Ｍａｃｋ系列重负荷柴油机油台架测试的发展

摘要：综述了Mack系列柴油机油评定台架方法，包括Mack T-6、T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-9、T-10、T-11和T-12等测试。介绍了Mack测试的历史、建立背景、发展过程、运行条件、评定柴油机油的规格、评定参数和评定标准，对高性能重负荷柴油机油的开发研制具有重要的参考价值。Mack系列台架测试的发展是随着发动机排放标准不断苛刻和柴油机油规格不断升级而推进的。其中，Mack T-9、T-10、T-12评价发动机润滑油的抗氧化性能和发动机气缸壁与顶环的磨损；Mack T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-11评价润滑油烟炱分散性能及相关的粘度增长。

关键词：柴油机油；台架方法；Mack测试

中图分类号：TE626.32 文献标识码：A

Development of Mack Series Heavy-Duty Diesel Engine Oils Bench Tests

HAN Heng-wen

（Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC, Beijing 100083，China）

Abstract:A series Mack test bench methods of diesel engine oils, such as the Mack T-6, T-7, T-8, T-8A, T-8E, T-9, T-10, T-11, and T-12 tests, are summarized in this paper, including the history of tests, the background of establishment, the process of development, the test conditions, the category of evaluated oils, measured parameters and its limits. It is very useful for the study of the high performance heavy-duty diesel engine oils. The development of Mack series tests are prompted by the diesel emission standards progress and the diesel engine oil specifications upgrade. Among them the oxidation resistance of the oil, the cylinder line wear and the top rings weight loss are evaluated in Mack T-9, T-10 and T-12, while the soot related viscosity increase of the oil is evaluated in Mack T-7, T-8, T-8A, T-8E and T-11.

Key words:diesel engine oil; bench method; Mack test

0 前言

Mack系列发动机润滑油台架测试已经发展了30多年，是评定重负荷柴油机油性能的重要方法。Mack台架测试随着尾气排放标准、发动机设计、润滑油规格及市场需求的变化而不断的发展。经过多年发展，Mack测试已经从Mack T-1发展到T-12。早在1971年，Mack公司建立了Mack T-1测试来评定Mack发动机油EO-H，随后在1974年和1976年先后建立了T-4 和T-5测试来评定Mack发动机油EO-I和EO-J。到1981年，建立用以评定EO-K级发动机油的Mack T-6测试，并被API引进作评定API CE级柴油机油的台架，此后Mack系列测试方法一直作为美国柴油机油评定的重要台架测试，为柴油机油的规格升级提供了重要支撑^［1］。本文系统的介绍了Mack系列台架试验的建立背景、发展过程、测试条件、评定标准，对高性能润滑油的开发研制具有重要的参考意义。

1 Mack系列台架的历史与发展

API CD级润滑油仅要求通过Cat.1G₂和L-38两个台架测试，这两种测试发动机在高速、高油耗、高压下添加油运行，并产生很少的烟炱。因此，CD级润滑油具有很低的烟炱分散水平。在Mack EO-K标准中增加Mack T-6测试评定活塞沉积物等项目，因此，满足CD和Mack EO-K的油比CD级有的烟炱分散能力增加了，但是这种分散能力还不足以解决烟炱分散问题。

API CE级柴油机油规格颁布，API引进Mack T-6测试作为评定认证柴油机油达到标准的台架测试。随着API油品规格的不断发展，Mack系列测试先后发展了T-6、T-7、T-8、T-8A、T-8E、T-9、T-10、T-11、T-12等方法，分别评定从API CE到CJ-4的各级油品。表1列出了评定Mack发动机油规格与API柴油机油规格的Mack台架的对应关系^［2］。

在Mack T-7以前，所有的柴油机油的测试都是高速测试，因此很少涉及到润滑油的烟炱分散问题。随着发动机润滑油的烟炱分散问题越来越受到重视^［3］，Mack建立T-7测试来评估低速、高制动平均有效压力 (BMEP)发动机润滑油烟炱相关的粘度增长。

在上世纪90年代，氮氧化物（NOx）的排放标准持续提高，仅凭油品的改进已经无法达到新标准的要求。重负荷发动机制造商们认为通过延迟燃料喷入时间可以降低NOx的排放，但同时，延迟喷入时间会增加曲轴箱烟炱生成。于是，Mack建立T-8台架测试来评定润滑油烟炱相关的粘度增长。

到1998年，美国重负荷柴油机排放新标准出台，加上提高发动机效率的趋势，都需要提高发动机的运行温度，随之产生了润滑油的氧化控制和发动机腐蚀、磨损增加的问题，因而新的测试Mack T-9被建立，测试发动机的环磨损和线磨损，评估润滑油的抗氧化控制及高温运行下的轴承腐蚀。

2002年10月，美国EPA颁布法令要求实施重负荷排放标准2004，发动机设计增加了冷却的EGR（排放气体循环）系统，EGR被重复利用来满足NOx的排放要求，EGR提高了发动机的运行温度，引起燃料废气酸值增加。为评估EGR发动机润滑油的抗氧化性能，发动机磨损和轴承腐蚀，Mack T-10测试作为T-9测试的改进型被建立。

API CI-4标准出台，要求使用EGR发动机。随着Mack ASET EGR发动机的设计使用，烟炱和粘度增长问题突现。Mack 建立T-11测试作为T-8测试的改进型，用以测试EGR和低涡旋燃烧发动机油的烟炱、粘度增长性能。

到2005年，为满足美国高速公路标准2007对于减低颗粒物和NOx排放的要求，美国的重负荷柴油机必须提高EGR的利用率，增加柴油燃烧排放颗粒过滤器（DPF）。为此，要求润滑油和排放气体只含有很少的SAPS，即硫酸盐灰分SA、磷P和硫S，来保证DPF的使用寿命。相应地，Mack T-12台架被建立来评定发动机油在高温运行、高EGR水平时的氧化性能，及发动机的环磨损和线磨损，替代了Mack T-10。

2 Mack系列台架测试

发动机排放标准的发展和效率的提高是推动发动机润滑油规格升级和性能提高的直接推动力。从上世纪80年代至今，发动机排放尾气中的NOx和颗粒物含量标准不断提高，分别从1988年的13.60 g/kW·h、0.82 g/kW·h下降到2010年的0.27 g/kW·h、0.014 g/kW·h，见图1。

发动机对润滑油性能要求不断提高，促使润滑油评定台架测试不断发展。其中，Mack系列台架作为柴油机油性能评定的重要方法，经历了从Mack T-6到T-12的发展。各台架测试的评定参数和运行条件如表2、表3所示。

2.1 Mack T-6

Mack T-6是用来测试柴油机油的油膜厚度、活塞沉积物、油耗和活塞环磨损的台架方法^［4］。采用ETAI673六缸直喷涡轮增压中冷发动机，转速在满负荷、1400 r/min、1800 r/min、2100 r/min之间变速下运转，油温保持113 ℃，不换油运行12 h，循环50次，共600 h试验。T-6 台架用以评定API CE 和CF-4级柴油机油，评定参数标准见表4。

随着时间的推移，API CE级规格被废除，Mack T-6试验的配件逐渐不可获得，Mack T-9取代T-6评定API CF-4级润滑油的性能。

2.2 Mack T-7

重负荷发动机在停开状态或混合状态下运行，涡轮增压器的滞后及空气惯量导致空气不足，在发动机加速期间，会造成即刻过量加油。这种情况不断重复，曲轴箱中的润滑油就会出现高含量的烟炱，发动机油经常会出现很高的粘度增长、油凝胶和煤泥形成，所有这些都是由烟炱分散能力不足引起的。

虽然烟炱生成是在停开运行期间，但简单的形式，如稳态情况，更适合发动机台架测试，而且稳态运行易于控制，结果也更一致。Mack T-7是美国第一种用来评估发动机润滑油烟炱分散能力的测试^［5］。

T-7采用EM6-285直喷发动机，降低了油耗和发动机速度，提高扭矩和制动平均有效压力（BMEP）。发动机在高扭矩和高BMEP下运行，空气燃料比接近于化学计量比，生成的烟含量更多。加上较低的油耗，增加的烟炱生成量导致产生更多的粘度增长。

对于API CF-4油，测试中最后50 h允许的最大粘度增长是0.04 mm²/s^［6］，此数值是从行车数据和可接受的粘度增长的相互关系中分离出来的。由于Mack T-7的建立，高负荷发动机润滑油烟炱分散水平得以提高。

到1998年，Mack T-7测试配件已不可得，但CF-4级油仍在热销，因此采用150 h的Mack T-8测试，替代T-7测试来评定CF-4级润滑油，这个版本的T-8就是Mack T-8A。

2.3 Mack T-8

NOx的形成主要受最高的燃烧温度影响。发动机制造商采用延迟燃料注入时间，降低最高燃烧温度，减少NOx的排放，但因此产生了烟炱的生成率增加，润滑油的烟炱水平增加，粘度增长问题。Mack T-8被建立来测试润滑油的烟炱控制性能^［7］。

2.3.1 Mack T-8

Mack T-8测试采用E7-350发动机，在高速下采用燃料延迟注入限时，加速产生烟炱速率。延迟注入时间设置在测试参考油开始时设定，测试样品油时不再改变。测试中采用冲洗-运行的形式，发动机在每次测试后并不拆装，每次最大运行3000 h后测试新的参考油时才要重新组装发动机。在每次样品油测试时，测试油在发动机仍然未降温时被排干，并用Mack专用冲洗油冲洗。

Mack T-8采用TGA技术特定标准测试烟炱油中的烟炱质量及测试油的粘度增长，提供更好的重复性和再现性，并与行车数据显示出良好的相关性。T-8测试评定CG-4级油，结果分析包括测试油分析和发动机运行数据分析^［8］。评定参数是在特定烟炱量下的粘度增长、最大油过滤器的压力增长和油耗。Mack T-8比T-7测试更严格，重复性更好，测试评定标准见表5。

2.3.2 Mack T-8E

为满足1998排放标准，制造商在发动机设计时采用更多的延迟注入时间，以获得降低20% NOx的排放。由于市场的压力，换油间隔期也要求延长。这两方面改变更提高了曲轴箱润滑油的烟炱水平。Mack改进T-8来评定API CH-4、CI-4级柴油机油相关的烟炱性能^［9-10］，测试时间延长到300 h，测试的烟炱含量增加到4.8%，即T-8E测试。

在粘度增长测试中，剪切性能不稳定的粘度指数改进剂可能具有人为的优势，与润滑油烟炱分散性能无关。为了修正这个偏差，测试参数被改为相对粘度。此方法综合烟炱4.8%时的初始粘度、剪切粘度、最终粘度，来补偿粘度指数改进剂产生的误差。

Krieger-Dougherty方程式被用来从烟炱增加引起粘度增长中分离由于粘度指数改进剂剪切造成的粘度流失。相对粘度方程式如下：

含4.8%烟炱测试油的粘度/（新油粘度-50%新油粘度流失）

用来计算相对粘度，API CH-4油相对粘度的限值是2.1。

对API CI-4油，方程式分母从50%变为100%的粘度丢失（用布氏注射器测试），来反映新型发动机的最高气缸压力增长和潜在的烟炱水平增长。修正方程式如下：

含4.8%烟炱测试油的粘度/（新油粘度-100%新油粘度流失）

相对粘度的限值是1.8。表6给出了Mack T-8台架评定油品的规格和参数标准。

2.4 Mack T-9

发动机气缸线磨损初始发生在顶环反面、接近气缸线顶，后来大多数磨损发生在顶环的底边。燃烧时，环被吹得向外、向下翻起，环凹槽中填入微细的碳粉，环滚动更引起底边的磨损。在Mack T-6和康明斯NTC-400测试被废除后，Mack和西南研究院联合开发了Mack T-9^［11］来评定CH-4柴油机油的抗磨损性能。为了模拟实际情况在环的翻转区域产生磨损，T-9测试中向测试油中加入研细的烟炱，并在环和线内表面采用高度装填。

西南研究院采用二阶段方法，即微细烟炱产生阶段迅速产生烟炱，然后高度装填阶段产生最大磨损速率。在第一阶段，为最大化烟炱产生速率，发动机高速运行，并采用电流变频注射泵精确控制燃料延迟喷入时间。Mack选定在第一阶段结束时，产生的烟炱量为润滑油质量的1.5%~2.0%。

在第二阶段，环和线磨损被最大化。采用低速、高负载和优先喷入。活塞和环在运动接近停止时的低速，会增加环翻转面的停留时间，进一步导致环翻转面的润滑油膜丢失。发动机在最大负载下的速度运行使用燃料最多、获得扭矩最大，但不会影响烟炱形成、颗粒排放和发动机效率。为了进一步提高负载，最大气缸压力从13.7 MPa增到17.2 MPa。

Mack T-9测试运行500 h，75 h用以烟炱产生，后425 h是高负载阶段。测试300 h后测试油中的铅含量越来越高，检测发动机发现润滑油中的铅来自轴承磨损。试验结果评定显示，T-9台架可替代L-38作为API CH-4级润滑油轴承磨损台架，并替代T-6来评定CF-4级润滑油。评定参数包括气缸线磨损、环失重和测试油的铅变化，参数的通过/失败标准见表7。

2007年6月API宣布到2008年6月30日废弃CF-4重负荷柴油机油规格，并不再进行该规格认证。原因是CF-4规格中评价活塞环磨损的台架试验Mack T-6已不可得，后由Mack T-9替代，现在T-9测试配件也不再生产^［12］。

2.5 Mack T-10

2004年美国颁布新排放标准，延迟注入时间方法已不能满足排放要求，促使制造商采用冷却EGR系统来减少NOx的排放。EGR发动机通过增加点火延迟时间和用内部气体置换氧气方法来减少NOx排放，二者都通过降低最高燃烧温度来减低NOx的产生。

但EGR系统使用也带来一些问题：（1）循环排放气体中含有NOx和SOx可以与水反应生成硝酸和硫酸，可能造成对活塞环和气缸衬里的腐蚀。（2）增加点火延迟时间导致燃烧后期烟炱生成，更多的烟炱被裹进油膜表面，带进曲轴箱，而且尾气中的烟炱被循环到注入口。（3）因增加冷却的EGR，返回到曲轴箱的热量增加30%~40%，导致曲轴箱润滑油油温升高，增加降解。

T-9不适用于EGR发动机，Mack建立了T-10测试EGR发动机的磨损和润滑油氧化性能^［13］。T-10测试长度是300 h，采用T-9测试的二阶段方式，即烟炱产生/润滑油降解阶段和高负荷阶段。但测试的很多细节和参数重新设置，比T-9更短、更苛刻，对润滑油的喜好有轻微不同。

T-10测试有五个通过/失败参数：①测试结束时的铅含量变化；②250~300 h时的铅含量变化；③气缸衬里磨损；④顶环失重；⑤油耗。表8给出了T-10台架的评定参数、通过/失败标准。

这种多个通过/失败参数的测试存在问题，如一个参数可能微超出限值，而其他参数都通过，但测试结果是失败的。

Mack优化了评定参数体系^［14］，采用单一的计算参数：优点分值，代表每个参数贡献的综合。优点分值方法使测试结果因达到标准分值而得到认证，可能补偿超出标准的参数的缺陷，其他参数通过，即便某个参数超出限值，而整个测试结果可能是通过的。在此体系中，为每个参数设立最小值、支撑（固定）值、最大值和权重因素。支撑分值代表可接受的性能，最小值代表高级的性能，最大值代表产生零优点分值的水平。Mack支撑分值是最小分值的一半，所有5项评定参数总的支撑分值为1000。即最少通过分值为1000，理论上测试分值最大可达2000。参数测试结果小于最小值，对Mack分值没有额外贡献；任何参数测试结果高于最大值，都导致测试失败。 T-10测试中各项参数的优点分值如图2。

2.6 Mack T-11

Mack 新型ASET发动机采用EGR系统和新的燃烧室设计，比E7发动机在很大程度上减少了漩涡，低漩涡燃烧和EGR系统都增加了烟炱的生成。T-8E测试的E7发动机没有EGR，不能反应EGR发动机的运行情况。西南研究院在T-10的发动机上安装ASET发动机的活塞柱、注入器和气缸头，合并的结果产生低涡旋燃烧和EGR，与ASET发动机的燃烧和烟炱产生量非常相似。在此基础上，Mack

T-11台架被建立来评估EGR发动机油烟炱相关粘度增长^［15］。

Mack T-11台架测试发动机油烟炱分散性能和相关的粘度增长增加了苛刻性，如图3所示。

图3中曲线代表三种典型不同润滑油，每种润滑油通过相应测试限值的标准。API采用Mack T-11台架评定CI-4+和CJ-4规格润滑油在EGR系统发动机的性能。评定参数和通过/失败标准见表9。

2.7 Mack T-12

美国高速公路重负荷发动机排放标准2007要求更严格，粒子的排放标准将从0.1 g/kW·h降到0.01 g/kW·h。在2007~2010年之间，NOx的排放标准从2 g/kW·h降到0.2 g/kW·h。制造商将提高EGR率来降低NOx。到2010年，将在发动机增设一种提高EGR率和选择性的催化剂（SCR）或增设NOx吸收器，以达到0.2 g/kW·h的标准。

Mack认为为确保EGR利用率的提高，需要一种新的测试活塞环和衬里磨损、油品氧化性能的方法，于是Mack T-12测试被建立^［16］。T-12使用一种几何可变的涡轮增压器（VGT），替代了T-10发动机小涡轮的双涡轮增压器。VGT可确保在高速路、高EGR率下发动机运行有足够的空气，而空气燃料比的选择保持烟炱生成量刚好高于测试失败水平。

T-12中也使用二阶段测试法，润滑油降解阶段之后，接着是高负载阶段。Mack提高第一阶段的EGR率到35%，第二阶段的EGR率到15%，对比Mack T-10分别是112%和500%的增长。第一阶段，调节入口管和冷却器温度，使雾化发生在气缸壁而不是在入口管，油路和油箱温度被提高。第二阶段，压力从20.69 MPa增加到24.14 MPa，来确保300 h测试能够产生足够的活塞环和衬里磨损。

控制燃烧对控制润滑油降解非常重要，因为润滑油暴露于燃烧副产物、热、烟炱、酸和水。T-12采用控制其他选定参数同时，控制空气燃料比和EGR的策略，通过文丘里装置测定吸入CO₂的量确定EGR率，并根据排放CO₂的量，使用VGT来调整空气流。此方法几乎完全控制燃烧和由此产生的润滑油降解。

Mack T-12与T-10具有相似的考核参数：试验结束时测试油中铅含量变化、250~300 h铅含量变化、气缸衬里磨损、顶环失重、润滑油损耗。API采用T-12台架来评定CJ-4级柴油机油，PC-10同样采用T-12进行评定。T-12测试的Mack优点分值体系如表10所示。

3 结论

随着排放标准和市场需求的不断发展，重负荷发动机设计也不断更新。发动机发展向着高效、节能、低排放趋势前进，对发动机润滑油的性能提出更高要求，迫使油品不断更新换代。随着油品规格的不断升级，评定油品性能的台架试验也不断发展、完善。

在过去20多年，Mack系列柴油机油评定台架经历了从T-6到T-12的发展，是重负荷润滑油烟炱分散性能、抗氧化性能、气缸环和线磨损保护、酸值控制和增长换油期的重要评定方法，对重负荷柴油机润滑油的发展起到重要推动作用。

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收稿日期:2008-08-06。

作者简介：韩恒文（1973-），男，硕士，2005年毕业于北京化工大学理学院应用化学专业，现从事润滑油及其添加剂的研究工作，已公开发表论文数篇。