輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性評(píng)定臺(tái)架的建立及試驗(yàn)方法的研究

蔣朝貴，楊 鑫，王 龍，付代良，姚 錫

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

潤(rùn)滑油是由基礎(chǔ)油與不同的添加劑根據(jù)一定的工藝條件調(diào)合出來的產(chǎn)物，是具有高技術(shù)含量的配方工藝產(chǎn)品。設(shè)備在不同工況下需要使用不同配方的潤(rùn)滑油，配方的優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性、品級(jí)等需要各種臺(tái)架來模擬評(píng)定。因此研發(fā)配方離不開臺(tái)架，引進(jìn)臺(tái)架、建立臺(tái)架評(píng)定體系不僅能對(duì)內(nèi)提供評(píng)價(jià)手段，更能為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫(120±2)℃分散性臺(tái)架，主要用于評(píng)定柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油由于煙炱引起的機(jī)油黏度增長(zhǎng)以及活塞清凈性，為輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和產(chǎn)品的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油分散性能的方法很多，除了一些常規(guī)理化分析項(xiàng)目之外，還有模擬方法和臺(tái)架方法。試驗(yàn)室用來考察潤(rùn)滑油煙炱分散性能的模擬方法為：在試驗(yàn)油樣中加入一定量的炭黑，高速攪拌使其充分分散后，測(cè)定某一溫度下油品的黏度增長(zhǎng)，以黏度增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)大小表示油品煙炱分散性能的好壞。臺(tái)架方法主要分為：美國(guó)API方法以及歐洲CEC方法兩類。API方法包括Mack T8，Mack T8A，Mack T8E，Mack T11臺(tái)架；CEC方法包括XUD11BTE，DV4TD，DV6C臺(tái)架，這些臺(tái)架均用于評(píng)價(jià)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油煙炱分散性所造成的黏度增長(zhǎng)。

歐洲汽車制造協(xié)會(huì)(ACEA)根據(jù)歐洲輕負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)特點(diǎn)，通過不同的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，對(duì)配套使用的柴油機(jī)油進(jìn)行有針對(duì)性的性能評(píng)價(jià)。而美國(guó)的柴油機(jī)油性能評(píng)價(jià)體系更側(cè)重對(duì)車輛工況的普遍適應(yīng)性，因此API規(guī)格中沒有針對(duì)輕負(fù)荷柴油機(jī)油的專用規(guī)格[1]。而在ACEA規(guī)格中提出并且是與汽油機(jī)列在一起的，即ACE A/B系列。我國(guó)越來越多的汽車，尤其是柴油車，大多從歐洲引進(jìn)，因此ACEA規(guī)格中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架不能忽視。在歐洲已有一半以上的轎車采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其良好的使用性能將會(huì)越來越多地在中國(guó)市場(chǎng)得到認(rèn)可。

參照CEC試驗(yàn)方法[2]，建立自主輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性臺(tái)架，為輕負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用油的研制、開發(fā)和生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的評(píng)定手段。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，只引進(jìn)臺(tái)架的關(guān)鍵部件，其余部件在國(guó)內(nèi)配套完善，建立了一套完整的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、與國(guó)外試驗(yàn)條件基本相同的潤(rùn)滑油評(píng)定臺(tái)架及試驗(yàn)方法。本文主要介紹該輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性評(píng)定臺(tái)架的建立及試驗(yàn)方法的研究。

1 臺(tái)架的建立

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

參照CEC試驗(yàn)方法，輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫發(fā)散性臺(tái)架所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為法國(guó)標(biāo)致公司生產(chǎn)的PSA DV4 TD渦輪增壓1.4 L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用在歐版Peugeot 206車型上。發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的建立

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的建立包括：試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與底座的安裝；儀表控制系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)、臺(tái)架冷卻系統(tǒng)、機(jī)油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、串氣流量測(cè)量系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等與試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的連接。按照CEC L-93-04(2.1版)試驗(yàn)方法的要求，建立輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性評(píng)定臺(tái)架。

1.3 燃料油

試驗(yàn)用的參考燃料油為CEC DF95-03-TOTAL003批次的柴油，性能要求應(yīng)滿足CEC DF-95的質(zhì)量指標(biāo)。委托中國(guó)石油大連石油化工公司質(zhì)量環(huán)保監(jiān)測(cè)中心對(duì)參考燃料油樣品進(jìn)行6項(xiàng)指標(biāo)的檢驗(yàn)，實(shí)測(cè)值與CEC DF—95標(biāo)準(zhǔn)值的范圍見表2所示。

表2 燃料油的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值范圍

2 開機(jī)調(diào)試、試運(yùn)轉(zhuǎn)

所建臺(tái)架及系統(tǒng)組裝完畢后進(jìn)行檢查，在確保無誤后開始送電、送油及開機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)。試運(yùn)轉(zhuǎn)按照CEC L-93-04試驗(yàn)方法要求的磨合試驗(yàn)條件及正式試驗(yàn)條件在所建臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。其目的是考察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及儀表控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)控制的精確度。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)按照正式試驗(yàn)條件要求運(yùn)行，考察發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，煙度每小時(shí)記錄2次，其余各參數(shù)每小時(shí)記錄10次。試運(yùn)行結(jié)束后，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析、計(jì)算。按照CEC L-93-04試驗(yàn)方法要求的試驗(yàn)條件，在累計(jì)100 h以上考察發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，各參數(shù)均滿足試驗(yàn)要求，臺(tái)架運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

3 試驗(yàn)方法研究

3.1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟包括發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合程序和正式試驗(yàn)程序。

3.1.1磨合試驗(yàn)程序發(fā)動(dòng)機(jī)磨合試驗(yàn)前，將試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)與專為試驗(yàn)而改進(jìn)的車載電腦(ECU)連接。安裝新的機(jī)油濾清器，并向發(fā)動(dòng)機(jī)中加入(3 400±20)g試驗(yàn)機(jī)油。磨合程序共10 h(40個(gè)步驟，每個(gè)步驟15 min)，每?jī)蓚€(gè)階段之間的變化過程應(yīng)為30 s，并且包含在總時(shí)間中。在磨合工況結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)降至怠速。待主油道機(jī)油溫度降至(80±5)℃時(shí)，停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并且從油底殼放油15 min。發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合試驗(yàn)程序見表3。

3.1.2正式試驗(yàn)程序正式試驗(yàn)之前，安裝新的機(jī)油濾清器，并向發(fā)動(dòng)機(jī)中加入(4 200±20)g試驗(yàn)機(jī)油，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整包含兩部分，共20 min。

(1)熱機(jī)程序，共10 min，具體見表4。

(2)調(diào)整階段，共10 min。調(diào)整油門執(zhí)行器開度，使燃油流量為(11.8±0.2)kg/h?？刂七M(jìn)氣溫度為(35±5)℃(下同)?？刂婆艢獗硥褐?20±2)kPa。調(diào)整增壓壓力為(71±4)kPa，使煙度為(3.3±0.2)FSN。若需要，可調(diào)整增壓空氣壓力，以達(dá)到上述煙度?？刂圃鰤汉筮M(jìn)氣溫度在(120±2)℃。若增壓后進(jìn)氣溫度不正確，應(yīng)調(diào)整進(jìn)氣溫度。當(dāng)試驗(yàn)工況達(dá)到要求時(shí)，測(cè)量竄氣流量。若竄氣流量達(dá)到70 L/min以上時(shí)，則停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查原因。主要檢查真空泵吸氣管，確保完全封閉。調(diào)整階段結(jié)束后，以下參數(shù)應(yīng)在給定范圍內(nèi)：燃油流量(11.8±0.2)kg/h，煙度(3.3±0.2)FSN，增壓壓力(71±4)kPa，增壓后進(jìn)氣溫度(120±2)℃。調(diào)整階段結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)降到怠速。待主油道機(jī)油溫度降至(80±5)℃時(shí)，停機(jī)并且將油底殼中的機(jī)油放出15 min。在放油時(shí)不要松動(dòng)機(jī)油濾清器罩。加新機(jī)油，調(diào)整機(jī)油至(4 200±20)g，重新倒入發(fā)動(dòng)機(jī)中。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合試驗(yàn)程序

表4 熱機(jī)程序

正式試驗(yàn)共120 h，包括240個(gè)雙循環(huán)工況。試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，120 h的試驗(yàn)過程中不再補(bǔ)充任何機(jī)油。

在試驗(yàn)開始時(shí)或者非正常停機(jī)后，進(jìn)行熱機(jī)程序。熱機(jī)程序如下：在5 min內(nèi)，轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min，扭矩達(dá)到40(N·m)。使發(fā)動(dòng)機(jī)出口水溫和主油道機(jī)油溫度分別穩(wěn)定在100 ℃和120 ℃。進(jìn)行試驗(yàn)程序的階段1，如表5所示。

表5 試驗(yàn)程序

以上各參數(shù)每循環(huán)各階段記錄一次(煙度除外，煙度至少每小時(shí)記錄一次)，各階段記錄時(shí)間應(yīng)按照下述要求進(jìn)行。階段1：在階段最后30 s迅速記錄以上列出的參數(shù)值；階段2：在階段最后5 min內(nèi)，每分鐘記錄一次。記錄時(shí)取5次記錄的平均值。

3.1.3機(jī)油采樣分別在試驗(yàn)進(jìn)行0，24，48，72，96，120 h時(shí)采樣90 mL。無論在4 000 r/min還是怠速工況均可采樣。采樣前，在采樣口先放機(jī)油沖洗管路，放出的機(jī)油用容器裝好，然后再采樣。采樣之后，再將放出的機(jī)油倒回發(fā)動(dòng)機(jī)中。0 h樣品應(yīng)采于新機(jī)油油桶內(nèi)。

3.1.4試驗(yàn)結(jié)束試驗(yàn)結(jié)束，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)回到第一階段工況時(shí)，待主油道機(jī)油溫度下降到(80±5)℃后，將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整至怠速，接著停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并放機(jī)油15 min。在放油時(shí)，不應(yīng)該將機(jī)油濾清器罩?jǐn)Q開。稱量放出油的質(zhì)量，與采出的樣品質(zhì)量一同計(jì)算機(jī)油消耗量。

試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)在72 h內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)解體。機(jī)油樣品在1個(gè)月內(nèi)分析(參照CEC L-82-97和CEC L-83-97)。

3.2 試驗(yàn)評(píng)分

試驗(yàn)評(píng)分包括評(píng)定活塞環(huán)黏結(jié)、沉積物(活塞)和采樣分析。

3.2.1活塞環(huán)黏結(jié)拆解發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行評(píng)分。在拆解時(shí)要非常小心，避免影響活塞沉積物。發(fā)動(dòng)機(jī)拆解后，參照定義的活塞環(huán)的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)定。

3.2.2沉積物試驗(yàn)結(jié)束后，拆下活塞環(huán)，將活塞浸泡在190號(hào)溶劑油中，清洗干凈后，在空氣中干燥。參照CRC 20手冊(cè)中適用于輕負(fù)荷柴油機(jī)評(píng)分規(guī)程來評(píng)定規(guī)定的活塞區(qū)域。評(píng)分按照優(yōu)點(diǎn)評(píng)分法進(jìn)行。

3.2.3需評(píng)分的區(qū)域以下活塞區(qū)域需要被評(píng)分：第二環(huán)臺(tái)，第三環(huán)臺(tái)，第一環(huán)槽，第二環(huán)槽，第三環(huán)槽，活塞內(nèi)頂部。

3.3 機(jī)油分析

表6為機(jī)油樣品的分析方法和分析明細(xì)。

表6 機(jī)油樣品分析方法和分析明細(xì)

1)通過線性插值法計(jì)算獲得。

3.4 臺(tái)架標(biāo)定

3.4.1參比油臺(tái)架標(biāo)定用的參比油分別為CEC RL216和CEC RL223。參照CEC P-72-98參比機(jī)油手冊(cè)中或者通過瀏覽CEC網(wǎng)站www.tests.org都可以獲得CEC指定批號(hào)的參比油試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.4.2標(biāo)定的頻率每10次試驗(yàn)后，應(yīng)用RL223參比油進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。每30次試驗(yàn)后，應(yīng)用RL216參比油進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。至少每12個(gè)月用RL223參考油進(jìn)行一次標(biāo)定試驗(yàn)。每18個(gè)月用RL216參比油進(jìn)行一次標(biāo)定試驗(yàn)。兩種參比油試驗(yàn)需交替進(jìn)行，不需要連續(xù)進(jìn)行。

3.5 參比油標(biāo)定范圍

參比油RL216和RL223的標(biāo)定范圍見表7。

表7 參比油黏度增長(zhǎng)量和活塞清凈性評(píng)分的標(biāo)定范圍

3.6 參比油標(biāo)定試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，購買試驗(yàn)參比油RL216和RL233。分別進(jìn)行一次RL216和兩次RL233試驗(yàn)。

3.6.1參比油RL216標(biāo)定試驗(yàn)參比油RL216試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況見表8，試驗(yàn)結(jié)果見表9～表12。

表8 參比油RL216試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

表9 參比油RL216在不同試驗(yàn)時(shí)間下的黏度和煙炱含量

表10 參比油RL216的黏度增長(zhǎng)量、鐵含量和煙炱含量

3.6.2參比油RL233標(biāo)定試驗(yàn)對(duì)參比油RL233進(jìn)行了兩次標(biāo)定即重復(fù)性試驗(yàn)，其試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況見表13，試驗(yàn)結(jié)果見表14～表17。由表17可以看出，試驗(yàn)具有一定的重復(fù)性。

表11 參比油RL216試驗(yàn)的活塞環(huán)評(píng)分 分

表12 參比油RL216的活塞清凈性評(píng)分 分

表13 參比油RL233試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

表14 參比油RL233在不同試驗(yàn)時(shí)間下的黏度及煙炱含量

表15 參比油RL233的黏度增長(zhǎng)量、金屬含量、煙炱含量和活塞環(huán)評(píng)分

表16 參比油RL233的活塞清凈性評(píng)分 分

表17 參比油RL233的重復(fù)性

4 區(qū)分性試驗(yàn)

4.1 油品的選擇

在臺(tái)架標(biāo)定過程中，進(jìn)行了兩次區(qū)分性試驗(yàn)。油品編號(hào)為A和B。油品A為商品油，油品B為自主配方試驗(yàn)油。

4.2 區(qū)分性試驗(yàn)

油品A、油品B在新建臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見18。對(duì)兩種油品的黏度增長(zhǎng)量和活塞評(píng)分與參比油RL216進(jìn)行對(duì)比，由表18可以看出，試驗(yàn)有一定的區(qū)分性，黏度增長(zhǎng)量比較明顯。這反映出兩個(gè)油品對(duì)煙炱分散的不同能力，表明該試驗(yàn)?zāi)軌騾^(qū)分出油品的煙炱分散性能，滿足油品配方研發(fā)的要求。

表18 油品A、油品B與參比油RL216的黏度增長(zhǎng)量和活塞評(píng)分

5 結(jié) 論

(1)本臺(tái)架是依據(jù)CEC L-93-04(2.1版)試驗(yàn)方法建立的。建立的輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性臺(tái)架在運(yùn)行過程中平穩(wěn)可靠，臺(tái)架控制和輔助系統(tǒng)的運(yùn)行安全、可靠。

(2)參比油的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果滿足參比油標(biāo)定范圍。重復(fù)性和區(qū)分性試驗(yàn)表明該臺(tái)架試驗(yàn)具有一定的重復(fù)性和區(qū)分性。

(3)輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油中溫分散性臺(tái)架的建立及試驗(yàn)方法的研究，可以更好地為我國(guó)高檔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的研制、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供臺(tái)架試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)支持，為輕負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)體系的建立起到一定的推動(dòng)作用。