6萬km長壽命國Ⅵ重負(fù)荷燃?xì)鈾C(jī)油的應(yīng)用研究

崔軍 楊操 張先盛 史瑩飛

江蘇龍?bào)纯萍脊煞萦邢薰?/p>

面對(duì)汽車排放對(duì)大氣污染的日益嚴(yán)重，清潔燃料逐漸受到重視并大力推廣。使用氫氣、太陽能等雖然比較理想，但是到達(dá)實(shí)用階段仍舊需要很長的一段時(shí)間，清潔能源天然氣憑借排放污染低、資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)在商用車的普及步伐不斷加快，僅需對(duì)現(xiàn)有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)做局部改造即可應(yīng)用，因而有很大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是目前兼顧運(yùn)營與環(huán)保的理想代用燃料［1］。與石油基燃料相比，天然氣作為替代能源，顆粒物(particular matter，PM)排放可以減少約40% ，CO2排放減少約24%，HC（碳?xì)浠衔铮┡欧艤p少約72%，CO2排放減少約97%［2］。同時(shí)，相比國Ⅵ燃油重卡，國Ⅵ燃?xì)庵乜]有復(fù)雜的后處理系統(tǒng)，使用車用尿素溶液，擁有更低的后處理部件成本和燃料成本，后期使用故障也相對(duì)較少，能省去不少麻煩。尤其是在維修水平不高的區(qū)域，國Ⅵ燃?xì)庵乜ㄓ懈嗟膬?yōu)勢，今后將在相當(dāng)長的一段時(shí)間里廣泛推廣和使用。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式主要有兩種——點(diǎn)燃式和壓燃式。由于法規(guī)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式進(jìn)行了限制，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用點(diǎn)燃式工作方式。點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照混合氣濃度可以分為當(dāng)量燃燒和稀薄燃燒兩種方式，國Ⅵ重卡燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用當(dāng)量燃燒，更容易滿足國Ⅵ排放要求。根據(jù)國Ⅵ重卡燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，其對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：優(yōu)異的抗氧化性能、高溫清凈性、抗磨損性能、黏度保持能力及適宜的硫酸鹽灰分、硫、磷含量等［3］。目前國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的分類及標(biāo)準(zhǔn)，隨著天然氣技術(shù)的發(fā)展，越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)公司推出了自己的油品技術(shù)規(guī)范，其中最具有代表性的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)范有Cummins CES20074、Cummins CES20085、Cummins CES20092，其中Cummins CES 20092推薦用于當(dāng)量燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于國Ⅵ重卡。

目前市場上燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的換油里程普遍在20 000～40 000 km，我司開發(fā)了長壽命燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40，并在3輛國Ⅵ燃?xì)鉅恳嚿线M(jìn)行了60 000 km的行車試驗(yàn)應(yīng)用研究。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)油品

本次試驗(yàn)所用油品為長壽命燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40，滿足康明斯CES 20092技術(shù)規(guī)格要求，其典型理化數(shù)據(jù)見表1。

表1 長壽命燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40的主要理化數(shù)據(jù)

試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為3輛國Ⅵ燃?xì)鉅恳?，使用年限?～2年，試驗(yàn)車輛的相關(guān)信息見表2；試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)信息見表3。

表2 試驗(yàn)車輛的相關(guān)信息

表3 試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)信息

試驗(yàn)準(zhǔn)備、取樣及分析

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采集油樣在發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定工況下進(jìn)行，以確保樣品的代表性。試驗(yàn)開始前，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)下放出發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的舊油樣，然后將研制的長壽命燃?xì)鈾C(jī)油加至發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)尺中間位置怠速循環(huán)15 min后，將油品放出后排干凈，按照此步驟清洗2次，排干凈后更換機(jī)油濾清器、空氣濾清器，最后加注試驗(yàn)油樣至油標(biāo)尺中間位置開始行車試驗(yàn)。

行車試驗(yàn)過程中，為了確保實(shí)時(shí)了解油樣狀態(tài)，減少取樣數(shù)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果引起的偏差，確定取樣間隔分別為0 km、10 000 km、20 000 km、30 000 km、40 000 km、50 000 km、60 000 km，共計(jì)取7次樣，每次取樣100 mL對(duì)油品的相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)了解發(fā)動(dòng)機(jī)狀況。因天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)油國內(nèi)暫無相關(guān)的換油指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)參考GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中CH-4質(zhì)量等級(jí)柴油機(jī)油的換油指標(biāo)作為參考，見表4。

表4 GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》

主要分析指標(biāo)為常規(guī)理化指標(biāo)分析、紅外光譜和金屬元素含量三個(gè)方面，其中，常規(guī)理化指標(biāo)主要包括油品的 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、酸值、水分及正戊烷不溶物；紅外指標(biāo)分析包括氧化值、硝化值；金屬含量分析包括磨損金屬元素Fe、Cu、Al等以及污染元素Si的分析［4］。

結(jié)果分析與討論

經(jīng)過4個(gè)月的行車試驗(yàn)，3輛試驗(yàn)車輛分別經(jīng)過60 000 km行駛里程，實(shí)車驗(yàn)證了長換油里程燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40的性能，具體測試分析結(jié)果如下。

100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化

黏度是潤滑油最重要的質(zhì)量指標(biāo)，因?yàn)樗菨櫥头诸?、分?jí)、質(zhì)量評(píng)定的基礎(chǔ)指標(biāo)，同時(shí)也是設(shè)備潤滑中潤滑油選用、代用和更換的基礎(chǔ)參數(shù)。黏度越小，油膜強(qiáng)度越弱，在摩擦副表面形成邊界摩擦或干摩擦，從而加速磨損。一般發(fā)動(dòng)機(jī)的黏度下降主要是來自于潤滑油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑剪切或者燃油稀釋原因造成的；黏度越大，油膜強(qiáng)度越高，流動(dòng)性、滲透性和散熱性越差，內(nèi)摩擦力加大，功損耗較大，也同樣造成磨損加劇。發(fā)動(dòng)機(jī)油的黏度上升主要由于油品使用過程中與空氣接觸逐漸氧化，產(chǎn)生酸性物質(zhì)、膠質(zhì)、以及發(fā)動(dòng)機(jī)磨損產(chǎn)生的金屬顆粒等引起。試驗(yàn)油 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢見圖1。

圖1 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢

從圖1可以看出，油品運(yùn)動(dòng)黏度在行車試驗(yàn)前期油品明顯下降，主要由于油品中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑受剪切后，造成黏度下降；在試驗(yàn)整個(gè)過程中黏度緩慢下降，黏度保持能力較好。油樣黏度變化均在換油指標(biāo)內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)過高或者過低現(xiàn)象。

酸值和堿值變化情況

堿值變化主要和所用的燃料油的含硫量及油品使用過程中氧化變質(zhì)有關(guān)，反映了油品抑制氧化和中和酸性物質(zhì)能力的強(qiáng)弱，堿值下降到一定程度，油品失去了中和酸性物質(zhì)的能力，會(huì)引起油泥增多，發(fā)動(dòng)機(jī)部件有可能產(chǎn)生腐蝕、磨損等現(xiàn)象。酸值主要監(jiān)測油品中某些功能劑的消耗情況及油品的老化程度。酸值的增加主要來自油品高溫氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和燃料燃燒生成的酸性物質(zhì)。酸值增值過大，說明油品產(chǎn)生了大量的酸性物質(zhì)，會(huì)促進(jìn)變質(zhì)，生成油泥，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成一定程度的機(jī)械腐蝕，同時(shí)在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品的老化狀況，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。試驗(yàn)油堿值和酸值變化趨勢見圖2和圖3。

圖2 堿值的變化趨勢

圖3 酸值的變化趨勢

從圖2、圖3的油品堿值和酸值變化情況來看，油品的堿值保持較高的數(shù)值，酸值在較低的數(shù)值，均未超過換油指標(biāo)，說明油品在行駛60 000 km后仍然具有較好的抗氧化性能及堿值保持能力。

水分含量

水的存在對(duì)潤滑油的質(zhì)量和使用性能來說是致命的。當(dāng)溫度降低時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致潤滑油的流動(dòng)性能和黏溫性能變差，并會(huì)堵塞油路和濾清器；當(dāng)溫度升高時(shí)，水會(huì)汽化而導(dǎo)致油路產(chǎn)生氣阻，同時(shí)還會(huì)使油品乳化，破壞油膜，使?jié)櫥Ч档?。另外水的存在還會(huì)加劇油品的氧化，增加油泥，加快有機(jī)酸對(duì)設(shè)備部件的腐蝕，使添加劑水解而失去功效。試驗(yàn)油的水分變化趨勢見圖4。

圖4 水分的變化趨勢

從圖4的數(shù)據(jù)可以看出，3輛車中，水分最高的也未超過0.03%，在換油指標(biāo)內(nèi)，油品的水分含量在整個(gè)行程試驗(yàn)過程中一直保持在比較低的水平。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物主要是指磨損金屬、分層雜質(zhì)、積炭固體物質(zhì)以及油品裂解和降解所產(chǎn)生的膠狀物質(zhì)。試驗(yàn)油正戊烷不溶物變化趨勢見圖5。

圖5 正戊烷不溶物變化趨勢

從圖5的正戊烷不溶物變化趨勢來看，數(shù)值最大為0.14%，遠(yuǎn)低于換油指標(biāo)（＞2.0%），說明油品內(nèi)的相關(guān)氧化產(chǎn)物、雜質(zhì)、磨損金屬含量保持在一個(gè)比較低的狀態(tài)，表明了油品的老化程度和污染程度均較低。

氧化和硝化

氧化是潤滑油的成分與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成醛、酮和羧酸等氧化產(chǎn)物的過程，高溫、高壓、水分都會(huì)加快液的氧化速率。硝化是在高溫缺氧的條件下的一種高溫凝聚過程，會(huì)使油液黏度增高，也是油泥和漆膜生成的重要原因之一。試驗(yàn)油氧化值和硝化值變化趨勢見圖6和圖7。

圖6 氧化值變化趨勢

圖7 硝化值變化趨勢

從圖6、圖7的氧化值和硝化值的變化趨勢來看，整個(gè)行車試驗(yàn)過程中，油品的氧化值、硝化值隨著行駛里程在緩慢上升，但保持在較低水平。目前國內(nèi)還沒有針對(duì)氧化、硝化的換油指標(biāo)，參考結(jié)合其他理化指標(biāo)判斷，油品有著較好的抗氧化、硝化能力。

磨損金屬含量

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，摩擦副直接相互作用產(chǎn)生一系列磨損，對(duì)于金屬元素，一般鐵元素主要來源于缸套、活塞環(huán)、凸輪、齒輪等零部件的異常磨損；銅元素主要來源于曲軸瓦、連桿瓦及有關(guān)襯套的異常磨損；鋁元素主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、滑動(dòng)軸承等部件。試驗(yàn)油鐵、銅、鋁變化趨勢分別見圖8、圖9、圖10。

圖8 鐵含量變化趨勢

圖9 銅含量變化趨勢

圖10 鋁含量變化趨勢

從圖8鐵含量變化趨勢來看，晉J H1056車輛變化較大，達(dá)到60 mg/kg，仍在換油指標(biāo)（＞150 mg/kg）內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損處在低水平狀態(tài)；圖9、圖10的銅、鋁變化趨勢參考換油標(biāo)準(zhǔn)均在換油指標(biāo)（Cu＞50 mg/kg；Al＞30 mg/kg）內(nèi)。整個(gè)行車試驗(yàn)過程中金屬磨損數(shù)據(jù)呈規(guī)律性并保持在較低的數(shù)值，說明試驗(yàn)油具有良好的抗磨和潤滑性能。

污染元素

潤滑油中的Si元素的上升，主要與砂蝕、塵土以及外界異物產(chǎn)生的磨損有關(guān)，在用油中硅元素含量與車輛的行駛環(huán)境和空氣濾清器的工作狀態(tài)有較大關(guān)系，環(huán)境惡劣或者空氣濾清器的工作狀態(tài)不正常，對(duì)油品中的硅元素有較大影響。試驗(yàn)機(jī)油硅元素變化趨勢見圖11。

圖11 硅含量變化趨勢

從圖11硅含量變化趨勢來看，硅元素含量整個(gè)過程中保持在低水平，未超出換油指標(biāo)（＞30 mg/kg），說明行車試驗(yàn)過程中行駛環(huán)境較好，空氣濾清器工作正常。

結(jié)論

☆從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，滿足CES 20092規(guī)格的長壽命燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40在整個(gè)試驗(yàn)過程中，其換油理化指標(biāo)均未超出換油指標(biāo)要求，可以滿足國Ⅵ燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)牽引車在高速、城市道路的潤滑要求；

☆行車試驗(yàn)結(jié)果還表明，長壽命燃?xì)鈾C(jī)油贈(zèng)程R6 10W-40具有優(yōu)異的黏度保持能力、抗氧化、抗硝化、抗磨損性能，可以實(shí)現(xiàn)60 000 km長換油里程要求。