CI-4 15W-40柴油機油在城市輕卡上的應用研究

湯占帥,石順友,覃雪梅

(中國石化潤滑油有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

廢氣再循環(EGR)、延遲噴射、選擇性催化還原(SCR)、氧化催化劑(DOC)、顆粒捕捉器(DPF)等柴油發動機新技術普遍應用，對發動機油性能提出了更高的要求，推動了發動機油質量等級不斷發展[1-3]。在世界普遍采用的API發動機油質量規格體系中，柴油機油的質量級別已經發展到了API CK-4/FA-4[4]。但在國內柴油機油的應用市場上，API CH-4、API CI-4級別較高的油品仍然占據較大比例，且API CI-4規格油品可滿足國IV和采用非DPF技術的國V排放發動機的潤滑要求，其市場占有率呈現不斷快速上升的趨勢，并將占據市場主流。

此外，隨著電子商務的迅猛發展，城市化水平不斷提升，城市對電商、物流行業的配送需求急劇上升，輕卡已成為主要以市區和城郊為主的城市物流主力軍[5]。輕卡不但需要使用高級別油品以應對在市區和城郊道路運輸過程中的高低速頻繁交替和開開停停等的惡劣工況，對換油期也有較高要求。筆者在市場的服務過程中，了解到國內大多數輕卡車輛的換油保養周期較短，普遍在1萬多公里，隨著運輸效率要求的提升，輕卡用戶對于延長換油周期有強烈的需求。

目前，國內城市輕卡基本上為國IV和采用非DPF技術的國V排放車輛，考慮到API CI-4柴油機油規格油品將占柴油機油市場主流的發展趨勢，開展CI-4柴油機油規格油品在城市輕卡上的應用研究，對提高車輛運營效率，降低車輛維護成本，具有十分重要的實際意義。

1 API CI-4柴油機油的性能要求

為滿足2004年高速公路廢氣排放標準和柴油機采用EGR、延遲噴射等新技術的潤滑要求，美國于2002年發布了API CI-4柴油機油規格，該規格主要適用于高速四沖程柴油機，如環保型大功率客、貨車柴油機[6]。API CI-4規格柴油機油的臺架試驗技術指標要求[7]如表1。

表1 API CI-4柴油機油的臺架試驗技術指標

表1(續)

表1(續)

從臺架試驗技術要求可以看出，API CI-4規格的柴油機油性能要求苛刻，在高溫清凈性能、抗磨損性能、煙炱分散性能以及抗腐蝕磨損等方面明顯優于CH-4規格油品，如圖1。

圖1 CI-4與CH-4性能對比

此外，API CI-4規格柴油機油在閥系磨損保護、抗油泥、防止過濾器堵塞、機油消耗和低溫泵送性能等方面也得到明顯改善。

2 CI-4柴油機油的研制

為滿足物流車輛苛刻的潤滑要求，精選具有優異抗氧化性能的高黏度指數加氫基礎油，加以高性能的抗氧劑、分散劑、清凈劑和黏度指數改進劑等功能添加劑，采用先進的生產工藝調制而成的CI-4 15W-40柴油機油，通過嚴格的Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、Caterpillar 1P、Caterpillar 1K、MS程序ⅢF等發動機臺架試驗，油品質量滿足API CI-4柴油機油規格要求。CI-4 15W-40 柴油機油典型數據見表2。

表2 CI-4 15W-40 柴油機油實測數據

表2(續)

3 CI-4 15W-40柴油機油的應用研究

通過選擇5臺具有代表性工況的城市物流配送車輛，在市區和城郊道路工況條件下，考察研究CI-4 15W-40柴油機油的應用性能，車輛發動機為國IV發動機，發動機技術參數見表3。

表3 發動機技術參數

表3(續)

CI-4 15W-40柴油機油的道路試驗過程中，按一定里程(0、1萬公里、2萬公里和3萬公里等)采集油樣進行檢測分析，檢測項目包括機油理化指標、紅外光譜和磨損元素三個方面，其中機油的理化指標主要包括運動黏度(100 ℃)、堿值、酸值、水分、不溶物；紅外光譜分析包括氧化值、硝化值和煙炱含量；磨損元素分析包括鐵、銅和鋁等金屬元素含量的分析，試驗結果如下。

3.1 100 ℃運動黏度

在機油的使用過程中，運動黏度是監控的基本指標，也是影響發動機潤滑性的重要指標之一。影響發動機油在使用過程中的黏度特性的因素比較多，如聚合物的裂解和機械剪切、蒸發、氧化變稠、燃油稀釋等[8]。發動機油黏度的變化基本可以反映油品衰變程度、黏度指數改進劑的剪切、熱裂解變化情況。100 ℃運動黏度的變化情況如圖2。

圖2 100 ℃運動黏度變化趨勢

從圖2可以看出，在整個行車試驗過程中，機油的黏度變化幅度較小，還處在原來的黏度等級范圍之內，沒有出現明顯的下降和上升現象，也沒過超過換油指標中規定的黏度變化范圍，說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的剪切安定性和黏度保持能力，沒有出現過度氧化而造成的機油黏度劇增現象。

3.2 堿值

在機油的使用過程中，堿性添加劑會被不斷的消耗，機油的堿值會逐漸下降，當堿值下降到一定程度時，機油就會失去中和酸性物質的能力，導致發動機有可能會產生酸性腐蝕和磨損，一般要求在用油機油的堿值不低于新油的50%。堿值的變化趨勢如圖3。

圖3 堿值變化趨勢

從圖3可以看出，在試驗過程中，機油的堿值呈現逐漸下降的趨勢，其原因是機油高溫氧化而產生酸性物質和柴油燃燒生成的酸性物質，使得油品的堿值逐步下降，但未超出換油指標要求的50%，符合發動機油在使用過程中堿值下降的變化規律，說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的堿值保持性和酸中和能力。

3.3 酸值

油品的酸值主要檢測油品中某些功能劑的消耗情況及油品的氧化程度。油品在使用過程中受到溫度、水分或其他因素的影響，會逐漸氧化變質[9]。隨著油品氧化程度增加，產生較多的酸性物質，使油品酸值增加，較大量的酸性物質對設備造成一定程度的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續加速油品的老化狀況，影響發動機正常運行。酸值的變化趨勢如圖4。

圖4 酸值變化趨勢

從圖4可以看出，隨著行駛里程的增加，試驗機油的酸值呈現逐漸增大的變化趨勢，但在整個試驗過程中，油品的酸值不大說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的高溫抗氧化性能。

3.4 水分

在用機油中的水分與發動機技術條件、車輛工況和車輛使用環境的濕度有較大關系，其來源主要是發動機冷卻系統泄露、密封墊滲漏、車輛的頻繁啟動或緊急停車造成潤滑油系統發生冷凝、曲軸箱或潤滑油箱通風不足以及雨水侵入廢氣系統等[10]。當油品中水分較少時，由于發動機工作溫度較高，因此極少量的水有可能被蒸發，對發動機危害不大；但隨著機油中水分的增加，機油中水分會破壞油膜形成及其強度，并導致添加劑因水解而失效。另外，較大的水分含量會引起機油乳化變質，導致油泥增多，機油潤滑性能下降，加劇發動機銹蝕和磨損。水分的變化趨勢如圖5。

圖5 水分變化趨勢

從圖5可以看出，整個試驗過程中，油品中的水分含量一直處于較低水平，說明CI-4 15W-40柴油機油沒有受到水分的乳化污染，機油在發動機摩擦副之間形成的有效油膜強度良好，可以為發動機提供有效的潤滑保護。

3.5 不溶物

正戊烷不溶物是反映機油容納污染物能力的一個指標，當在用機油的正戊烷不溶物含量達到一定值后，會導致機油黏度增大、流動性變差。此外，機油中正戊烷不溶物的聚集成團會堵塞機油過濾網和油道，造成發動機供油不暢而發生機械故障。正戊烷不溶物的警示值一般為1.5%。正戊烷不溶物含量的變化趨勢如圖6。

圖6 不溶物變化趨勢

從圖6可以看出，整個行車試驗過程中，油品的正戊烷不溶物含量不高，未達警示值，說明CI-4 15W-40柴油機油在正常的車輛行駛條件下生產的油泥少，油品具有很好的抑制氧化產物生成的能力，具有優異的抗氧化性能、抗磨性能和清凈分散性能。

3.6 氧化值和硝化值

在用發動機油的氧化值、硝化值可以反映出試驗油品被氧化、硝化及受污染的程度。我國目前還沒有關于利用紅外光譜法監控在用機油的氧化值、硝化值的極限規定，一般柴油機油的氧化值和硝化值的警示值為0.25 ABS/0.1 mm[11]，當達到或超過此警示值時，則表明在用機油的氧化衰變情況達到了一定程度，應及時換油。氧化值和硝化值的變化趨勢分別如圖7和圖8。

圖7 氧化值變化趨勢

圖8 硝化值變化趨勢

從圖7和圖8可以看出，隨著行駛里程的逐步增加，CI-4 15W-40柴油機油中不斷被氧化、硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈現逐漸增加的變化趨勢。但在整個行車試驗過程中，試驗機油的氧化值、硝化值一直處于較低水平，沒有達到警示值，說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的高溫抗氧化和抗硝化性能。

3.7 煙炱

柴油發動機在苛刻的燃燒條件下，會產生很多的燃燒副產物，其中的固體物主要是柴油和進入燃燒室的潤滑油在空氣不足的條件下經不完全燃燒或熱裂解而產生的不定形碳(微小的碳微粒)，表現為煙炱。發動機油中的煙炱含量增加到一定時，如果發動機油沒有很好的煙炱分散性能，可能會使發動機更容易形成油泥、高溫沉積物，導致機油濾清器堵塞、供油不足、油膜破壞而造成發動機磨損，影響發動機正常工作和壽命。柴油機油中的煙炱含量測定方法目前主要有熱重分析法(TGA)、紅外光譜法(FT-IR)、過濾法、光反射傳感器比較法等測試方法[12-13]。通過紅外光譜(FT-IR)測定在用柴油機油中煙炱含量，其換油警示值一般為0.7 Abs/0.1 mm[14]，當油品中的煙炱含量超過警示值時，應及時換油。煙炱含量的變化趨勢如圖9。

圖9 煙炱含量變化趨勢

從圖9可以看出，整個行車試驗過程中，機油中的煙炱含量未超警示值，且處于較低的含量水平，說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的煙炱分散性能。

3.8 金屬元素含量

車輛在運行過程中，發動機各零部件都存在一定的磨損，機油中的煙炱含量、酸性物質以及機油的氧化變質也會加快發動機各零部件的磨損。通過檢測分析機油中Fe、Cu、Al等磨損金屬元素含量，可用于評價油品的抗磨性能，并掌握發動機的磨損情況[15]。Fe、Cu、Al磨損金屬元素含量的變化趨勢如圖10、圖11和圖12。

圖10 鐵元素含量變化趨勢

圖11 銅元素含量變化趨勢

圖12 鋁元素含量變化趨勢

從圖10、圖11和圖12可以看出，隨著試驗里程的增加，試驗機油中的鐵、銅、鋁等金屬元素含量呈現逐漸增大的變化趨勢。但在整個行車試驗過程中，油品中的鐵、銅、鋁元素的含量均處于較低水平，屬于正常的磨損。較低的磨損元素含量也說明CI-4 15W-40柴油機油具有優異的抗磨性能和潤滑性能，能夠對發動機形成有效的抗磨保護，延長發動機的使用壽命。

3.9 污染元素

在用油中硅元素含量與車輛的行駛環境以及空氣濾清器的工作狀態有較大關系，一般機油中硅元素含量的警示值為30 mg/kg，當硅元素含量超過警示值時，應該更換機油和空氣濾清器。硅元素含量的變化趨勢如圖13。

圖13 硅元素含量變化趨勢

從圖13可以看出，部分車輛的試驗機油中硅元素含量隨行駛里程的增加而緩慢增加，可能與車輛的空氣濾清器或行駛的環境較為惡劣有較大關系，在整個行車試驗過程中，試驗機油中硅元素含量的最大值僅為19 μg/g，沒有超過警示值。

4 結束語

EGR、延遲噴射、SCR、和DPF等多項柴油機新技術的普遍應用，對發動機油的性能提出了更高要求，推動著發動機油質量等級的不斷發展。此外，隨著國內物流的快速發展和競爭的日益激烈，用戶對于車輛的出勤率要求越來越高，需要性能更好的油品來保障車輛的高效運行。

研制生產的CI-4 15W-40柴油機油通過在市區和城郊道路上進行3萬公里的應用研究，結果表明，CI-4 15W-40柴油機油具有優異的高溫抗氧化、抗磨性能、煙炱分散性能和抑制煙炱引起的發動機磨損性能，可滿足城市輕卡惡劣工況的用油要求，換油周期達3萬公里以上，能夠有效提高車輛運營效率，降低車輛維護成本。