延長發動機潤滑油換油周期的研究

姜可，林世龍，劉潛，耿同，張培德

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

發動機的換油周期與發動機的配置、燃油質量、負載等因素密切相關。對于普通用戶來說，一般需要根據發動機廠商推薦的換油周期更換潤滑油。發動機廠商制定的換油周期往往是針對某一系列機型的，為了適應不同的工況及配置等，出于保護發動機的目的，換油周期的制定通常比較保守。這樣不僅增加了用戶的使用成本，也不符合環保和節能的要求，尤其是對大缸徑發動機來說。大缸徑發動機的換油周期普遍在500 h左右，換油量相對來說比較大，因此個性化定制換油周期尤為重要。定期對潤滑油質量衰減程度進行檢測，根據檢測結果合理地制定發動機換油周期，既能確保發動機的可靠性，又能實現按質換油[1-2]。

本試驗依據某大缸徑發動機電站，隨機選取9臺發動機使用相同潤滑油進行1000 h運行試驗，定期對潤滑油進行取樣分析，觀察潤滑油在發動機使用過程中的質量衰變，科學合理地延長發動機換油周期[3-4]。

1 試驗概況

1.1 試驗發動機及試驗用油(見表1)

表1 試驗發動機信息

表1(續)

1.2 油樣檢測項目及換油指標

油樣送檢滿足SGS認證第三方檢測機構，檢測方式符合ASTM標準。

換油指標參照GB/T 7607-2010 《柴油機油換油指標》中柴油機油技術要求及試驗發動機廠商大缸徑柴油機換油指標企業標準。油樣檢測項目及標準見表2。

表2 油樣檢測項目及標準

1.3 試驗發動機要求

(1)發動機完成首次保養，更換潤滑油、潤滑油濾芯、潤滑油離心濾、燃油粗濾、燃油精濾，清潔空濾。

(2)將發動機進行換油清洗，并應滿足以下要求。

確保將之前使用過的舊潤滑油完全放干凈，使用試驗潤滑油按下述步驟沖洗潤滑油路：

a)加滿新潤滑油后，發動機怠速運轉15 min達到暖機；

b)空擋加油門將發動機由怠速加至高轉速以上，重復5～10次；

c)使發動機怠速運轉5 min；

d)停機，發動機冷卻5 min之后將潤滑油完全放干凈。

(3)0 h取樣。

發動機沖洗完畢后再次加滿試驗用油(CALTEX Delo Gold Ultra SAE 15W-40)，并讓發動機怠速運轉10 min后取一定量(120 mL)新油作為0 h油樣(首樣)，做好油樣標記。取油后，補加等量的新油。

注意：0 h油樣并不等同于新油。

1.4 取樣時間

發動機廠商規定發動機潤滑油更換周期為500 h，本次試驗計劃監測至1000 h，觀察發動機潤滑油表現，確定合適的換油周期。

對選取的9臺發動機的潤滑油取樣時間為300 h、500 h、650 h、800 h、900 h、1000 h，每次取樣為120 mL，做好油樣標記。潤滑油取樣后將油樣送往同一第三方檢測機構進行檢測，對檢測數據進行對比分析。

根據前期油品檢測結果，若經過分析評估認為原方案取樣間隔可能存在風險，則縮短取樣間隔，減少運行試驗時間；若經評估后認為油品性能良好，設備磨損較小，可適當延長運行試驗時間，以確定最優換油周期。以油液實際檢測結果作為評價換油周期依據[5]。

1.5 取樣要求

(1)應在發動機停止運行后10 min內取樣，保證發動機油溫高于60 ℃。如果達不到規定溫度，則先運行發動機至少15 min令潤滑油循環和升溫。

(2)使用真空取樣器、取樣瓶和吸油管等專用工具從油底殼油位中部抽取油樣，以確保油樣具有代表性[6]。

注意：吸油管為一次性用具，不得重復使用。

(3)取樣過程中，必須避免油樣受到外界污染，保證取樣器、取樣瓶、吸油管的清潔。

(4)取樣結束后把取樣瓶表面擦拭干凈，并貼好標識。

注意：標識必須清晰易辨認，且標識與取樣瓶一一對應，絕對不能混淆。

(5)油樣標識須包含以下內容：

a)發動機編號；

b)取樣日期；

c)發動機運行時間；

d)潤滑油運行時間。

(6)若試驗過程中發現發動機油位降低至最低刻線以下，必須進行補油，添加測試油至正常油位，并記錄添加數量以及補加油液時發動機及潤滑油運行時間。

2 發動機潤滑油質量衰減分析

通過檢測發動機潤滑油在使用過程中理化性能、污染物、金屬元素等指標變化，來分析發動機潤滑油的質量衰減狀態[7]。

2.1 運動黏度(100 ℃)變化率

運動黏度是衡量潤滑油油膜強度、流動性的重要指標。合適的潤滑油黏度是發動機正常運行的基本保證。運動黏度變化率一定程度上表征了油品質量的衰變情況[8]。

發動機運行過程中油品黏度的變化受多種因素的影響，運動黏度過大，會造成發動機低溫啟動困難、磨損加劇、功率損失大等問題；運動黏度過低則會導致潤滑油的油膜變薄，潤滑性能下降，發動機會由于油膜厚度不足而拉缸。

因此在試驗過程中應當對潤滑油運動黏度進行監控，以確保發動機運轉正常[9]。

試驗發動機經1000 h運行試驗后100 ℃運動黏度變化趨勢如圖1所示。

圖1 100 ℃運動黏度變化

從圖1運動黏度(100 ℃)變化情況可見，發動機潤滑油黏度均處于下降趨勢，黏度下降與黏度指數改進劑被剪切有關，越到后期黏度下降越慢。柴油機油換油指標中要求潤滑油100 ℃運動黏度變化率不能超過±20%。

試驗發動機經1000 h運行試驗后，其中7臺發動機100 ℃運動黏度變化滿足換油指標要求，潤滑油仍具有合適黏度為發動機提供潤滑保護；另外兩臺發動機(1號及4號發動機)100 ℃運動黏度變化率超過了換油指標要求，黏度指數改進劑消耗嚴重，過低的黏度不足以建立充分的油膜，難以為發動機運轉提供足夠的潤滑，需要更換潤滑油。

2.2 總酸值和總堿值

發動機潤滑油在使用過程中，需要保持合適的堿值及酸值以持續不斷地對發動機提供保護。

總堿值代表潤滑油中堿性物質的含量，是用來衡量有效添加劑成分的指標，也表示潤滑油中和酸性物質的能力。當堿值下降到一定程度，油品就會失去中和酸性物質的能力，會引起油泥增多，發動機部件也有可能產生腐蝕、磨損等現象[10]。

總酸值是檢驗機油內腐蝕性產物的重要指標，通常用來判斷油品的老化程度，酸值越高，表明機油的氧化程度越高，并加速機油品質的劣化。在用潤滑油的酸值增加主要來自兩方面：一是潤滑油氧化產生的酸性產物，二是燃料燃燒生成的酸性物質。酸值增值過大，說明油品產生了大量的酸性物質，會促進變質，并對發動機造成腐蝕，對發動機危害極大[11]。

因此在試驗過程中應當對潤滑油總堿值及總酸值進行檢測，以確保發動機運轉正常。

試驗發動機1000 h運行試驗總堿值及總酸值變化趨勢如圖2、圖3所示。

圖2 總堿值變化

圖3 總酸值變化

從圖2堿值變化情況可見，發動機潤滑油堿值均處于下降趨勢，堿值下降與潤滑油中清凈劑、分散劑等添加劑消耗有關。柴油機油換油指標中要求在用油堿值下降率不能超過50%。試驗發動機在1000 h運行試驗后，堿值下降率均在許用限值以內，說明此時潤滑油仍具有優秀的清凈分散性及抗氧化性能。

從圖3酸值變化情況可見，發動機潤滑油酸值均處于上升態勢，酸值的增加與潤滑油的氧化變質及燃燒產生的酸性物質有關。柴油機油換油指標中要求在用潤滑油酸值增值不能超過2.5 mgKOH/g。試驗發動機在1000 h運行試驗后，酸值增值均在許用限值以內，說明潤滑油仍具有優良的酸性中和能力，潤滑油氧化變質程度較低，發動機燃燒狀態良好。

2.3 燃油稀釋及閃點

燃油稀釋是指因燃燒不充分、燃油泄漏等各種因素導致的燃油混入潤滑油中造成的發動機潤滑油污染。柴油潤滑油中如果出現燃油稀釋的現象，則閃點檢測值會明顯下降，閃點的檢測可有效反應柴油潤滑油燃油稀釋情況[12]。

發動機長時間怠速運轉、低溫運行、反復啟動以及燃燒不完全、燃油泄漏等原因均會導致燃油稀釋問題。燃油稀釋會對發動機造成巨大危害：燃油中不飽和芳烴會造成堿值降低；降低潤滑油的黏度，使油膜變薄，磨損加劇；泄露的燃油會沖刷汽缸壁上的潤滑油，加速活塞環、缸套的磨損，進而引起竄氣，油耗增加；降低添加劑的效能等。

因此監控燃油稀釋情況對評估潤滑油的工作狀態十分必要。

試驗發動機1000 h運行試驗開口閃點變化趨勢如圖4所示。

圖4 開口閃點變化

從圖4開口閃點變化情況可見，試驗發動機在1000 h運行試驗中，潤滑油開口閃點處于一個比較平穩的趨勢，閃點無明顯的升高及降低。柴油機油換油指標要求在用潤滑油開口閃點值應在180 ℃之上。試驗發動機潤滑油閃點值均在許用范圍，說明發動機運行狀態良好，燃燒狀態穩定，燃油稀釋情況在可控范圍以內，潤滑油性能穩定。

2.4 水分含量

發動機潤滑油中不允許存在水分，但在用油由于缸套密封圈老化滲漏、燃燒室產生的水汽等原因，可能造成潤滑油中含有水分。

水的存在會對機械設備、潤滑油的潤滑能力及油品質量等產生危害：水分的存在會使得設備的零部件產生電化學腐蝕，金屬離子還會進一步加速潤滑油的氧化，導致酸值增大，進一步加速設備的腐蝕；水分的存在會造成極壓抗磨劑、清凈分散劑、防銹劑等表面活性劑失效，造成機油乳化，加速油品變質；潤滑油氧化變質會降低油膜的厚度和剛度，降低油膜的承載能力，加速設備磨損，降低使用壽命[13]。

因此監控潤滑油中的水分含量是在用油檢測中必不可少的一環。

試驗發動機經1000 h運行試驗后潤滑油中水分含量變化趨勢如圖5所示。

圖5 潤滑油中水分含量變化

從圖5潤滑油中水分含量變化情況可見，試驗發動機經過1000 h運行試驗，潤滑油水分含量均處于較低水平，檢測值都在0.05%以下，遠低于換油指標要求的0.2%以下，表明發動機運行狀態良好，燃燒狀態穩定，且未發生冷卻液泄漏等問題，潤滑油性能穩定。

2.5 磨損金屬元素及硅元素含量變化

在用潤滑油元素分析中，主要關注Fe、Cu、Al等磨損金屬元素及Si等灰塵污染元素。元素分析可綜合判斷發動機磨損情況，判斷潤滑油能否為發動機提供充足的潤滑保護[14]。

2.5.1 磨損金屬元素

在用潤滑油中鐵元素含量的增長主要來自鋼鐵類摩擦副的磨損，比如缸套、齒輪、曲軸、凸輪軸等，若其含量迅速增加，表示可能出現異常磨損，尤其是腐蝕磨損。銅元素含量的增長主要來自含銅類合金摩擦副的磨損，比如連桿和主軸承、渦輪增壓器軸承、連桿襯套、凸輪軸襯套等；鋁元素含量的增長主要來自含鋁合金摩擦副的磨損，比如鋁活塞、曲軸和凸輪軸止推軸承、凸輪軸襯套等；不同元素檢測含量的升高可反映對應摩擦副的磨損狀態[15]。

試驗發動機經1000 h運行試驗后潤滑油中Fe、Cu、Al元素含量變化趨勢如圖6～圖8所示。

圖6 鐵元素含量變化

圖7 銅元素含量變化

圖8 鋁元素含量變化

柴油機油換油指標要求鐵元素含量不能大于100 mg/kg，銅元素含量不能大于50 mg/kg，鋁元素含量不能大于30 mg/kg。從圖6～圖8鐵元素、銅元素、鋁元素含量變化情況可見，發動機在1000 h運行試驗中，各磨損金屬元素含量處于平穩上升趨勢，未發生明顯突變，且均未到達換油指標規定限值，表明潤滑油具有優良的抗磨性能，發動機運行狀態良好，磨損情況均勻。

2.5.2 硅元素

在用潤滑油中的硅元素主要來源于空氣中的塵埃、沙石和油中的消泡劑、硅密封膠等；硅元素含量的增加主要與沙石、塵土以及外界異物產生的磨損有關，當發動機運行在環境較差或灰塵較多的工況時，在用油的硅含量會明顯增加；對于發動機本身來講，當空氣過濾器長時間不換而失去作用時，也會引起硅含量的增加，造成發動機零部件的異常磨損。

試驗發動機經1000 h運行試驗后潤滑油中硅元素含量變化如圖9所示。

圖9 硅元素含量變化

從圖9硅元素含量變化趨勢可見，在整個試驗過程中，潤滑油中硅元素含量十分平穩，柴油機油換油指標要求硅元素含量不能大于30 mg/kg，試驗用油檢測值遠低于換油指標規定限值，表明發動機空濾可對吸入空氣起到充足的過濾作用，保證發動機不因吸入空氣質量差而發生異常磨損。

從圖6～圖9可見，試驗油樣的Fe、Cu、Al和Si元素含量均在正常范圍內，試驗用油具有優秀的抗磨性能，發動機運轉良好，未發生異常磨損。

3 結論

根據發動機1000 h運行試驗潤滑油取樣分析結果，可得出以下結論：

(1)1號及4號試驗發動機運行到900～1000 h時，油品100 ℃運動黏度下降值超過換油指標限值，存在無法建立足夠油膜的風險，不能為發動機提供全面的潤滑保護。其余7臺發動機潤滑油在1000 h運行試驗中均表現良好，油樣檢測指標均正常，可為發動機提供充足的潤滑保護。

(2)根據檢測分析結果，試驗發動機換油周期可由500 h提升至900 h，為留出部分余量，換油周期可選擇為800 h。目前試驗發動機電站已按800 h換油周期運行16000 h，發動機運行狀態良好，未發生任何異常。

(3)根據發動機潤滑油檢測分析結果，可合理制定換油周期，實現按質換油，保證發動機可靠性的同時不造成潤滑油浪費。