美國柴油機(jī)油臺(tái)架評(píng)定技術(shù)的發(fā)展

1、美國柴油機(jī)油臺(tái)架評(píng)定技術(shù)的發(fā)展摘要：為滿足日益苛刻的環(huán)保要求，世界各國紛紛出臺(tái)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)限制柴油機(jī)的排放。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷苛刻和柴油機(jī)油規(guī)格的不斷升級(jí)，總伴隨著產(chǎn)生新的評(píng)定臺(tái)架。對美國在用柴油機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)定臺(tái)架進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)對我國發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的發(fā)展提出了建議。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架；柴油機(jī)油；發(fā)展適應(yīng)日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和延長換油周期是柴油機(jī)油規(guī)格的發(fā)展趨勢。隨著柴油機(jī)油的不斷升級(jí)，新規(guī)格要求柴油機(jī)油通過的臺(tái)架數(shù)量也越來越多，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對潤滑油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的建立和發(fā)展起到了決定性作用1。1 美國柴油機(jī)油的發(fā)展?fàn)顩r美國在20世紀(jì)60年代，就提出了汽車排放要求，那時(shí)

2、柴油車以CC級(jí)柴油機(jī)油為主。20世紀(jì)90年代初，美國通過“清潔空氣法”修正案，對發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求越來越苛刻，從而加速了美國柴油機(jī)油規(guī)格升級(jí)換代的步伐，美國柴油機(jī)油排放標(biāo)準(zhǔn)與對應(yīng)的油品規(guī)格見表1。由表1可知，隨著排放法規(guī)要求的不斷提高，美國自20世紀(jì)80 年代末以來，每3年4年推出一代新的柴油機(jī)油規(guī)格來滿足更為苛刻的排放要求，氮氧化物NOx和顆粒物排放要求越來越嚴(yán)格。1994年，NOx在1988年的基礎(chǔ)上降低了53%，顆粒物排放降低了58%；在表1 美國柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)與對應(yīng)的油品規(guī)格1994年到2002年期間，NOx和顆粒物排放進(jìn)一步降低；2010年，NOx 和顆粒物排放在1988年的基礎(chǔ)上發(fā)生了

3、巨大變化，高檔柴油機(jī)油的應(yīng)用可以大量減少烴類HC、CO、NOx以及顆粒物的排放。而新的油品規(guī)格總伴隨著產(chǎn)生新的油品評(píng)定臺(tái)架，表2列出了美國在用部分柴油機(jī)油規(guī)格所要求通過的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。表2部分質(zhì)量等級(jí)的柴油機(jī)油要通過的臺(tái)架試驗(yàn)由表2可見，隨著柴油機(jī)油規(guī)格的升級(jí)換代，所要求通過的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)已從API CF級(jí)油的2個(gè)增加到API CJ-4的10個(gè)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架都針對油品的某一性能設(shè)計(jì)而成，因而對油品的性能要求越來越全面，這對油品的研制造成很大的困難。同時(shí)，由于我國柴油機(jī)油規(guī)格等效采用美國API規(guī)格，因此對國內(nèi)油品研究人員來說，全面了解發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架是非常必要的。2 美國在用柴油機(jī)油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試

4、驗(yàn)開特皮勒(Caterpillar)系列發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油臺(tái)架測試已經(jīng)發(fā)展了 50 多年，是評(píng)定柴油機(jī)油高溫清凈性及機(jī)油消耗性能的重要方法。經(jīng)過多年發(fā)展，Caterpillar測試已經(jīng)從單缸Caterpillar 1H2發(fā)展到多缸并且?guī)в袃?nèi)部熱廢氣循環(huán)(ACERT)的Caterpillar C13，下面僅就部分在用臺(tái)架作一介紹。2.1 Cat. 1MPC發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat.1M-PC用于API CF、CF-2和MIL-L-2104G級(jí)油的評(píng)定，它通過模擬高速、增壓非公路柴油機(jī)的運(yùn)行工況，評(píng)定油品對活塞沉積物，粘環(huán)以及活塞環(huán)、氣缸套擦傷的影響9。Cat.1M-PC采用卡特皮勒公司生產(chǎn)的1Y73單缸非

5、直噴兩氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)時(shí)間120h,使用矩形活塞環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量2.0L,功率31KW，壓縮比16.4:1，轉(zhuǎn)速1800r/min,燃料輸入135g/min，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度87.8，油溫96，進(jìn)氣溫度123.8，試驗(yàn)時(shí)間120h，燃料油硫含量0.38%-0.42%。試驗(yàn)時(shí)，用試驗(yàn)油作為潤滑劑，先試運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，然后在規(guī)定的轉(zhuǎn)速和燃油消耗率的條件下，使增壓柴油試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)120 h，試驗(yàn)結(jié)束后檢查發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞、活塞環(huán)、缸套，測定缸套和活塞環(huán)的磨損程度，活塞沉積物的性質(zhì)和數(shù)量，活塞環(huán)的靈活程度。Cat.1MPC發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定的通過標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。表3 CF級(jí)油 Cat.1MPC發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過

6、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)定或測量參數(shù) 1次試驗(yàn) 2次試驗(yàn) 3次試驗(yàn)頂環(huán)槽充炭率（TGF）% 59 67 70加權(quán)總評(píng)分（WTD） 197 227 240活塞環(huán)系間隙增大/mm 0.013 0.013 0.013CF2級(jí)油:WTD(加權(quán)總評(píng)分)100。Cat.1M- PC發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)如表4所示。表4 CF級(jí)油Cat.1MPC發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)2.3 Cat. 1K 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat.1k用于API CF-4、CH-4、CI-4級(jí)油的評(píng)定，它通過模擬1989年以前的高速、渦輪增壓柴油機(jī)的運(yùn)行工況，評(píng)定油品對活塞沉積物、粘環(huán)以及活塞環(huán)、氣缸套的擦傷和油耗的影響9。Cat.1k使用 Caterp

7、illar 公司生產(chǎn)的 1Y540單缸直噴四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為2.44L，壓縮比為 14.5:1,轉(zhuǎn)速為2100r/min，功率52KW，燃油輸入185g/min，冷卻液出口溫度 93.3，油溫 107.2，絕對進(jìn)氣壓力為240kPa，空氣進(jìn)口溫度126.7，空燃比29:1，燃油硫含量0.38%-0.42%,試驗(yàn)時(shí)間252h，活塞頂環(huán)采用梯形環(huán)、二環(huán)采用矩形環(huán)2。CH4柴油機(jī)油規(guī)格沿用了CF4柴油機(jī)油規(guī)格采用的Cat.1K臺(tái)架，二者區(qū)別是CF4柴油機(jī)油規(guī)格二次通過一次，CH4柴油機(jī)油規(guī)格要求一次通過。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)定活塞、活塞環(huán)和氣缸套，并對廢油進(jìn)行運(yùn)動(dòng)粘度、總堿值、金屬含量和燃油稀釋狀況的分

8、析。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表 4。表4 Cat.1k發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.3 Cat.1N 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat.1N用于APICG-4和MIL-L-2104G級(jí)油的評(píng)定，它通過模擬1998年以前的、使用低硫燃料的高速、渦輪增壓柴油機(jī)運(yùn)行工況，評(píng)定油品對活塞沉積物、粘環(huán)以及活塞環(huán)、氣缸套的擦傷和油耗的影響9。Cat.1N所使用發(fā)動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)參數(shù)以及試驗(yàn)件均與Cat.1k相同，只是試驗(yàn)采用硫含量為0.03%-0.05%的低硫燃油3。Cat.1N試驗(yàn)的通過標(biāo)準(zhǔn)見表5。表5 Cat.1N 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.4 Cat.1P 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat.1P用于API CH4油的評(píng)定Cat.

9、1P使用1Y3700單缸直噴四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，排量2.44 L.試驗(yàn)用含硫量為 0.04% 的燃料油，轉(zhuǎn)速為2100 r / min，潤滑油在107.2下運(yùn)行360h。Cat.1P發(fā)動(dòng)機(jī)使用頂部為鐵、裙部為鋁的兩段活塞，它通過模擬 2002 年以前的高速、渦輪增壓柴油機(jī)運(yùn)行工況，評(píng)定油品對活塞沉積物、活塞環(huán)粘結(jié)和活塞環(huán)、氣缸套的擦傷和油耗的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂環(huán)、二環(huán)采用梯形活塞環(huán)。Cat.1P與 Cat.1K 試驗(yàn)相比，其活塞環(huán)的頂環(huán)更靠近活塞頂部，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用頂置凸輪軸和電子燃油噴射控制49。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)定活塞、活塞環(huán)和氣缸套，對廢油進(jìn)行運(yùn)動(dòng)黏度、總堿值、金屬含量和燃油稀釋狀況的分析，評(píng)定內(nèi)

10、容和通過標(biāo)準(zhǔn)見表6。表6 Cat.1P發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.5 Cat.1R發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat.1R用于API CI4油的評(píng)定，Cat.1R使用1Y3700高速、單缸、直噴四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，排量244 L。試驗(yàn)用含硫量為0.04%的燃料油，轉(zhuǎn)速為1800 r/min，潤滑油在120下運(yùn)行504h采用頂部為鐵、裙部為鋁的兩段活塞，中間支撐低扭曲氣缸套，齒輪傳動(dòng)的頂置凸輪軸，高壓電控噴油系統(tǒng)9。Cat.1R 模擬高速、重負(fù)荷渦輪增壓柴油機(jī)的運(yùn)行工況，評(píng)定油品對鐵活塞沉積物、活塞環(huán)粘結(jié)以及活塞環(huán)、氣缸套擦傷和油耗的影響5-7。Cat.1R 發(fā)動(dòng)機(jī)替代了Cat.1P，評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的高溫清凈性。評(píng)

11、定指標(biāo)前者比后者苛刻。評(píng)定內(nèi)容和通過標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。表7 Cat.1R 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.6 Cat. C13發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cat. C13 用于API CJ4級(jí)油的評(píng)定，首次增加了二環(huán)積炭評(píng)分，采用2004年生產(chǎn)的Caterpillar320 kW C13發(fā)動(dòng)機(jī)，模擬高速、重負(fù)荷工況。測定高溫清凈性的Caterpillar C13發(fā)動(dòng)機(jī)配置電子控制、雙渦輪增壓器、直噴、六缸、四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)用含硫量為15mg/kg 以下的超低硫柴油，轉(zhuǎn)速為1800r/min，潤滑油溫度為98，運(yùn)行時(shí)間500 h。采用內(nèi)部熱廢氣循環(huán)(ACERT)技術(shù)，而Cat.1R為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，不帶廢氣循環(huán)，燃燒

12、的是硫含量500mg/kg以下的低硫柴油9。Cat. C13 評(píng)定內(nèi)容和通過標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。表8 Caterpillar C13 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)2.7 Cummins M-11 (EGR)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Cummins M-11 (EGR)用于評(píng)定API CI-4級(jí)油，它通過模擬2002年以后高速公路上行駛的載貨車工況，評(píng)定油品對降低與煙炱相關(guān)的、具有廢氣再循環(huán)（EGR）的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的效果。Cummins M-11 (EGR)是由Cummins ISM-425發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為317KW，轉(zhuǎn)速1800r/min，具有廢氣再循環(huán)裝置，試驗(yàn)時(shí)間為300h，主要評(píng)定活塞環(huán)磨損、氣

13、門搭橋磨損、濾網(wǎng)堵塞和油泥。試驗(yàn)開始時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在富油、1600r/min下運(yùn)轉(zhuǎn) 150h。隨后在富油、延遲噴射各50h 下交替運(yùn)轉(zhuǎn)150h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 800r/min。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)十字頭失重、頂環(huán)失重、機(jī)油濾網(wǎng)堵塞（壓力差表示）、發(fā)動(dòng)機(jī)閥罩和油底殼油泥的評(píng)分。試驗(yàn)每25h取樣，并進(jìn)行40、100時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度、總堿值、總酸值和金屬含量分析。Cummins M-11 (EGR)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表9。表9 Cummins M-11 (EGR)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.8 Mack T-9發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Mack T-9用于評(píng)定API CH-4級(jí)油，同時(shí)代替Mack T-6評(píng)定C

14、F-4級(jí)油.它通過模擬1998年以后的載貨車運(yùn)行工況，評(píng)定油品對發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)和氣缸套磨損能力的影響。Mack T-9采用Mack E7-350直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率為261KW。試驗(yàn)時(shí)間500h，前75h在額定速度和功率下運(yùn)行產(chǎn)生煙炱，接著在富油15%、最高扭矩轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)轉(zhuǎn)425h，以產(chǎn)生對活塞環(huán)和氣缸套的最大磨損。試驗(yàn)結(jié)束后，對活塞環(huán)磨損、鋼鐵磨損、鉛含量和油耗進(jìn)行評(píng)定；對廢油進(jìn)行100時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度、煙炱含量、總堿值、總酸值和鉛含量的測定Mack T-9發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表10。表10 Mack T-9發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)62.9 Mack T-10發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Mack T-10

15、 用于評(píng)定CI-4級(jí)油。它通過模擬2002年以后的重負(fù)荷、高速公路行駛載貨車的運(yùn)行工況，評(píng)定油品對帶有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)、氣缸套和軸承磨損的影響。Mack T-10采用改進(jìn)的Mack E7 E-Tech 460發(fā)動(dòng)機(jī)，在1800r/min時(shí)的額定功率為348KW，具有EGR裝置。Mack T-10試驗(yàn)時(shí)間為300h，前75h在額定速度和功率下運(yùn)行產(chǎn)生煙炱，接著在富油15%、最高扭矩轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行225h，以產(chǎn)生對活塞環(huán)和氣缸套的最大磨損3。試驗(yàn)結(jié)束后，評(píng)定活塞環(huán)和氣缸套磨損、鉛含量、油耗以及油品的氧化，對廢油主要分析100時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度、煙炱含量、總堿值、總酸值、鉛含量以及FTIR氧化。Mac

16、k T-10發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的通過標(biāo)準(zhǔn)為其優(yōu)點(diǎn)評(píng)分不小于10006。2.10 RFWT（滾動(dòng)隨動(dòng)件試驗(yàn)）發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)RFWT用于評(píng)定API CG-4,CH-4,CI-4級(jí)油，它主要評(píng)定潤滑油對滾動(dòng)隨動(dòng)軸磨損的影響。RFWT發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架采用General Motor 6.5L非直噴柴油機(jī)，其排量6.2L，在3400r/min下的額定功率為120KW。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在1000r/min和近乎最大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)50h不換油（在25h時(shí)補(bǔ)加油），輸油管油品溫度和冷卻液出口溫度控制在118,燃油硫含量0.03%-0.05%。每次試驗(yàn)前安裝1副新的滾動(dòng)隨動(dòng)件，試驗(yàn)后取出滾動(dòng)隨動(dòng)軸，其磨損通過表面形貌儀測定。另外，

17、在0.25h和50h時(shí)取樣，分析40、100時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度、總堿值、總酸值和金屬含量。RFWT發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)如下。CG-4通過標(biāo)準(zhǔn)為：1次試驗(yàn)不大于11.4m，2次試驗(yàn)不大于12.4m,3次試驗(yàn)不大于12.7m, CH-4和 CI-4通過標(biāo)準(zhǔn)為：1次試驗(yàn)不大于7.6m，2 次試驗(yàn)不大于8.4m,3次試驗(yàn)不大于9.1m6。3 建立我國發(fā)動(dòng)機(jī)油臺(tái)架評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)從美國柴油機(jī)油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的發(fā)展可見，自20世紀(jì)90年代初以來，美國柴油機(jī)油規(guī)格幾乎每隔34年升級(jí)換代1次，每一種新的潤滑油規(guī)格的提出，就有對應(yīng)的新的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)定方法出現(xiàn)，并且臺(tái)架種類越來越多，評(píng)價(jià)體系日趨完善。我國發(fā)動(dòng)機(jī)油的標(biāo)準(zhǔn)基本沿襲了

18、國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，采用的是美國 API 體系。2006 年版汽油機(jī)油和柴油機(jī)油國家標(biāo)準(zhǔn)中，所有新增的臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目均與美國API體系的要求完全一致。也就是說，今后國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)油必須要通過美國 API 體系要求的臺(tái)架試驗(yàn)，因此國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)油臺(tái)架評(píng)定體系也必須按照美國 API 體系的要求進(jìn)行建設(shè)以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)油國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以建立我國發(fā)動(dòng)機(jī)油臺(tái)架評(píng)定方法迫在眉睫。從歐洲和日本發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)來看，基本都是在借鑒 API規(guī)格臺(tái)架的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的國情建立發(fā)動(dòng)機(jī)油的評(píng)定臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展自己的發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格。因此，我們也可以借鑒美國API經(jīng)驗(yàn)，成立汽車行業(yè)和潤滑油行業(yè)共同組成的協(xié)會(huì)，選擇得到大家一致認(rèn)可

19、的，具有代表性的發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)行工況的臺(tái)架試驗(yàn)來建立適合我國國情的發(fā)動(dòng)機(jī)油試驗(yàn)臺(tái)架評(píng)定體系，提高我國發(fā)動(dòng)機(jī)油的研發(fā)水平和競爭能力。參考文獻(xiàn)1 楊國峰，謝驚春，馮振文.API柴油機(jī)油CJ-4與CI-4規(guī)格臺(tái)架對比關(guān)系的研究J.潤滑油，2011，26（3）：29-32.2 ASTM D6750 Standard Test Methods for Evaluation of Engine Oils in a HighSpeed， Cylinder Diesel Engine1K Procedure ( 0.4 % Fuel Sulfur) and 1N Procedure ( 0.04% Fuel Sulfur)S3 James A,et al.The Worlds First Diesel Engine Oil Category for Use with Low-sulfur Fuel:CG-4C.SAE 9419394 ASTM D66