低黏度柴油發(fā)動機潤滑油性能研究

金海玲

(盧克伊爾潤滑油(中國)有限公司，上海 200135)

0 引言

商用車作為我國道路運輸?shù)闹黧w，其保有量近年來持續(xù)增長，2018年新登記的商用車為520萬輛。隨著排放法規(guī)的強制執(zhí)行，使用高品質(zhì)低黏度柴機油正變得越來越普遍[1-2]。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，要求2019年7月1日起實施，表1為國六和國五排放法規(guī)對污染物排放限值要求的對比數(shù)據(jù)。國六排放標準的引入將持續(xù)驅動柴機油提高燃油經(jīng)濟性、延長換油周期、提高發(fā)動機可靠性以及提高與后處理系統(tǒng)的兼容性[4-5]。

表1 排放法規(guī)限值要求對比

通過減少摩擦功率損耗和控制燃油噴射可以提高柴油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，這就要求柴機油低黏度且具有高抗氧化性能；其次為延長柴機油換油周期，從過去的30 000～45 000 km到現(xiàn)在的90 000～120 000 km以及未來期望的140 000～150 000 km，這就要求柴機油具有良好黏度穩(wěn)定性、清靜分散性、抗磨損性能和抗氧化性能；此外未來柴機油將更多采用低硫、低磷和低硫酸鹽灰分(低SAPS)配方來應對其與后處理系統(tǒng)的兼容性。

本文作者結合國六排放法規(guī)要求，闡述柴油機通常采用的技術路線以及其對柴機油的影響，提出開發(fā)低黏度柴機油的必要性。然后選用兩種柴機油10W40和5W30進行發(fā)動機臺架試驗驗證，并采用發(fā)動機臺架試驗和整車道路試驗重點考察了低黏度柴機油5W30的抗磨損性能、抗氧化性能、燃油經(jīng)濟性以及其對柴油發(fā)動機/整車耐久性的影響。

1 理論分析

節(jié)能減排將持續(xù)驅動柴油機技術進步。為應對國六排放，柴油機通常采用兩大技術路線，如圖1所示：(1)高壓噴射、EGR、VGT(或雙增壓)、DOC、DPF、SCR+ASC；(2)超高壓噴射、進氣節(jié)流、排氣控制、DOC、DPF、SCR+ASC。此外還需要結合燃燒系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、整機結構及NVH等技術優(yōu)化進一步降低商用車/柴油機的油耗。

圖1 柴油機主要技術路線

多種相互關聯(lián)的柴油發(fā)動機技術特征以及運行工況，綜合影響了整個柴油發(fā)動機系統(tǒng)，并影響柴機油配方優(yōu)化。

(1)缸內(nèi)部件

柴油機降低摩擦的同時要保證發(fā)動機竄氣量、機油消耗不增加，同時要保證活塞環(huán)與缸套表面涂層的兼容。此外，活塞冷卻油道容易產(chǎn)生高溫沉積物，降低活塞冷卻噴嘴的效率，因此在開發(fā)使用低黏度柴機油需要重點考慮機油剪切穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、清凈分散性，保證發(fā)動機缸內(nèi)部件在低黏度條件下形成強勁油膜和發(fā)動機的耐久性。

(2)軸承系統(tǒng)

降低發(fā)動機軸承摩擦可有效提升柴油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，一般來說，使用低黏度柴機油可以降低7%曲軸主軸承摩擦和12%連桿大頭軸承摩擦，提高1%的燃油經(jīng)濟性。

(3)發(fā)動機熱管理

許多新技術的采用(如電子水泵、機油泵、電子節(jié)溫器等)會使機油處于高溫的時間變長，加速機油氧化，可能會引起沉積物形成。從添加劑的角度來看，新技術與新測試循環(huán)的采用可能會影響?zhàn)ざ戎笖?shù)改進劑所帶來燃油經(jīng)濟性的提升，同時會增加邊界潤滑對于摩擦的貢獻量，因此摩擦改進劑可能會扮演較重要的角色。

(4)燃料系統(tǒng)

由于柴油機的高壓噴射、增壓系統(tǒng)、油氣混合、EGR、VVA、竄氣及曲軸箱通風系統(tǒng)的影響會加重潤滑油的氧化和硝化，增加煙炱含量。因此在開發(fā)使用低黏度柴機油需要重點考察其剪切穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、清凈分散性及其低硫酸鹽灰分。

(5)后處理系統(tǒng)

商用車主要使用柴油發(fā)動機，運行里程長、燃油消耗量大，排放的尾氣污染物主要以顆粒物(PM)和NOx為主。為了控制商用車排氣污染、減少污染物排放，貫徹執(zhí)行中國國家強制排放法規(guī)，未來將進一步使用后處理技術控制商用車污染物排放限值。目前商用車常用廢氣后處理的設備有：①EGR，通過將一小部分廢氣轉回進氣歧管，來降低燃燒室的溫度和氧氣量，從而防止NOx的形成，減少NOx排放。②DPF，通過使用氧化催化劑進行再生，可以在較低溫度下燃燒掉濾池中的煙灰，減少煙塵顆粒排放。③SCR，通過特殊催化劑將車用尿素注入柴油發(fā)動機排氣流中，減少NOx排放。因此，為了進一步減少機油對后處理系統(tǒng)的影響，未來更多采用低硫酸鹽灰分柴機油來延長后處理系統(tǒng)的壽命，同時開發(fā)其他更加經(jīng)濟環(huán)保的添加劑來補償?shù)土蛩猁}灰分所帶來的負面影響。

綜上，開發(fā)低黏度柴機油勢在必行，同時需兼顧低黏度柴機油其他性能的提升。

2 試驗內(nèi)容

文中選用兩款機油進行發(fā)動機臺架試驗，機油黏度等級分別為：5W30和10W40，機油信息見表2。試驗依據(jù)OM646 Bio和馬克T8-E考察了10W40機油的黏度增長及油泥情況；試驗依據(jù)OM646LA、OM501LA和馬克T13考察了5W30機油的黏度增長、油泥及零件磨損情況，同時試驗依據(jù)OM501 FE考察了5W30機油的燃油經(jīng)濟性。

表2 試驗機油信息

為進一步研究低黏度柴機油對整車和發(fā)動機耐久性的影響，文中選用兩輛卡車搭載5W30柴機油進行兩輪整車道路試驗,換油周期為160 000 km，每2 000 km取油樣進行100 ℃運動黏度、TAN/TBN、氧化度/硝化度和元素含量分析。整車道路試驗信息見表3。

表3 整車道路試驗信息

3 試驗結果與分析

表4為10W40機油在OM646 Bio中的測試結果。由表4可知，10W40機油在生物柴油條件下具有良好穩(wěn)定性，并有效預防油泥產(chǎn)生。

表4 10W40機油在OM646 Bio中測試結果

10W40機油在馬克T8-E中的測試結果顯示：10W40機油經(jīng)過300 h運行，在煙炱含量為4.8%處其相對黏度增長為1.47 mPa·s，小于原設備制造商規(guī)范MAN M3777的限值要求2.1 mPa·s。因此10W40機油具有良好煙炱分散性能。

表5為5W30機油在OM646LA中的測試結果，由表可知，5W30機油可有效預防凸輪、挺桿和汽缸磨損。

表5 5W30機油在OM646LA中測試結果

表6為5W30機油在OM501LA中的測試結果。

表6 5W30機油在OM501LA中測試結果

由表6可知，5W30機油可有效預防零件磨損和沉積物。

表7為5W30機油在馬克T-13中的測試結果，由表可知，5W30機油40 ℃時運動黏度沒有變化，表明該款機油組分存在有效的黏度改進劑，產(chǎn)品穩(wěn)定性良好，IR吸收峰和平均機油消耗數(shù)據(jù)表明該款機油具有優(yōu)異高溫抗氧化性能。

表7 5W30機油在馬克T-13中測試結果

5W30機油在OM501FE測試結果顯示：5W30機油可以提升柴油機0.86%燃油經(jīng)濟性。

通過檢測使用過機油的運動黏度、TAN/TBN、氧化度/硝化度以及元素含量的變化，分析判斷機油老化變質(zhì)情況，評估低黏度柴機油5W30是否影響發(fā)動機的耐久性。圖2是5W30機油搭載在MH695卡車上進行兩輪160 000 km路試后的運動黏度、TAN/TBN、氧化度/硝化度和元素含量曲線圖。從圖2可知：(1)使用過的5W30柴機油運動黏度較新油有所上升，隨著5W30柴機油使用壽命的延長，其運動黏度逐步增大，總體運動黏度正常。(2)使用過的5W30柴機油總酸值TAN較新油有所上升，總堿值TBN較新油有所下降。機油使用壽命超過100 000 km的5W30柴機油酸化明顯，其TAN值超過5 mgKOH/g。(3)使用過的5W30柴機油氧化度和硝化度正常。(4)鈣(Ca)、鋅(Zn)、硼(B)、鉬(Mo)、鎂(Mg)、磷(P)主要來自添加劑的損耗；鐵(Fe)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)主要來自發(fā)動機摩擦副的磨損；硅(Si)主要來自外界的污染。第一輪使用壽命為160 000 km的5W30柴機油Pb元素含量超標，表明發(fā)動機潤滑系統(tǒng)存在輕微軸承磨損，其余發(fā)動機潤滑系統(tǒng)摩擦副磨損正常。

為進一步評估低黏度柴機油5W30的性能。文中又安排了5W30柴機油搭載在N8051卡車上進行兩輪160 000 km的路試試驗。圖3為兩輪試驗后的5W30柴機油運動黏度、TAN/TBN、氧化度/硝化度和元素含量曲線圖。從圖3可知：(1)使用過的5W30柴機油100℃運動黏度較新油有所上升，隨著5W30柴機油使用壽命的延長，其運動黏度逐步增大。第一輪使用壽命超過120 000 km的5W30柴機油增稠明顯，運動黏度超標，其余運動黏度正常。(2)使用過的5W30柴機油總酸值TAN較新油有所上升，總堿值TBN較新油有所下降。機油使用壽命超過100 000 km的5W30柴機油酸化明顯，其TAN值超過5 mgKOH/g。(3)使用壽命為160 000 km的5W30柴機油氧化明顯，其余氧化度和硝化度正常。(4)第一輪試驗使用壽命超過4 000 km的5W30柴機油Cu元素含量超標明顯，表明發(fā)動機潤滑系統(tǒng)存在明顯軸瓦磨損；兩輪試驗使用壽命為160 000 km的5W30柴機油Pb元素含量超標，表明發(fā)動機潤滑系統(tǒng)存在輕微軸承磨損，其余發(fā)動機潤滑系統(tǒng)摩擦副磨損正常。

圖2 5W30機油理化檢測結果(MH695卡車)

圖3 5W30機油理化檢測結果(N8051卡車)

上述兩輛卡車道路試驗結果表明：低黏度柴機油5W30性能表現(xiàn)良好，可以滿足柴油發(fā)動機和整車的耐久性要求。

4 結論

(1)國六排放標準的引入將持續(xù)驅動柴機油提高燃油經(jīng)濟性、延長換油周期、提高發(fā)動機可靠性以及提高與后處理系統(tǒng)的兼容性。

(2)使用低黏度柴機油5W30可以有效減少摩擦功率損耗，提高柴機油燃油經(jīng)濟性，同時低黏度柴機油5W30可以有效預防發(fā)動機零件磨損和發(fā)動機潤滑系統(tǒng)沉積物生成。

(3)低黏度柴機油5W30機油在OM501FE測試中可以提高柴油機0.86%燃油經(jīng)濟性。

(4)低黏度柴機油5W30在整車道理試驗中性能良好，可以滿足柴油機和整車的耐久性要求。

(5)開發(fā)低黏度柴機油需兼顧其他性能的提升。