摘要:
根据国六排放法规对柴油发动机的发展和润滑油的性能要求开发了低黏度柴油发动机润滑油。选用 10W40 和 5W30 柴机油进行发动机台架试验, 并通过发动机台架试验和整车道路试验重点考察了 5W30 对发动机节能和整车耐久性的影响。试验结果表明：采用低黏度柴油发动机润滑油可以提高柴油发动机的燃油经济性。
商用车作为我国道路运输的主体, 其保有量近年来持续增长, 2018 年新登记的商用车为520 万辆。随着排放法规的强制执行, 使用高品质低黏度柴机油正变得越来越普遍。2018年6 月 22 日，生态环境部、国家质检总局发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段) 》, 要求 2019 年 7 月 1 日起实施, 表 1 为国六和国五排放法规对污染物排放限值要求的对比数据。国六排放标准的引入将持续驱动柴机油提高燃油经济性、延长换油周期、提高发动机可靠性以及提高与后处理系统的兼容性.
通过减少摩擦功率损耗和控制燃油喷射可以提高柴油发动机燃油经济性, 这就要求柴机油低黏度且具有高抗氧化性能; 其次为延长柴机油换油周期, 从过去的 30 000~ 45 000 km 到现在的 90 000 ~ 120 000 km 以及未来期望的 140 000 ~ 150 000 km, 这就要求柴机油具有良好黏度稳定性、清静分散性、抗磨损性能和抗氧化 性能; 此外未来柴机油将更多采用低硫、低磷和低硫酸盐灰分 (低 SAPS) 配方来应对其与后处理系统的兼容性。本文作者结合国六排放法规要求, 阐述柴油机通常采用的技术路线以及其对柴机油的影响, 提出开发低黏度柴机油的必要性。然后选用两种柴机油 10W40 和 5W30 进行发动机台架试验验证, 并采用发动机台架试验和整车道路试验重点考察了低黏度柴机油 5W30 的抗磨损性能、抗氧化性能、燃油经济性以及其对柴油发动机/整车耐久性的影响。
1、理论分析
节能减排将持续驱动柴油机技术进步。为应对国六排放, 柴油机通常采用两大技术路线, 如图1所示: (1) 高压喷射、EGR、 VGT (或双增压)、DOC、DPF、SCR+ASC; (2) 超高压喷射、 进气节流、排气控制、DOC、DPF、SCR+ASC。此外还需要结合燃烧系统、电控系统、后处理系统、整机结构及NVH 等技术优化进一步降低商用车/柴油机的油耗。
多种相互关联的柴油发动机技术特征以及运行工况, 综合影响了整个柴油发动机系统, 并影响柴机油配方优化。
(1) 缸内部件
柴油机降低摩擦的同时要保证发动机窜气量、机油消耗不增加, 同时要保证活塞环与缸套表面涂层的兼容。此外, 活塞冷却油道容易产生高温沉积物, 降低活塞冷却喷嘴的效率, 因此在开发使用低黏度柴机油需要重点考虑机油剪切稳定性、氧化稳定性、清净分散性, 保证发动机缸内部件在低黏度条件下形成强劲油膜和发动机的耐久性。
(2) 轴承系统
降低发动机轴承摩擦可有效提升柴油发动机燃油经济性, 一般来说, 使用低黏度柴机油可以降低7%曲轴主轴承摩擦和12%连杆大头轴承摩擦, 提高1%的燃油经济性。
(3) 发动机热管理
许多新技术的采用 (如电子水泵、机油泵、电子节温器等) 会使机油处于高温的时间变长, 加速机油氧化, 可能会引起沉积物形成。从添加剂的角度来看, 新技术与新测试循环的采用可能会影响黏度指数改进剂所带来燃油经济性的提升, 同时会增加边界润滑对于摩擦的贡献量, 因此摩擦改进剂可能会扮演较重要的角色。
(4) 燃料系统
由于柴油机的高压喷射、增压系统、油气混合、EGR、VVA、窜气及曲轴箱通风系统的影响会加重润滑油的氧化和硝化, 增加烟炱含量。因此在开发使用低黏度柴机油需要重点考察其剪切稳定性、氧化稳定性、清净分散性及其低硫酸盐灰分。
(5) 后处理系统
商用车主要使用柴油发动机,运行里程长、燃油消耗量大,排放的尾气污染物主要以颗粒物(PM)和NOx为主。为了控制商用车排气污染、减少污染物排放, 贯彻执行中国国家强制排放法规, 未来将进一步使用后处理技术控制商用车污染物排放限值。目前商用车常用废气后处理的设备有: ①EGR,通过将一小部分废气转回进气歧管, 来降低燃烧室的温度和氧气量,从而防止NOx的形成,减少NOx排放。②DPF,通过使用氧化催化剂进行再生,可以在较低温度下燃烧掉滤池中的烟灰,减少烟尘颗粒排放。③SCR,通过特殊催化剂将车用尿素注入柴油发动机排气流中, 减少NOx排放。因此,为了进一步减少机油对后处理系统的影响, 未来更多采用低硫酸盐灰分柴机油来延长后处理系统的寿命,同时开发其他更加经济环保的添加剂来补偿低硫酸盐灰分所带来的负面影响。
综上, 开发低黏度柴机油势在必行,同时需兼顾低黏度柴机油其他性能的提升。
2、试验内容
文中选用两款机油进行发动机台架试验, 机油黏度等级分别为:5W30和 10W40, 机油信息见表2。试验依据 OM646 Bio和马克 T8-E 考察了10W40 机油的黏度增长及油泥情况;试验依据 OM646LA、OM501LA 和马克T13 考察了 5W30机油的黏度增长、油泥及零件磨损情况, 同时试验依据 OM501 FE 考察了 5W30机油的燃油经济性。
为进一步研究低黏度柴机油对整车和发动机耐久性的影响, 文中选用两辆卡车搭载 5W30 柴机油进行两轮整车道路试验, 换油周期为 160 000 km, 每 2 000 km 取 油样进行 100 ℃ 运动黏度、TAN/ TBN、氧化度/硝化度和元素含量分析。整车道路试验信息见表 3。
3、试验结果与分析
表4为 10W40 机油在 OM646 Bio 中的测试结果。由表 4 可知, 10W40 机油在生物柴油条件下具有良好稳定性, 并有效预防油泥产生。
10W40 机油在马克 T8-E 中的测试结果显示: 10W40 机油经过 300 h 运行, 在烟炱含量为 4. 8%处其相对黏度增长为1. 47 mPa·s, 小于原设备制造商规范 MAN M3777的限值要求 2.1 mPa·s。因此 10W40 机油具有良好烟炱分散性能。
表 5 为 5W30 机油在 OM646LA 中的测试结果, 由表可知, 5W30 机油可有效预防凸轮、挺杆和汽缸磨损。
表 6 为 5W30 机油在 OM501LA 中的测试结果。
由表6可知, 5W30 机油可有效预防零件磨损和沉积物。
表7为 5W30 机油在马克 T-13 中的测试结果, 由表可知, 5W30 机油 40 ℃时运动黏度没有变化, 表明该款机油组分存在有效的黏度改进剂, 产品稳定性良好, IR 吸收峰和平均机油消耗数据表明该款机油具有优异高温抗氧化性能。
5W30 机油在 OM501FE 测试结果显示: 5W30 机油可以提升柴油机 0.86%燃油经济性。通过检测使用过机油的运动黏度、TAN/ TBN、氧化度/硝化度以及元素含量的变化, 分析判断机油老化变质情况, 评估低黏度柴机油 5W30 是否影响发动机的耐久性。图2是 5W30 机油搭载在 MH695 卡车上进行两轮 160 000 km 路试后的运动黏度、TAN/TBN、氧化度/硝化度和元素含量曲线图。从图2可知: (1) 使用过的 5W30 柴机油运动黏度较新油有所上升, 随着 5W30 柴机油使用寿命的延长, 其运动黏度逐步增大, 总体运动黏度正常。(2) 使用过的 5W30 柴机油总酸值 TAN 较新油有所上升, 总碱值 TBN 较新油有所下降。机油使用寿命超过 100 000 km 的 5W30 柴机油酸化明显, 其 TAN 值超过 5 mgKOH/ g。(3) 使用过的 5W30 柴机油氧化度和硝化度正常。(4) 钙 (Ca)、锌 (Zn)、硼 (B)、钼 (Mo)、镁 (Mg)、磷 (P) 主要来自添加剂的损耗; 铁 (Fe)、铝 (Al)、铜 (Cu)、铅 (Pb)、铬 (Cr) 主要来自发动机摩擦副的磨损; 硅 (Si) 主要来自外界的污染。第一轮使用寿命为 160 000 km 的 5W30 柴机油 Pb 元素含量超标, 表明发动机润滑系统存在轻微轴承磨损, 其余发动机润滑系统摩擦副磨损正常。为进一步评估低黏度柴机油 5W30 的性能。文中又安排了 5W30 柴机油搭载在N8051卡车上进行两轮 160 000 km 的路试试验。
图3为两轮试验后的 5W30 柴机油运动黏度、TAN/ TBN、氧化度/硝化度和元素含量曲线图。从图 3 可知: (1) 使用过的 5W30 柴机油 100℃运动黏度较新油有所上升, 随着 5W30 柴机油使用寿命的延长, 其运动黏度逐步增大。第一轮使用寿命超 过 120 000 km 的 5W30 柴机油增稠明显, 运动黏度超标, 其余运动黏度正常。(2) 使用过的 5W30 柴机油总酸值 TAN 较新油有所上升, 总碱值 TBN 较新油有所下降。机油使用寿命超过 100 000 km 的 5W30 柴机油酸化明显, 其 TAN 值超过 5 mgKOH/ g。(3) 使用寿命为 160 000 km 的 5W30 柴机油氧化明显, 其余氧化度和硝化度正常。(4) 第一轮试验使用寿命超过 4 000 km 的 5W30 柴机油 Cu 元素含量超标明显, 表明发动机润滑系统存在明显轴瓦磨损; 两轮试验使用寿命为 160 000 km 的 5W30 柴机 油 Pb 元素含量超标, 表明发动机润滑系统存在轻微轴承磨损, 其余发动机润滑系统摩擦副磨损正常。
上述两辆卡车道路试验结果表明: 低黏度柴机油 5W30 性能表现良好, 可以满足柴油发动机和整车的耐久性要求。
结论
(1) 国六排放标准的引入将持续驱动柴机油提高燃油经济性、延长换油周期、提高发动机可靠性以及提高与后处理系统的兼容性。
(2) 使用低黏度柴机油 5W30 可以有效减少摩擦功率损耗, 提高柴机油燃油经济性, 同时低黏度柴机油 5W30 可以有效预防发动机零件磨损和发动机润滑系统沉积物生成。
(3) 低黏度柴机油 5W30 机油在 OM501FE 测试中可以提高柴油机 0.86%燃油经济性。
(4) 低黏度柴机油 5W30 在整车道理试验中性能良好, 可以满足柴油机和整车的耐久性要求。
(5) 开发低黏度柴机油需兼顾其他性能的提升。