 ；含硫柴油 ；漆膜；積炭

中圖分類號：TE626.32文獻標識碼：A

Abstract：The status of diesel engine oil cleanliness test bench was introduced， the forming reasons and influence factors of piston deposit were analyzed， the impact of using different sulfur content fuel and different coolant temperature on piston deposit formation was checked by choosing different testing conditions，and also the impact of different piston deposit amount on engine running condition was analyzed.By running on real engine bench， the oil with bad cleanliness was validated whether it would cause abnormal engine working due to much more deposit， and the abnormal running example result was analyzed. All these have important reference significance on research and development of diesel engine oil， and also on the performance checkout and design of engine test bench.

Key words：diesel engine oil test bench； cleanliness； sulfur diesel； varnish； carbon

0引言

柴油機油清凈性是通過專用的發(fā)動機試驗臺架來檢測，通過對活塞沉積物性質(zhì)和數(shù)量加權總評分來評價認定的。清凈性能不同的油品對沉積物生成的抑制和清洗分散能力也各不相同，活塞沉積物的數(shù)量積累到一定程度會對試驗發(fā)動機的潤滑和運行帶來影響，活塞沉積物主要是以積炭和漆膜的形式存在。

1清凈性評定臺架

1.1Caterpillar系列臺架

隨著柴油機油規(guī)格不斷升級，要求通過的臺架數(shù)量也越來越多，其中對清凈性考察是柴油機油規(guī)格中最重要的評定項目。開特皮勒（Caterpillar）系列臺架是API評定柴油機油高溫清凈性的標準方法，其發(fā)動機及控制系統(tǒng)均是針對考察清凈性而專門設計。為滿足API柴油機油規(guī)格升級，Caterpillar臺架也不斷的發(fā)展，從上世紀60年代單缸Caterpillar1H2發(fā)展到現(xiàn)在多缸并且?guī)в袃?nèi)部廢氣循環(huán)（ACERT）系統(tǒng)的Caterpillar C13。

隨著新排放標準越來越苛刻，柴油機油規(guī)格也不斷升級，推動了Caterpillar系列臺架標準的發(fā)展。這些臺架標準通過模擬不同階段渦輪增壓柴油機的運行工況；分析活塞沉積物的性質(zhì)和數(shù)量、活塞環(huán)的黏結狀況；測量活塞環(huán)與氣缸套的磨損量及機油消耗，作為高溫清凈性能評定的重要手段，為API柴油機油的規(guī)格升級提供了重要支撐。表1列出了API不同規(guī)格柴油機油所要求通過的Caterpillar臺架試驗的對應關系[1]。

1.2我國1135柴油機油清凈性評定臺架

我國對柴油機油清凈性考察的臺架標準主要是1992年實施的“CC級柴油機油高溫清凈性評定法（1135C2法）”和1994年實施的“CD級柴油機油高溫清凈性評定法（1135D2法）”。臺架使用增壓1135單缸柴油機，通過試驗研究，結果與Caterpillar1H2有良好的相關性，可作為對應Caterpillar清凈性臺架評定的篩選試驗[2]。與Caterpillar試驗標準一樣，試驗規(guī)定以0.4%含硫量柴油為燃料，通過測定活塞、活塞環(huán)槽沉積物的生成傾向等來評價柴油機機油的清凈性能。

2活塞沉積物

活塞沉積物產(chǎn)生的原因比較復雜，與發(fā)動機結構、強化系數(shù)、運行工況以及燃料成分和潤滑油性能等密切相關。目前人們所普遍接受的一種觀點是：活塞沉積物是燃料及潤滑油在高溫氧化下的產(chǎn)物，其主要存在形式是積炭和漆膜。

在臺架檢測中，發(fā)動機排氣溫度一般控制在550 ℃度以上，由于缸套冷卻水的散熱作用，燃燒室壁和活塞頂部區(qū)域溫度大約在250～500 ℃之間。不完全燃燒的燃料和竄入燃燒室的潤滑油混合在一起產(chǎn)生油煙和焦油微粒氧化成膠狀液體—羥基酸，羥基酸又進一步氧化成一種半流體樹脂狀膠質(zhì)，牢固地黏附在零件上，并在高溫和金屬催化的作用下，聚合成更復雜的聚合物——積炭和漆膜。

積炭的組成成分有潤滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、碳青質(zhì)、硫酸鹽、硅化合物等，發(fā)動機溫度越高，形成的積炭也越硬越緊密，與金屬黏結越牢固[3]。

漆膜是潤滑油和燃料氧化縮聚的產(chǎn)物，與金屬表面結合得非常牢固，主要沉積在活塞環(huán)槽、環(huán)臺、裙部，顏色有淡黃色、棕褐乃至深黑色，活塞環(huán)槽的漆膜常常夾雜有積炭，顏色深而表面粗糙。潤滑油和燃料油的示蹤原子氚的柴油機試驗證明，漆膜90%來自潤滑油，10%為燃料氧化及不完全燃燒產(chǎn)物。

3影響沉積物生成主要因素

為了增加試驗苛刻度，使試驗結果能在一定時間內(nèi)直接準確的反映出試驗油的清凈性能并具有良好的重復性和區(qū)分性，試驗標準規(guī)定使用含硫量0.4%的柴油為燃料，缸套的冷卻溫度設定在有利于沉積物的生成范圍內(nèi)。

3.1燃油硫含量對沉積物生成的影響

燃油中所含的硫化物雖不直接接觸金屬，但經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生的SO2和SO3能腐蝕燃燒室、金屬零件和排氣系統(tǒng)。SO3比SO2的危害大得多，既能促進燃燒室、活塞與活塞環(huán)間隙中的積炭、漆膜生成，還會竄入曲軸箱內(nèi)加速機油的變質(zhì)。

如圖1所示是燃用含硫柴油時活塞的積炭、漆膜形成過程。含硫燃料燃燒后產(chǎn)生的SO2和SO3進一步與潤滑油作用，經(jīng)氧化、磺化反應形成含氧含硫化合物，再經(jīng)聚合等反應，最后在活塞高溫區(qū)形成了積炭、漆膜。因此試驗以含硫柴油為燃料，就更易于沉積物生成[3]。

3.2冷卻液溫度對沉積物生成的影響

活塞沉積物的性質(zhì)和數(shù)量取決于燃燒條件和燃燒物的成分。在同一臺架上分別以不同硫含量的柴油為燃料和不同的冷卻液溫度，可以同時考察不同含硫量燃油和缸套冷卻液溫度對活塞沉積物生成的影響。試驗結果發(fā)現(xiàn)，雖然燃燒產(chǎn)生SO2和SO3取決于燃油的硫含量，但這些硫氧化物在活塞上部高溫區(qū)聚合成積炭和漆膜的數(shù)量取決于對發(fā)動機燃燒室冷卻液的控制溫度，而與燃料的硫含量無關。

表2所示是在1135臺架上設定的5種試驗條件，分別選用不含硫、含硫0.5%、含硫1.0%的柴油為燃料，以考察對活塞沉積物的影響關系[2]。

選取不同公司生產(chǎn)的柴油機油產(chǎn)品為試驗油樣1#、2#、3#、4#、5#、6#，表3、表4、表5、表6、表7是試驗油樣對應某個試驗條件的試驗結果。

（1）在試驗1、試驗2、試驗3的條件下，不含硫或含硫0.5%、1.0%的燃油對活塞清凈性沒有明顯影響，這是由于這三種試驗條件的氣缸套冷卻溫度在100 ℃以上，均屬高溫試驗，柴油中的硫化物經(jīng)燃燒產(chǎn)生的SOx以及燃燒后的水蒸汽大多從發(fā)動機的排氣管排掉，故對試驗結果沒有明顯的影響。

（2）在試驗4、試驗5的條件下，氣缸套冷卻溫度在70～80 ℃左右， 對活塞清凈性影響較大，使活塞清凈性有一定程度的變壞。這是由于含硫柴油中的硫化物經(jīng)燃燒后所產(chǎn)生的SOx在氣缸溫度不高時與水蒸氣結合，在氣缸壁凝結，這些酸性物質(zhì)滲入活塞環(huán)和環(huán)槽的間隙，加重了沉積物的形成。

4活塞沉積物對試驗運行的影響

4.1沉積物生成傾向

決定沉積物形成的因素主要有兩方面：一是試驗參數(shù)，如燃料成分、油耗、冷卻水溫度等；二是樣品、油品的清凈分散能力。氧化性和清凈性較好的油品既能抑制沉積物的產(chǎn)生，又能有效清洗分散沉積物。

在高溫的作用下，靠近金屬的膠質(zhì)聚合成積炭并逐漸增厚，經(jīng)過一定程度的沉積后，新沉積在活塞頂部和一環(huán)臺上面的有機物將被燒凈排出，這時積炭增長的十分緩慢而近乎于達到平衡狀態(tài)。此后積炭的生成和增長只限于燃燒室面層的中低溫區(qū)，積炭有效的沉積在1、2、3環(huán)槽內(nèi)和環(huán)臺上，隨著積炭生成累積和試驗油的清洗作用，這些位置的積炭也會在一定時期趨于緩慢增長或達到平衡狀態(tài)。國外許多試驗室的研究表明，在Caterpillar1G2在完成480h試驗后的活塞沉積物中，有70%～80%的沉積物在120 h時已經(jīng)形成[1]。圖2所示為1G2臺架試驗積炭沉積量變化曲線。

清凈性能好的試驗油，沉積物生成傾向就會弱些，達到平衡點時的數(shù)量相對少些；反之，沉積物生成傾向明顯，沉積速度較快，達到平衡點時的沉積物數(shù)量相對較多。對于清凈性能很差的油樣，沉積物的快速生成和大量積累會影響試驗臺架的正常運行，甚至使試驗終止。

4.2沉積物對潤滑的影響

活塞環(huán)背隙的積炭數(shù)量是油品清凈性評價的主要內(nèi)容，以輕炭、中炭和重炭來分級，重炭是指積炭充滿整個活塞環(huán)背面和環(huán)槽之間的整個空間，或者雖然厚度較小，但由于環(huán)背面積炭過多而呈現(xiàn)拋光的面積。此處，活塞環(huán)已沒有伸縮間隙，也堵塞了潤滑油泵送通道。中炭和輕炭分別是指積炭占活塞環(huán)和環(huán)槽背面空間的1/4以上和1/4 以下，沉積在活塞環(huán)和環(huán)槽的積炭會使環(huán)和環(huán)槽的間隙變小，阻礙了潤滑油的正常泵送，加上積炭和漆膜的隔熱作用使高溫區(qū)得不到正常的潤滑和冷卻，導致環(huán)和環(huán)槽熱負荷過高，更加速了環(huán)槽沉積物的產(chǎn)生，這種情況下缸套冷卻水測量溫度反映不了活塞環(huán)組與缸套之間實際溫度。

4.3沉積物對試驗運行的影響

通常情況下，不管是通過油還是不通過油，處在高溫區(qū)的活塞環(huán)、環(huán)槽、環(huán)臺不斷吸附積炭和漆膜，并隨著試驗的運行而不斷增加。只要沒有改變活塞環(huán)與環(huán)槽之間的配合性質(zhì)，活塞環(huán)沒有卡滯，環(huán)在環(huán)槽里能自由伸張，就不會影響活塞環(huán)與缸套密封效果，這時活塞-活塞環(huán)組與缸套的密封作用與試驗運行初期沒有明顯改變，竄氣量和油耗也不會明顯增加，缸套也不會出現(xiàn)不正常磨損，試驗能夠正常進行至結束。如圖3、圖4分別所示是1M-PC試驗完成后的通過油和不通過油活塞圖片；圖5所示是1M-PC試驗完成后正常磨損的缸套圖片；圖6、圖7分別所示是1M-PC 經(jīng)過120 h正常試驗過程曲軸箱竄氣量和油耗變化曲線。

但對于清凈性能差的試驗油，沉積物增加到一定程度可能會導致活塞環(huán)與環(huán)槽之間配合性質(zhì)改變，特別是處于高溫區(qū)的一環(huán)，隨著積炭數(shù)量增加會明顯破壞活塞環(huán)與缸套之間的潤滑和熱傳導，加速新的積炭形成，最終活塞環(huán)與環(huán)槽的背后間隙和側向間隙都被積炭充滿、黏結，使活塞環(huán)在環(huán)槽中彈性減弱或失去彈性被卡滯。失去彈性的活塞環(huán)會造成氣缸表面拉傷，燃燒室密封不嚴，曲軸箱竄氣量增加，油耗增加，排溫升高，臺架控制參數(shù)出現(xiàn)異常。

4.4沉積物造成發(fā)動機運行異常

臺架的試驗工況是模仿道路實際路況，以含硫柴油為燃料和對缸套冷卻水溫度控制都增加了試驗的苛刻度，有利于沉積物的生成，使試驗結果在較短的試驗周期內(nèi)能真實準確反映油品清凈性能，并有良好的相關性。

試驗油可能是通過油、不通過油或清凈性較差的油品。一般情況下，通過油或不通過油在一個試驗周期內(nèi)對運行工況不會有明顯影響，能夠按照標準完成試驗。但清凈性明顯較差的不通過油在試驗進行到中后期，如果積炭過重，在試驗運行中反映最直觀的就是發(fā)動機曲軸箱竄氣量的明顯變化帶來的影響，同時油耗、排氣溫度等運行參數(shù)也超出試驗標準規(guī)定范圍，使試驗結果失去意義。

對于清凈性很差的油品，由于活塞高溫區(qū)積炭過重，積炭增加到一定數(shù)量破壞了活塞環(huán)和環(huán)槽的配合性質(zhì)，造成活塞環(huán)卡滯。失去彈性的活塞環(huán)與缸套密封不嚴，甚至出現(xiàn)嚴重拉缸，使缸套和活塞環(huán)的磨損急劇增大，造成曲軸箱嚴重竄氣，油耗增加，排溫升高，明顯超出試驗標準規(guī)定范圍。如果臺架繼續(xù)運行，達到某一個時間節(jié)點時會急劇出現(xiàn)竄氣量陡增，其他主要參數(shù)也陡變，大量煙氣從曲軸箱通氣孔道中噴出，從曲軸箱竄入燃燒室的潤滑油也會隨排煙一起排出，臺架發(fā)動機出現(xiàn)異常震動，出現(xiàn)如此極端的情況必須立即停機。

5沉積物造成發(fā)動機運行異常實例

以某清凈性能很差的油品進行的Caterpillar 1M-PC試驗為例，試驗標準規(guī)定臺架以指定的轉數(shù)和燃油消耗率連續(xù)運轉120 h，表8為試驗運行條件。

正式試驗開始，臺架運轉平穩(wěn)，數(shù)據(jù)控制準確穩(wěn)定，試驗參數(shù)每1 h記錄一次，每12 h調(diào)整機油并記錄竄氣量。在12 h、24 h、36 h檢測竄氣量均為0.70 m3/h。第48 h時檢測竄氣量略有增加，為0.79 m3/h。隨著時間推移，竄氣量開始從緩慢增加發(fā)展到快速增加，運行至60 h時增加到2.36 m3/h，油耗略增，此時排氣溫度也升高了50 ℃，曲軸箱竄氣量檢測口有淺藍煙冒出，曲軸箱真空度變成正壓。繼續(xù)觀察，竄氣量仍在增加，運行至63 h，竄氣量陡增，排氣聲音粗暴，接口墊漏煙伴隨爆破聲并有機油滲出，排氣出現(xiàn)爆破音，發(fā)動機抖動，此時立即按操作規(guī)程停機，拆機檢查。如圖8所示試驗過程中竄氣量變化曲線。

現(xiàn)象分析：由于試驗使用0.4%含硫柴油，冷卻液出口溫度控制在（87.8±2.8）℃，對于清凈性能較差的油品，活塞高溫區(qū)的沉積物會較早形成并明顯增加，造成環(huán)槽積炭嚴重，甚至導致活塞環(huán)在環(huán)槽中卡滯。竄氣量快速增加，使燃燒室內(nèi)可燃混合氣大量竄入曲軸箱造成的，說明活塞環(huán)組與缸套正常密封被破壞。同時曲軸箱飛濺的機油顆粒在正壓條件下竄入燃燒室，在排氣管接口墊處噴出。

拆解結果：試驗至63 h停機，待冷卻后拆機，抽出活塞分析檢查：

（1）一環(huán)、二環(huán)在環(huán)槽內(nèi)整體卡死，環(huán)與環(huán)槽接觸面積全部被積炭黏接為一體，整體形成死環(huán)。

（2）三環(huán)有五分之一黏結卡死，其余部分手指按壓已無彈性，呈過渡狀態(tài)。

（3）活塞承壓面和非承壓面裙部有磨損痕跡，略有手感。

（4）缸套拉傷，手感明顯。

圖9～圖11是試驗至63 h時拆解的活塞-活塞環(huán)組照片：圖9活塞承壓面、圖10 活塞非承壓面、圖11活塞環(huán)卡死造成缸套拉傷。

6結論

（1）柴油機油清凈性評定標準規(guī)定以含硫柴油為燃料，燃油硫含量和冷卻水控制溫度對沉積物生成有直接影響。較低的冷卻水溫度，有利于活塞沉積物生成。

（2）積炭累積和試驗油的清洗作用共同存在會使沉積物在一定時間趨于緩慢增長或達到平衡狀態(tài)。在正常情況下，通過油、不通過油的活塞沉積物不會對試驗正常運行工況造成影響。

（3）清凈性明顯較差的不通過油在試驗中后期由于積炭過重，改變了活塞環(huán)和環(huán)槽之間的配合性質(zhì)，最直觀的反映是曲軸箱竄氣量的改變。如果積炭繼續(xù)增加會使油耗、排溫等參數(shù)超出標準規(guī)定范圍，雖然發(fā)動機可以繼續(xù)運行，但試驗結果失去意義。

（4）在清凈性很差的油品試驗中，在試驗前期和中期就沉積大量的積炭，活塞高溫區(qū)積炭增加到一定數(shù)量會使活塞環(huán)在環(huán)槽中變成黏環(huán)，逐漸卡滯，形成死環(huán)。活塞環(huán)和環(huán)槽的配合性質(zhì)發(fā)生改變導致活塞環(huán)與缸套異常磨損，出現(xiàn)嚴重拉缸，同時油耗和排溫明顯增加。試驗繼續(xù)運行達到某一個時間節(jié)點時會出現(xiàn)竄氣量陡增，大量煙氣從曲軸箱與外界相通的孔道中噴出，必須緊急停機。

參考文獻：

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