CI-4 15W-40柴油機(jī)油在城市輕卡上的應(yīng)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(huán)(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(fā)動機(jī)新技術(shù)普遍應(yīng)用，對發(fā)動機(jī)油性能提出了更高的要求，推動了發(fā)動機(jī)油質(zhì)量等級不斷發(fā)展[1-3]。在世界普遍采用的API發(fā)動機(jī)油質(zhì)量規(guī)格體系中，柴油機(jī)油的質(zhì)量級別已經(jīng)發(fā)展到了API CK-4/FA-4[4]。但在國內(nèi)柴油機(jī)油的應(yīng)用市場上，API CH-4、API CI-4級別較高的油品仍然占據(jù)較大比例，且API CI-4規(guī)格油品可滿足國IV和采用非DPF技術(shù)的國V排放發(fā)動機(jī)的潤滑要求，其市場占有率呈現(xiàn)不斷快速上升的趨勢，并將占據(jù)市場主流。

此外，隨著電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，城市化水平不斷提升，城市對電商、物流行業(yè)的配送需求急劇上升，輕卡已成為主要以市區(qū)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(yīng)對在市區(qū)和城郊道路運(yùn)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(wù)過程中，了解到國內(nèi)大多數(shù)輕卡車輛的換油保養(yǎng)周期較短，普遍在1萬多公里，隨著運(yùn)輸效率要求的提升，輕卡用戶對于延長換油周期有強(qiáng)烈的需求。

目前，國內(nèi)城市輕卡基本上為國IV和采用非DPF技術(shù)的國V排放車輛，考慮到API CI-4柴油機(jī)油規(guī)格油品將占柴油機(jī)油市場主流的發(fā)展趨勢，開展CI-4柴油機(jī)油規(guī)格油品在城市輕卡上的應(yīng)用研究，對提高車輛運(yùn)營效率，降低車輛維護(hù)成本，具有十分重要的實(shí)際意義。

1 API CI-4柴油機(jī)油的性能要求

為滿足2004年高速公路廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)和柴油機(jī)采用EGR、延遲噴射等新技術(shù)的潤滑要求，美國于2002年發(fā)布了API CI-4柴油機(jī)油規(guī)格，該規(guī)格主要適用于高速四沖程柴油機(jī)，如環(huán)保型大功率客、貨車柴油機(jī)[6]。API CI-4規(guī)格柴油機(jī)油的臺架試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求[7]如表1。

表1 API CI-4柴油機(jī)油的臺架試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

表1(續(xù))

表1(續(xù))

從臺架試驗(yàn)技術(shù)要求可以看出，API CI-4規(guī)格的柴油機(jī)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(yōu)于CH-4規(guī)格油品，如圖1。

圖1 CI-4與CH-4性能對比

此外，API CI-4規(guī)格柴油機(jī)油在閥系磨損保護(hù)、抗油泥、防止過濾器堵塞、機(jī)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(jī)油的研制

為滿足物流車輛苛刻的潤滑要求，精選具有優(yōu)異抗氧化性能的高黏度指數(shù)加氫基礎(chǔ)油，加以高性能的抗氧劑、分散劑、清凈劑和黏度指數(shù)改進(jìn)劑等功能添加劑，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝調(diào)制而成的CI-4 15W-40柴油機(jī)油，通過嚴(yán)格的Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、Caterpillar 1P、Caterpillar 1K、MS程序ⅢF等發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，油品質(zhì)量滿足API CI-4柴油機(jī)油規(guī)格要求。CI-4 15W-40 柴油機(jī)油典型數(shù)據(jù)見表2。

表2 CI-4 15W-40 柴油機(jī)油實(shí)測數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

3 CI-4 15W-40柴油機(jī)油的應(yīng)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(qū)和城郊道路工況條件下，考察研究CI-4 15W-40柴油機(jī)油的應(yīng)用性能，車輛發(fā)動機(jī)為國IV發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

表3(續(xù))

CI-4 15W-40柴油機(jī)油的道路試驗(yàn)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(jìn)行檢測分析，檢測項(xiàng)目包括機(jī)油理化指標(biāo)、紅外光譜和磨損元素三個方面，其中機(jī)油的理化指標(biāo)主要包括運(yùn)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(yàn)結(jié)果如下。

3.1 100 ℃運(yùn)動黏度

在機(jī)油的使用過程中，運(yùn)動黏度是監(jiān)控的基本指標(biāo)，也是影響發(fā)動機(jī)潤滑性的重要指標(biāo)之一。影響發(fā)動機(jī)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(jī)械剪切、蒸發(fā)、氧化變稠、燃油稀釋等[8]。發(fā)動機(jī)油黏度的變化基本可以反映油品衰變程度、黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切、熱裂解變化情況。100 ℃運(yùn)動黏度的變化情況如圖2。

圖2 100 ℃運(yùn)動黏度變化趨勢

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

3.2 堿值

在機(jī)油的使用過程中，堿性添加劑會被不斷的消耗，機(jī)油的堿值會逐漸下降，當(dāng)堿值下降到一定程度時，機(jī)油就會失去中和酸性物質(zhì)的能力，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)有可能會產(chǎn)生酸性腐蝕和磨損，一般要求在用油機(jī)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(yàn)過程中，機(jī)油的堿值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其原因是機(jī)油高溫氧化而產(chǎn)生酸性物質(zhì)和柴油燃燒生成的酸性物質(zhì)，使得油品的堿值逐步下降，但未超出換油指標(biāo)要求的50%，符合發(fā)動機(jī)油在使用過程中堿值下降的變化規(guī)律，說明CI-4 15W-40柴油機(jī)油具有優(yōu)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(zhì)[9]。隨著油品氧化程度增加，產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì)，使油品酸值增加，較大量的酸性物質(zhì)對設(shè)備造成一定程度的腐蝕，并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)動機(jī)正常運(yùn)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(yàn)機(jī)油的酸值呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，但在整個試驗(yàn)過程中，油品的酸值不大說明CI-4 15W-40柴油機(jī)油具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能。

3.4 水分

在用機(jī)油中的水分與發(fā)動機(jī)技術(shù)條件、車輛工況和車輛使用環(huán)境的濕度有較大關(guān)系，其來源主要是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生冷凝、曲軸箱或潤滑油箱通風(fēng)不足以及雨水侵入廢氣系統(tǒng)等[10]。當(dāng)油品中水分較少時，由于發(fā)動機(jī)工作溫度較高，因此極少量的水有可能被蒸發(fā)，對發(fā)動機(jī)危害不大；但隨著機(jī)油中水分的增加，機(jī)油中水分會破壞油膜形成及其強(qiáng)度，并導(dǎo)致添加劑因水解而失效。另外，較大的水分含量會引起機(jī)油乳化變質(zhì)，導(dǎo)致油泥增多，機(jī)油潤滑性能下降，加劇發(fā)動機(jī)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(yàn)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(jī)油沒有受到水分的乳化污染，機(jī)油在發(fā)動機(jī)摩擦副之間形成的有效油膜強(qiáng)度良好，可以為發(fā)動機(jī)提供有效的潤滑保護(hù)。

3.5 不溶物

正戊烷不溶物是反映機(jī)油容納污染物能力的一個指標(biāo)，當(dāng)在用機(jī)油的正戊烷不溶物含量達(dá)到一定值后，會導(dǎo)致機(jī)油黏度增大、流動性變差。此外，機(jī)油中正戊烷不溶物的聚集成團(tuán)會堵塞機(jī)油過濾網(wǎng)和油道，造成發(fā)動機(jī)供油不暢而發(fā)生機(jī)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(yàn)過程中，油品的正戊烷不溶物含量不高，未達(dá)警示值，說明CI-4 15W-40柴油機(jī)油在正常的車輛行駛條件下生產(chǎn)的油泥少，油品具有很好的抑制氧化產(chǎn)物生成的能力，具有優(yōu)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(fā)動機(jī)油的氧化值、硝化值可以反映出試驗(yàn)油品被氧化、硝化及受污染的程度。我國目前還沒有關(guān)于利用紅外光譜法監(jiān)控在用機(jī)油的氧化值、硝化值的極限規(guī)定，一般柴油機(jī)油的氧化值和硝化值的警示值為0.25 ABS/0.1 mm[11]，當(dāng)達(dá)到或超過此警示值時，則表明在用機(jī)油的氧化衰變情況達(dá)到了一定程度，應(yīng)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(jī)油中不斷被氧化、硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢。但在整個行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)油的氧化值、硝化值一直處于較低水平，沒有達(dá)到警示值，說明CI-4 15W-40柴油機(jī)油具有優(yōu)異的高溫抗氧化和抗硝化性能。

3.7 煙炱

柴油發(fā)動機(jī)在苛刻的燃燒條件下，會產(chǎn)生很多的燃燒副產(chǎn)物，其中的固體物主要是柴油和進(jìn)入燃燒室的潤滑油在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的不定形碳(微小的碳微粒)，表現(xiàn)為煙炱。發(fā)動機(jī)油中的煙炱含量增加到一定時，如果發(fā)動機(jī)油沒有很好的煙炱分散性能，可能會使發(fā)動機(jī)更容易形成油泥、高溫沉積物，導(dǎo)致機(jī)油濾清器堵塞、供油不足、油膜破壞而造成發(fā)動機(jī)磨損，影響發(fā)動機(jī)正常工作和壽命。柴油機(jī)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(jī)油中煙炱含量，其換油警示值一般為0.7 Abs/0.1 mm[14]，當(dāng)油品中的煙炱含量超過警示值時，應(yīng)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(yàn)過程中，機(jī)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(jī)油具有優(yōu)異的煙炱分散性能。

3.8 金屬元素含量

車輛在運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)各零部件都存在一定的磨損，機(jī)油中的煙炱含量、酸性物質(zhì)以及機(jī)油的氧化變質(zhì)也會加快發(fā)動機(jī)各零部件的磨損。通過檢測分析機(jī)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(fā)動機(jī)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(yàn)里程的增加，試驗(yàn)機(jī)油中的鐵、銅、鋁等金屬元素含量呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。但在整個行車試驗(yàn)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(jī)油具有優(yōu)異的抗磨性能和潤滑性能，能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)形成有效的抗磨保護(hù)，延長發(fā)動機(jī)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(huán)境以及空氣濾清器的工作狀態(tài)有較大關(guān)系，一般機(jī)油中硅元素含量的警示值為30 mg/kg，當(dāng)硅元素含量超過警示值時，應(yīng)該更換機(jī)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(yàn)機(jī)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(huán)境較為惡劣有較大關(guān)系，在整個行車試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)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(jié)束語

EGR、延遲噴射、SCR、和DPF等多項(xiàng)柴油機(jī)新技術(shù)的普遍應(yīng)用，對發(fā)動機(jī)油的性能提出了更高要求，推動著發(fā)動機(jī)油質(zhì)量等級的不斷發(fā)展。此外，隨著國內(nèi)物流的快速發(fā)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(yùn)行。

研制生產(chǎn)的CI-4 15W-40柴油機(jī)油通過在市區(qū)和城郊道路上進(jìn)行3萬公里的應(yīng)用研究，結(jié)果表明，CI-4 15W-40柴油機(jī)油具有優(yōu)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(fā)動機(jī)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(dá)3萬公里以上，能夠有效提高車輛運(yùn)營效率，降低車輛維護(hù)成本。