延長發(fā)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(fā)動機的換油周期與發(fā)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(jù)發(fā)動機廠商推薦的換油周期更換潤滑油。發(fā)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(fā)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(huán)保和節(jié)能的要求，尤其是對大缸徑發(fā)動機來說。大缸徑發(fā)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(jù)檢測結果合理地制定發(fā)動機換油周期，既能確保發(fā)動機的可靠性，又能實現(xiàn)按質換油[1-2]。

本試驗依據(jù)某大缸徑發(fā)動機電站，隨機選取9臺發(fā)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(fā)動機使用過程中的質量衰變，科學合理地延長發(fā)動機換油周期[3-4]。

1 試驗概況

1.1 試驗發(fā)動機及試驗用油(見表1)

表1 試驗發(fā)動機信息

表1(續(xù))

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(fā)動機廠商大缸徑柴油機換油指標企業(yè)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(fā)動機要求

(1)發(fā)動機完成首次保養(yǎng)，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(fā)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(fā)動機怠速運轉15 min達到暖機；

b)空擋加油門將發(fā)動機由怠速加至高轉速以上，重復5～10次；

c)使發(fā)動機怠速運轉5 min；

d)停機，發(fā)動機冷卻5 min之后將潤滑油完全放干凈。

(3)0 h取樣。

發(fā)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(fā)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(fā)動機廠商規(guī)定發(fā)動機潤滑油更換周期為500 h，本次試驗計劃監(jiān)測至1000 h，觀察發(fā)動機潤滑油表現(xiàn)，確定合適的換油周期。

對選取的9臺發(fā)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(shù)據(jù)進行對比分析。

根據(jù)前期油品檢測結果，若經(jīng)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(jīng)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(yōu)換油周期。以油液實際檢測結果作為評價換油周期依據(jù)[5]。

1.5 取樣要求

(1)應在發(fā)動機停止運行后10 min內取樣，保證發(fā)動機油溫高于60 ℃。如果達不到規(guī)定溫度，則先運行發(fā)動機至少15 min令潤滑油循環(huán)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(fā)動機編號；

b)取樣日期；

c)發(fā)動機運行時間；

d)潤滑油運行時間。

(6)若試驗過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)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(shù)量以及補加油液時發(fā)動機及潤滑油運行時間。

2 發(fā)動機潤滑油質量衰減分析

通過檢測發(fā)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(fā)動機潤滑油的質量衰減狀態(tài)[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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)控，以確保發(fā)動機運轉正常[9]。

試驗發(fā)動機經(jīng)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(fā)動機潤滑油黏度均處于下降趨勢，黏度下降與黏度指數(shù)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(fā)動機經(jīng)1000 h運行試驗后，其中7臺發(fā)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(fā)動機提供潤滑保護；另外兩臺發(fā)動機(1號及4號發(fā)動機)100 ℃運動黏度變化率超過了換油指標要求，黏度指數(shù)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(fā)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(fā)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(xù)不斷地對發(fā)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(fā)動機部件也有可能產生腐蝕、磨損等現(xiàn)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(fā)動機造成腐蝕，對發(fā)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(fā)動機運轉正常。

試驗發(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)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(fā)動機潤滑油酸值均處于上升態(tài)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(fā)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(yōu)良的酸性中和能力，潤滑油氧化變質程度較低，發(fā)動機燃燒狀態(tài)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(fā)動機潤滑油污染。柴油潤滑油中如果出現(xiàn)燃油稀釋的現(xiàn)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(fā)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(fā)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?。恍孤兜娜加蜁_刷汽缸壁上的潤滑油，加速活塞環(huán)、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(jiān)控燃油稀釋情況對評估潤滑油的工作狀態(tài)十分必要。

試驗發(fā)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(fā)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(wěn)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(fā)動機潤滑油閃點值均在許用范圍，說明發(fā)動機運行狀態(tài)良好，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，燃油稀釋情況在可控范圍以內，潤滑油性能穩(wěn)定。

2.4 水分含量

發(fā)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(jiān)控潤滑油中的水分含量是在用油檢測中必不可少的一環(huán)。

試驗發(fā)動機經(jīng)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(fā)動機經(jīng)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(fā)動機運行狀態(tài)良好，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，且未發(fā)生冷卻液泄漏等問題，潤滑油性能穩(wěn)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(fā)動機磨損情況，判斷潤滑油能否為發(fā)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(xiàn)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(tài)[15]。

試驗發(fā)動機經(jīng)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(fā)動機在1000 h運行試驗中，各磨損金屬元素含量處于平穩(wěn)上升趨勢，未發(fā)生明顯突變，且均未到達換油指標規(guī)定限值，表明潤滑油具有優(yōu)良的抗磨性能，發(fā)動機運行狀態(tài)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(fā)動機運行在環(huán)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(fā)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(fā)動機零部件的異常磨損。

試驗發(fā)動機經(jīng)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(wěn)，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(guī)定限值，表明發(fā)動機空濾可對吸入空氣起到充足的過濾作用，保證發(fā)動機不因吸入空氣質量差而發(fā)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(yōu)秀的抗磨性能，發(fā)動機運轉良好，未發(fā)生異常磨損。

3 結論

根據(jù)發(fā)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(fā)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(fā)動機提供全面的潤滑保護。其余7臺發(fā)動機潤滑油在1000 h運行試驗中均表現(xiàn)良好，油樣檢測指標均正常，可為發(fā)動機提供充足的潤滑保護。

(2)根據(jù)檢測分析結果，試驗發(fā)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(fā)動機電站已按800 h換油周期運行16000 h，發(fā)動機運行狀態(tài)良好，未發(fā)生任何異常。

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