采用CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)價(jià)柴油機(jī)油煙炱引起的黏度增長(zhǎng)性能

王爭(zhēng)勝，馮振文，張瑩，茍春江，王詩(shī)卓

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060；2.北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引言

隨著國(guó)家排放法規(guī)污染物指標(biāo)的不斷提高，重負(fù)荷柴油機(jī)制造商不斷地采用新技術(shù)以滿足排放法規(guī)的要求，節(jié)能環(huán)保內(nèi)燃機(jī)油成為當(dāng)今潤(rùn)滑油發(fā)展的趨勢(shì)。隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的變化，特別是EGR(廢氣再循環(huán))系統(tǒng)的引入加速了油品使用過(guò)程中煙炱生成的速度，在CI-4規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)中廢氣循環(huán)率為10%～15%，而在CJ-4規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)率為15%～35%，廢氣循環(huán)率的提高使燃燒氣體中的酸性物質(zhì)進(jìn)一步增加，從而引發(fā)一系列的問(wèn)題。

北美在API柴油機(jī)油規(guī)格中使用Mack T-11來(lái)評(píng)價(jià)API CJ-4、CK-4、FA-4規(guī)格的柴油機(jī)油煙炱聚集狀態(tài)下黏度增長(zhǎng)性能，規(guī)定試驗(yàn)燃料為硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.03%～0.05% 0#輕柴油。

一般而言，硫含量的高低對(duì)煙炱生成量并無(wú)明顯影響，對(duì)黏度的增長(zhǎng)有一定影響，而高硫柴油試驗(yàn)中油品的黏度增長(zhǎng)速率更快(1)。

高檔柴油機(jī)油研發(fā)、復(fù)合劑配方優(yōu)化和高性能無(wú)灰分散性添加劑合成等科研項(xiàng)目，需要進(jìn)行板式成焦器、油泥分散、煙炱分散、煙炱磨損等一系列的模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)，但由于模擬試驗(yàn)本身的局限性和與臺(tái)架試驗(yàn)之間存在或多或少的差異，并不能確保篩選的方案一次性通過(guò)Mack T-11發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，因此需要一種更為有效的模擬評(píng)定手段進(jìn)行Mack T-11發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)油品的篩選；本研究是基于一款國(guó)內(nèi)典型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)建立起來(lái)的模擬臺(tái)架評(píng)定方法，與Mack T-11發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)具有很好的相關(guān)性，篩選出的方案能夠高效地通過(guò)Mack T-11煙炱分散性發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定。

一次標(biāo)準(zhǔn)的Mack T-11臺(tái)架的試驗(yàn)時(shí)間需要252 h，每次使用燃油大約17 t，試驗(yàn)費(fèi)用大約為50萬(wàn)元，而CA 6DL 2-35臺(tái)架每次試驗(yàn)只需要120 h，每次使用燃油大約6 t，CA 6DL 2-35試驗(yàn)費(fèi)用為大約10萬(wàn)元，大大地縮短了試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)成本。

1 試驗(yàn)部分

1.1 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺(tái)架采用一汽解放汽車有限公司無(wú)錫柴油機(jī)廠生產(chǎn)的“CA 6DL 2-35”型柴油機(jī)，為直列、六缸、渦輪增壓、空-空中冷、高壓噴射柴油泵和每缸四氣門設(shè)計(jì)；其額定功率/轉(zhuǎn)速為258 kW/2100 r/min、最大扭矩/轉(zhuǎn)速為1450 N·m/1300～1500 r/min。 發(fā)動(dòng)機(jī)出廠設(shè)定的噴油提前角為26°，具有大功率、低排放、低成本、低油耗、長(zhǎng)壽命、低噪音等特點(diǎn)。

試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)在CA 6DL 2-35試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，EGR系統(tǒng)的改裝使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況惡化，促使煙炱的生成量增加。由于煙炱的聚集作用，使油品黏度急劇增大影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)潤(rùn)滑油的煙炱分散性能提出了更高的要求。參照 ASTM D7156-2016方法文本“用Mack T-11廢氣再循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)柴油機(jī)油性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”的試驗(yàn)程序、條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立CA 6DL 2-35相應(yīng)的試驗(yàn)程序；實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)控制條件的摸底試驗(yàn)，確認(rèn)設(shè)備的安全運(yùn)行狀況和可靠性評(píng)估，通過(guò)控制過(guò)量供油及局部改變參數(shù)，可以獲得不同的煙炱含量；試驗(yàn)廢油分析數(shù)據(jù)結(jié)果表明，同樣百分含量的煙炱(6%)，CA 6DL 2-35模擬Mack T-11試驗(yàn)方法機(jī)油黏度變化明顯苛刻，機(jī)油的黏度變化和Mack T-11的試驗(yàn)結(jié)果趨于一致。同步也確定了CA 6DL 2-35臺(tái)架試驗(yàn)的正式試驗(yàn)條件，見(jiàn)表1。

表1 CA 6DL 2-35臺(tái)架正式試驗(yàn)操作條件與Mack T-11試驗(yàn)條件對(duì)比

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)在連續(xù)全負(fù)荷工況運(yùn)行120 h，試驗(yàn)期間不換油，每間隔12 h取樣一次，每次取樣200 mL，監(jiān)測(cè)油品的指標(biāo)變化，分析項(xiàng)目包括TGA(熱重法)煙炱含量(SH/T 0607-2005)、100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度(GB/T 11137-1989)、酸值(GB/T 7304-2000)、堿值(SH/T 0688-2000)、金屬元素含量分析(銅、鉛、鐵、鉻、鋁)(GB/T 17476-1998)、戊烷不溶物(GB/T 8926 -1988)等。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)價(jià)柴油機(jī)油中煙炱引起的黏度增長(zhǎng),在黏度增長(zhǎng)達(dá)到12 mm2/s時(shí)的煙炱含量不得小于6.0%作為試驗(yàn)結(jié)果判定依據(jù)。

1.3 試驗(yàn)燃料油

因?yàn)樵谧鰸?rùn)滑油臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率選擇在額定功率和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，燃料油質(zhì)量會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出以及發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性；為保證燃料油的穩(wěn)定性，排除不同批次之間差異性帶來(lái)的影響同時(shí)考慮到試驗(yàn)機(jī)使用指標(biāo)要求，CA 6DL 2-35臺(tái)架試驗(yàn)方法參照 ASTM D7156-2016試驗(yàn)方法的要求，規(guī)定試驗(yàn)燃料為硫含量0.03%～0.05% 0#輕柴油。質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 CA 6DL 2-35臺(tái)架試驗(yàn)燃油規(guī)格

表2(續(xù))

表2(續(xù))

1.4 試驗(yàn)潤(rùn)滑油

為考察Mack T-11與CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)的煙炱引起黏度增長(zhǎng)的相關(guān)性，并找出兩個(gè)臺(tái)架之間的差異性，本試驗(yàn)使用Mack T-11臺(tái)架的參比油與Mack T-8臺(tái)架參比油，在CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)油主要理化分析指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)油主要理化分析指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)性試驗(yàn)考察

為考查CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的重復(fù)性，試驗(yàn)選用Mack T-11臺(tái)架的試驗(yàn)參比油進(jìn)行了2次重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，并選取Mack T-11標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架的標(biāo)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CA 6DL 2-35模擬Mack T-11方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖1，確定模擬Mack T-11臺(tái)架與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架結(jié)果的一致性；選用Mack T-8E臺(tái)架參比油進(jìn)行不通過(guò)油的二次重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)確定的CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)操作條件和試驗(yàn)程序，在120 h全負(fù)荷工況運(yùn)行過(guò)程中，采用每12 h間隔取樣，對(duì)所取油樣測(cè)定煙炱含量和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度。通過(guò)考察發(fā)動(dòng)機(jī)煙炱含量的變化與機(jī)油黏度增長(zhǎng)情況，來(lái)判斷CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的重復(fù)性。

Mack T-11臺(tái)架參比油標(biāo)機(jī)試驗(yàn)其黏度增長(zhǎng)值12.0 mm2/s時(shí)，煙炱量生成經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21%，重復(fù)性結(jié)果為煙炱含量不大于0.59%。從圖1、圖2可以看出CA 6DL 2-35試驗(yàn)?zāi)芎芎玫乜刂茻熿频男纬珊彤a(chǎn)生，統(tǒng)計(jì)計(jì)算2個(gè)樣品的重復(fù)性結(jié)果之差分別為煙炱含量0.3%和0.2%，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 Mack T-11參比油在CA 6DL 2-35臺(tái)架上的重復(fù)試驗(yàn)

圖2 Bulldog參比油在CA 6DL 2-35臺(tái)架的重復(fù)性試驗(yàn)

表4 試驗(yàn)方法重復(fù)性驗(yàn)證結(jié)果

由圖1、圖2可知，采用Mack T-11臺(tái)架參比油、Mack T-8E臺(tái)架參比油在建立的CA 6DL 2-35試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)和重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，兩者的煙炱生成和黏度增長(zhǎng)趨于一致，重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)油品性能穩(wěn)定，臺(tái)架試驗(yàn)重復(fù)性良好。

2.2 CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)分性試驗(yàn)考察

選取2種不同級(jí)別的參比油,一種為Mack T-8E臺(tái)架參比油(CI-4/Bulldog油品)，典型的CI-4級(jí)別柴機(jī)油通過(guò)油品，煙炱分散性能優(yōu)異；另一種選取Mack T-11臺(tái)架參比油，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，煙炱分散性能達(dá)到CJ-4級(jí)別柴機(jī)油的水平。兩種不同規(guī)格柴油機(jī)油進(jìn)行CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)區(qū)分性。試驗(yàn)后以試驗(yàn)油不同煙炱含量時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度增長(zhǎng)進(jìn)行煙炱分散性區(qū)分，見(jiàn)圖3、圖4?？梢钥闯觯瑢?duì)所選的二種柴油機(jī)油CI-4油和CJ-4油，油品在其6%以上高煙炱含量下的黏度增長(zhǎng)方面具有較好的區(qū)分性。

圖3 兩種不同油品的區(qū)分性試驗(yàn)

圖4 區(qū)分性試驗(yàn)結(jié)果與通過(guò)指標(biāo)

由圖3、圖4可知，通過(guò)兩種不同質(zhì)量級(jí)別的油品考察發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)分性，CA 6DL 2-35臺(tái)架表現(xiàn)出優(yōu)異的區(qū)分性性能。

CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)在同類的煙炱性能臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)中，煙炱的產(chǎn)生和控制情況比較理想，表明臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)芎芎玫乜刂茻熿频男纬珊彤a(chǎn)生，從而真實(shí)地對(duì)不同質(zhì)量級(jí)別不同配方體系油品的抗煙炱分散性能進(jìn)行區(qū)分。在重復(fù)性試驗(yàn)中，參比油性能表現(xiàn)比較穩(wěn)定，表現(xiàn)在油品黏度的變化趨勢(shì)一致，沒(méi)有大的偏差，說(shuō)明CA 6DL 2-35臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)地反應(yīng)油品的使用性能，可以作為柴油機(jī)油煙炱性能評(píng)價(jià)的臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)方法。該臺(tái)架試驗(yàn)具有較好的重復(fù)性和區(qū)分性；試驗(yàn)通過(guò)指標(biāo)采用Mack T-11通過(guò)指標(biāo)。

2.3 CA 6DL 2-35臺(tái)架應(yīng)用性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架建立后，結(jié)合科研研發(fā)的實(shí)際需求，進(jìn)行多次油品的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)和新配方的篩選評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在120 h試驗(yàn)周期內(nèi)，多次試驗(yàn)的煙炱生成在6.8%～7.5%的范圍內(nèi)，見(jiàn)圖5；對(duì)同級(jí)別油品在定量煙炱含量條件下，試驗(yàn)油的黏度變化趨勢(shì)一致，見(jiàn)圖6。對(duì)應(yīng)Mack T-11臺(tái)架通過(guò)油、失敗油黏度變化有明顯的區(qū)分，見(jiàn)圖7；同時(shí)，根據(jù)內(nèi)部油品配方調(diào)整和煙炱分散性添加劑的合成進(jìn)行一系列的篩選評(píng)價(jià)工作，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8，試驗(yàn)篩選評(píng)價(jià)可應(yīng)用于配方研發(fā)、OEM認(rèn)證、添加劑合成研究，具有較好的應(yīng)用前景。

圖5 CA 6DL 2-35臺(tái)架煙炱生成量的生成情況

圖6 Mack T-11臺(tái)架通過(guò)油品在CA 6DL 2-35臺(tái)架上的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同級(jí)別油品在CA 6DL2-35臺(tái)架上的黏度變化

圖8 煙炱分散性添加劑的合成及評(píng)價(jià)過(guò)程

3 結(jié)論

(1)利用CA 6DL 2-35發(fā)動(dòng)機(jī)建立的柴油機(jī)油臺(tái)架及所選用的試驗(yàn)工況，適用于評(píng)價(jià)重負(fù)荷柴油機(jī)油煙炱聚集狀態(tài)下黏度增長(zhǎng)性能，與Mack T-11臺(tái)架相比，具有較好的相關(guān)性，且重復(fù)性、區(qū)分性良好。

(2)從油品開(kāi)發(fā)角度來(lái)講，CA 6DL 2-35臺(tái)架試驗(yàn)周期短，成本費(fèi)用較低，可作為Mack T-11臺(tái)架的篩選手段，從經(jīng)濟(jì)性看，投入科研評(píng)定，可降低成本費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性明顯。