徐金龍 趙 波 程 琛

摘要:介紹了CF-4 15W-40柴油機油在HC4132UPS型柴油機上1000 h的耐久性考核試驗,試驗結(jié)束后首先考察油品的質(zhì)量變化情況如磨損金屬元素分析、油品的氧化衰變情況分析以及運動粘度增長率、堿值、酸值等的分析,結(jié)果顯示油品質(zhì)量變化不大;其次是考察發(fā)動機的外特性情況,外特性數(shù)據(jù)顯示扭矩、功率以及燃油耗率的各項參數(shù)均在技術(shù)條件要求范圍內(nèi);最后通過發(fā)動機的拆檢鑒定,顯示各運動部件磨損正常,通過上述考察表明該油品能夠滿足HC4132UPS型柴油機及其裝備該型發(fā)動機車輛的使用要求。

關(guān)鍵詞:CF-4 15W-40;柴油機油;臺架考核

中圖分類號:TE626.32 文獻標(biāo)識碼:A

Reliability Test of CF-4 15W-40 Diesel Engine Oil on the HC4132UPS Diesel Engine

XU Jin-long1, ZHAO Bo2, CHENG Chen3

(1.POL Research Institute of General Logistics Dept, Beijing 102300,China;2.Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072,China; 3.Unit 62211, Geermu 816000,China)

Abstract:The reliability test of CF-4 15W-40 diesel engine oil on the HC4132UPS diesel engine was carried out for 1000 h. After test, the engine oil data obtained from oil monitoring such as wear metal, oxidation, kinematic viscosity increase, base number and acid number showed that there is no change. The engine external characteristic data showed that torque, power and consumption rate of fuel are normal. And the engine parts are in order after knocked-down. So, the above proves that the CF-4 15W-40 diesel engine oil can meet the requirements of the HC4132UPS diesel engine and the vehicle equipped with it.

Key words:CF-4 15W-40; diesel engine oil; reliability test

0 前言

隨著環(huán)保法規(guī)的不斷嚴(yán)格以及柴油機功率的不斷增加和新技術(shù)的應(yīng)用,CD級柴油機油已不能滿足直噴高壓柴油機的使用要求[1],然而我國市場上的主流柴油機油仍以CD級為主,雖然CF-4級別的柴油機油在市場上的比重不斷增加,但產(chǎn)品質(zhì)量不能得到很好的保證,尤其是不能滿足特定大型重負荷裝備的使用要求。因此總后油料研究所與中國石化潤滑油公司合作研制了CF-4 15W-40柴油機油,在經(jīng)過了CF-4要求的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機臺架后,為了能夠在HC4132UPS型柴油機及其相應(yīng)的車輛上進行使用,需在其上進行相應(yīng)的考核性試驗。經(jīng)過1000 h的耐久性考核試驗,發(fā)動機拆檢顯示各摩擦副磨損正常,在用油液監(jiān)測顯示該油品衰變正常,表明該油品可以滿足HC4132UPS柴油機的使用要求,與此同時也為同系列類型的發(fā)動機選用該油品提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 實驗部分

(1)試驗油品:CF-4 15W-40柴油機油(理化指標(biāo)見表1)

(2)試驗地點:北方發(fā)動機研究所

(3)試驗方法或規(guī)程

①試驗方法:考核試驗根據(jù)考核試驗大綱要求進行,共進行100個循環(huán),每個循環(huán)10 h,共計1000 h。每運轉(zhuǎn)一個循環(huán),對發(fā)動機及試驗設(shè)備做例行保養(yǎng);考核每250 h后,更換新機油及機油濾清器;在考核500 h后,更換柴油濾清器。在考核前、500 h考核結(jié)束后和1000 h考核完成后分別進行外特性試驗;

②發(fā)動機原始尺寸測量與記錄;

③發(fā)動機臺架試驗,具體參數(shù)見表2;

④發(fā)動機分解鑒定;

⑤柴油機油監(jiān)控,監(jiān)控結(jié)果與GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》[2]相關(guān)內(nèi)容進行對比。

2 結(jié)果與討論

2.1 油品質(zhì)量變化情況

由于CF-4級別的柴油機油換油指標(biāo)至今還沒有國家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),只有CD級別的換油指標(biāo),因此只能參考“GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》”之CD級柴油機油,見表3,并結(jié)合紅外光譜、鐵譜、磨粒等相關(guān)儀器分析進行化驗分析,來綜合判斷油品的使用情況。

(1)磨損金屬元素分析

磨損金屬元素分析是柴油機對油品考核的最主要指標(biāo)之一,通過分析油品中的磨損金屬就大致能夠判斷機器的磨損部位。目前,測定磨損金屬的方法很多,本文采用了BAIRD公司的原子發(fā)射光譜儀來進行測定,測定的元素有Fe、Cu、Al、Pb等磨損金屬及污染元素硅,通過其數(shù)值變化,可以分析發(fā)動機的磨損狀況,同時了解在用油品的潤滑性能變化情況。

圖1是試驗油品的磨損金屬和污染元素含量變化。從圖1可以看出,CF-4 15W-40柴油機油在1000 h(每隔250 h更換柴油機油,故1000 h考核時間可分為四個階段,即四個試驗段,其油樣結(jié)果分析亦可按四個試驗段進行,以下類同)的運轉(zhuǎn)過程中,其油樣中磨損金屬含量的變化隨著使用時間的延長呈現(xiàn)了緩慢增長的趨勢,但卻保持在一個較低的水平上,大多未超出參考指標(biāo)(Fe:正常水平≤150 μg/g,危險水平>500 μg/g;Cu:正常水平≤30 μg/g,危險水平>75 μg/g;Al:正常水平≤20 μg/g,危險水平>60 μg/g;Si:正常水平≤25 μg/g,危險水平>100 μg/g;Pb:正常水平≤30 μg/g)中規(guī)定的正常水平范圍,也未達到GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》規(guī)定的換油要求(當(dāng)Fe含量>150 μg/g時);但同時我們還注意到,在第一階段250 h的試驗時間里,Cu的磨損超出了參考指標(biāo)正常水平范圍,這主要是由于裝配不當(dāng)所致,與潤滑油無關(guān)。上述情況表明了CF-4 15W-40柴油機油的抗磨性能、潤滑性能良好。

(2)油品的氧化衰變情況分析

發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中,燃燒廢氣中的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫及鹵化物等物質(zhì),在一定條件下可反應(yīng)生成氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì),這些物質(zhì)的存在可導(dǎo)致機件腐蝕、磨損等現(xiàn)象,故而對油品的使用造成負面影響,而發(fā)動機油中的添加劑可以減緩或終止這類反應(yīng),抑制氧化物、硝化物及硫化物等酸性物質(zhì)的生成,因此,利用紅外光譜監(jiān)控油品氧化值、硝化值及硫化值的變化,可以反映油品的氧化衰變狀況,間接掌握油品中添加劑的消耗情況。

目前,我國沒有關(guān)于利用紅外光譜法監(jiān)控在用油品的氧化值、硝化值及硫化值作出極限規(guī)定,根據(jù)有關(guān)資料的介紹和以往試驗的經(jīng)驗值,此三項指標(biāo)的監(jiān)控測試值,柴油車一般控制在0.25 A/0.1 mm以下,超過此經(jīng)驗值,則表示在用油品的氧化衰變情況達到一定程度,結(jié)合其他監(jiān)控指標(biāo)的變化情況,應(yīng)予以換油。本文采用了熱電公司的A370種紅外光譜儀對試驗油樣進行了監(jiān)控分析。

圖2是試驗油品的紅外光譜數(shù)據(jù)變化圖。從圖2可知,試驗油品的氧化值、硝化值及硫化值變化情況正常,均未達到換油要求的經(jīng)驗值0.25 A/0.1mm,這表明油品的抗氧化安定性能良好。

(3)油品常規(guī)理化性能分析

油品常規(guī)理化性能分析項目主要有油品100 ℃運動粘度、閃點、酸值增加、堿值下降、正戊烷不溶物及水分等,從分析結(jié)果看,CF-4 15W-40柴油機油在使用過程中,其理化性能指標(biāo)未達到GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》規(guī)定的換油要求,數(shù)值變化均在正常范圍內(nèi),這表明該油品的使用性能穩(wěn)定、良好。其具體分析結(jié)果如下:

①100 ℃運動粘度

油品運動粘度的變化趨勢是反映油品實際使用效能的重要理化指標(biāo)之一。油品在實際使用過程中的抗剪切、抗高溫氧化性能主要通過其粘度變化程度來表征,粘度的變化趨勢通常是先降低再升高,這主要是因為剛使用的新油由于受發(fā)動機摩擦副的剪切作用,使油品中的粘度指數(shù)改進劑由大分子剪切成小分子,致使油品粘度明顯下降,其后,隨著發(fā)動機使用小時數(shù)的不斷增加,油品本身發(fā)生氧化并生成大分子膠質(zhì),再加上磨損金屬和燃燒積炭的作用,使油品粘度緩慢回升,當(dāng)油品粘度升高到一定程度時,將導(dǎo)致潤滑不良現(xiàn)象發(fā)生,發(fā)動機產(chǎn)生事故的可能性增大。

圖3是被試油品100 ℃運動粘度變化率圖。從圖3可看出,試驗油品在使用中的粘度變化均呈現(xiàn)出了逐漸上升的規(guī)律,這說明試驗油品中含有的可以引起粘度增加的氧化產(chǎn)物和不溶物等物質(zhì),但其對油品的使用性能影響不大,油品的使用性能良好,此外我們注意到,所有試驗油品的粘度變化值均未達到GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》中規(guī)定的油品粘度變化超過新油粘度±25%的換油要求,這充分說明了該油品具有良好的使用性能,其抗剪切、抗高溫氧化性能優(yōu)異。

②堿值

油品堿值來源于油品中的堿性添加劑,其變化預(yù)示了油品的堿儲備能力,表明了油品添加劑體系中某些有效組分的下降或耗盡情況,同時也反映了油品清凈分散能力的衰變程度。

油品在使用中,由于其堿性添加劑要中和氧化及受燃燒廢氣影響而產(chǎn)出的酸性物質(zhì),從而使堿性物質(zhì)損耗,致使油品的堿值下降,GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》中規(guī)定,當(dāng)在用油堿值低于新油堿值50%時,應(yīng)該換油,否則,有可能對發(fā)動機零部件產(chǎn)生腐蝕、磨損等負面影響。

圖4是試驗油品的堿值下降率變化圖,從圖中可以看出,試驗油品的堿值隨使用時間的延長,呈緩慢下降趨勢,但堿值下降程度均未達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換油要求,這表明該油品具有良好的堿儲備度。

③酸值

油品酸值變化源于油品在使用中高溫氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物及燃燒產(chǎn)生的部分酸性物質(zhì),這些物質(zhì)的存在表現(xiàn)為油品酸值增大。發(fā)動機保險期試驗過程中,油品總酸值變化預(yù)示著其氧化衰變的程度,油品在使用過程中由于氧化物、硝化物和硫化物等酸性物質(zhì)的增加,使油品的酸值逐漸增大,這不僅會造成機械腐蝕,同時還會促進柴油機油的變質(zhì),生成油泥,增加機械的磨損,因此,通過酸值的變化程度可以判斷油品在使用中的變質(zhì)程度。GB/T 7607-2002《柴油機油換油指標(biāo)》中規(guī)定,當(dāng)油品的酸值增值大于2.0 mgKOH/g時就應(yīng)該換油,否則,會給發(fā)動機的使用帶來負面影響。

圖5是試驗油品的酸值增值變化圖,從圖中可以看出,試驗油品的酸值隨著試驗時間的延長,呈現(xiàn)了緩慢增加的趨勢,但增勢緩慢,酸值增值均小于2.0 mgKOH/g。

④正戊烷不溶物、閃點和水分

在用油中的正戊烷不溶物主要包括機油的氧化、硝化產(chǎn)物、部分添加劑的分解產(chǎn)物、煙炱、外界帶入的塵土以及磨損的金屬微粒,主要是反映油品氧化變質(zhì)、添加劑消耗及油品污染程度。閃點指標(biāo)是對在用油液實施監(jiān)控的一項重要指標(biāo),閃點的變化可以反映油品的燃油稀釋程度和輕組分揮發(fā)程度,進而可作為判斷發(fā)動機密封狀況和磨損程度的依據(jù),是內(nèi)燃機油在使用中的一項安全指標(biāo)。水分主要由于缸套滲漏、油品溫度升高產(chǎn)生的水蒸氣汽化后以及燃料燃燒產(chǎn)生的水分,水分的存在會使油品乳化、破壞潤滑油形成的油膜,使?jié)櫥Ч儾?油品氧化變質(zhì)并且粘度增加,流動性變差,粘溫性能變壞;添加劑水解;加速有機酸對金屬的腐蝕作用,銹蝕設(shè)備,使油品容易產(chǎn)生沉渣。

表4是試驗油品的正戊烷不溶物、閃點和水分變化表,從表4可以看出,這三項指標(biāo)的變化都不大,都在GB/T 7607-2002規(guī)定的換油指標(biāo)之內(nèi),說明該油品在發(fā)動機上運行的工況良好,未發(fā)生燃油稀釋等情況。

2.2 發(fā)動機外特性試驗

發(fā)動機在耐久性考核試驗過程中共測試外特性三次,即考核試驗開始前、500 h試驗結(jié)束、1000 h試驗結(jié)束時各一次。通過發(fā)動機外特性試驗數(shù)據(jù)可以看出:試驗前后發(fā)動機標(biāo)定點功率下降率為2.2%,滿足功率下降小于4%的要求。燃油消耗率沒有上升,符合試驗大綱規(guī)定的經(jīng)濟指標(biāo)技術(shù)要求。最高燃燒壓力為14.2 MPa,滿足最高燃燒壓力小于15 MPa的性能指標(biāo)要求。發(fā)動機排溫正常,各項參數(shù)變化均在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)。發(fā)動機外特性曲線見圖6～圖8所示。

2.3 發(fā)動機分解鑒定

(1)外觀檢查

①曲軸箱、傳動機構(gòu)、氣缸蓋等主要緊固件各部結(jié)合面上未發(fā)現(xiàn)裂紋、麻坑、深劃道、重擦傷、金屬粘合現(xiàn)象。

②各主要部件,如曲軸軸頸、缸套、瓦片、止推片、氣門、凸輪軸等工作表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕、深劃道和擦傷等缺陷,顏色正常,鍍覆層完整。

③油底殼清潔、干凈。

④活塞經(jīng)過1000 h考核后,燃燒室沒有任何燒蝕和異常損壞痕跡,活塞頭部環(huán)岸附近有較重的積炭,但均未發(fā)現(xiàn)裂紋、耐磨鑲?cè)ν钩?、燒蝕和表面拉傷等現(xiàn)象,總體狀態(tài)良好,仍然可以繼續(xù)使用。

⑤增壓器壓氣機葉片因鑄造缺陷,有碎裂現(xiàn)象。

(2)磨損

試驗結(jié)束后,進行了發(fā)動機分解鑒定,并對主要運動件進行了精密測量,未見運動件產(chǎn)生異常磨損現(xiàn)象,磨損量較小,所有零部件均有繼續(xù)工作的能力。部分零部件檢測情況如圖9～圖10所示。

3 結(jié)論

CF-4 15W-40柴油機油在HC4132UPS發(fā)動機上經(jīng)過1000 h的耐久性考核試驗,經(jīng)過對試驗后油品的磨損金屬含量、氧化衰變情況以及理化性能分析,各項指標(biāo)變化基本都不大,表明該油品具有優(yōu)良的抗氧化性、清凈性、抗磨性及潤滑性;發(fā)動機拆檢結(jié)果顯示,各零部件外觀正常,運動件磨損正常,各項參數(shù)符合技術(shù)條件的要求。綜上所述,CF-4 15W-40柴油機油可滿足HC4132UPS型柴油發(fā)動機的使用要求。

參考文獻:

[1] 楊杰丹,張建國,彤云鵬.重負荷柴油機潤滑油技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機工程,1999(2):10-15.

[2] GB/T 7607-2002,柴油機油換油指標(biāo)[S].

收稿日期:2009-02-26。

作者簡介:徐金龍(1976-),工程師,2002年畢業(yè)于北京化工大學(xué)催化專業(yè),主要從事潤滑油品的論證、研制及應(yīng)用研究工作,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。