柴油机油清净性评定台架活塞沉积物生成及对试验运行影响

蔡秋涛等

摘要：介绍柴油机油清净性评定台架现状，分析活塞沉积物的成因和影响因素，通过选择不同试验条件来考察使用不同含硫量燃油和不同冷却液温度对活塞沉积物生成的影响，分析不同量的活塞沉积物对试验运行工况的影响。通过发动机台架的实际运行来考察清净性很差的油品由于沉积物过多造成发动机运行异常 ，并对沉积物造成发动机运行异常的实例结果进行分析，对柴油机油研发以及评定台架性能考察与设计具有重要的参考意义。

关键词：柴油机油评定台架 ；清净性 ；含硫柴油 ；漆膜；积炭

中图分类号：TE626.32文献标识码：A

Abstract：The status of diesel engine oil cleanliness test bench was introduced， the forming reasons and influence factors of piston deposit were analyzed， the impact of using different sulfur content fuel and different coolant temperature on piston deposit formation was checked by choosing different testing conditions，and also the impact of different piston deposit amount on engine running condition was analyzed.By running on real engine bench， the oil with bad cleanliness was validated whether it would cause abnormal engine working due to much more deposit， and the abnormal running example result was analyzed. All these have important reference significance on research and development of diesel engine oil， and also on the performance checkout and design of engine test bench.

Key words：diesel engine oil test bench； cleanliness； sulfur diesel； varnish； carbon

0引言

柴油机油清净性是通过专用的发动机试验台架来检测，通过对活塞沉积物性质和数量加权总评分来评价认定的。清净性能不同的油品对沉积物生成的抑制和清洗分散能力也各不相同，活塞沉积物的数量积累到一定程度会对试验发动机的润滑和运行带来影响，活塞沉积物主要是以积炭和漆膜的形式存在。

1清净性评定台架

1.1Caterpillar系列台架

随着柴油机油规格不断升级，要求通过的台架数量也越来越多，其中对清净性考察是柴油机油规格中最重要的评定项目。开特皮勒（Caterpillar）系列台架是API评定柴油机油高温清净性的标准方法，其发动机及控制系统均是针对考察清净性而专门设计。为满足API柴油机油规格升级，Caterpillar台架也不断的发展，从上世纪60年代单缸Caterpillar1H2发展到现在多缸并且带有内部废气循环（ACERT）系统的Caterpillar C13。

随着新排放标准越来越苛刻，柴油机油规格也不断升级，推动了Caterpillar系列台架标准的发展。这些台架标准通过模拟不同阶段涡轮增压柴油机的运行工况；分析活塞沉积物的性质和数量、活塞环的黏结状况；测量活塞环与气缸套的磨损量及机油消耗，作为高温清净性能评定的重要手段，为API柴油机油的规格升级提供了重要支撑。表1列出了API不同规格柴油机油所要求通过的Caterpillar台架试验的对应关系[1]。

1.2我国1135柴油机油清净性评定台架

我国对柴油机油清净性考察的台架标准主要是1992年实施的“CC级柴油机油高温清净性评定法（1135C2法）”和1994年实施的“CD级柴油机油高温清净性评定法（1135D2法）”。台架使用增压1135单缸柴油机，通过试验研究，结果与Caterpillar1H2有良好的相关性，可作为对应Caterpillar清净性台架评定的筛选试验[2]。与Caterpillar试验标准一样，试验规定以0.4%含硫量柴油为燃料，通过测定活塞、活塞环槽沉积物的生成倾向等来评价柴油机机油的清净性能。

2活塞沉积物

活塞沉积物产生的原因比较复杂，与发动机结构、强化系数、运行工况以及燃料成分和润滑油性能等密切相关。目前人们所普遍接受的一种观点是：活塞沉积物是燃料及润滑油在高温氧化下的产物，其主要存在形式是积炭和漆膜。

在台架检测中，发动机排气温度一般控制在550 ℃度以上，由于缸套冷却水的散热作用，燃烧室壁和活塞顶部区域温度大约在250～500 ℃之间。不完全燃烧的燃料和窜入燃烧室的润滑油混合在一起产生油烟和焦油微粒氧化成胶状液体—羟基酸，羟基酸又进一步氧化成一种半流体树脂状胶质，牢固地黏附在零件上，并在高温和金属催化的作用下，聚合成更复杂的聚合物——积炭和漆膜。

积炭的组成成分有润滑油、羟基酸、沥青质、油胶质、碳青质、硫酸盐、硅化合物等，发动机温度越高，形成的积炭也越硬越紧密，与金属黏结越牢固[3]。

漆膜是润滑油和燃料氧化缩聚的产物，与金属表面结合得非常牢固，主要沉积在活塞环槽、环台、裙部，颜色有淡黄色、棕褐乃至深黑色，活塞环槽的漆膜常常夹杂有积炭，颜色深而表面粗糙。润滑油和燃料油的示踪原子氚的柴油机试验证明，漆膜90%来自润滑油，10%为燃料氧化及不完全燃烧产物。

3影响沉积物生成主要因素

为了增加试验苛刻度，使试验结果能在一定时间内直接准确的反映出试验油的清净性能并具有良好的重复性和区分性，试验标准规定使用含硫量0.4%的柴油为燃料，缸套的冷却温度设定在有利于沉积物的生成范围内。

3.1燃油硫含量对沉积物生成的影响

燃油中所含的硫化物虽不直接接触金属，但经过燃烧后产生的SO2和SO3能腐蚀燃烧室、金属零件和排气系统。SO3比SO2的危害大得多，既能促进燃烧室、活塞与活塞环间隙中的积炭、漆膜生成，还会窜入曲轴箱内加速机油的变质。

如图1所示是燃用含硫柴油时活塞的积炭、漆膜形成过程。含硫燃料燃烧后产生的SO2和SO3进一步与润滑油作用，经氧化、磺化反应形成含氧含硫化合物，再经聚合等反应，最后在活塞高温区形成了积炭、漆膜。因此试验以含硫柴油为燃料，就更易于沉积物生成[3]。

3.2冷却液温度对沉积物生成的影响

活塞沉积物的性质和数量取决于燃烧条件和燃烧物的成分。在同一台架上分别以不同硫含量的柴油为燃料和不同的冷却液温度，可以同时考察不同含硫量燃油和缸套冷却液温度对活塞沉积物生成的影响。试验结果发现，虽然燃烧产生SO2和SO3取决于燃油的硫含量，但这些硫氧化物在活塞上部高温区聚合成积炭和漆膜的数量取决于对发动机燃烧室冷却液的控制温度，而与燃料的硫含量无关。

表2所示是在1135台架上设定的5种试验条件，分别选用不含硫、含硫0.5%、含硫1.0%的柴油为燃料，以考察对活塞沉积物的影响关系[2]。

选取不同公司生产的柴油机油产品为试验油样1#、2#、3#、4#、5#、6#，表3、表4、表5、表6、表7是试验油样对应某个试验条件的试验结果。

（1）在试验1、试验2、试验3的条件下，不含硫或含硫0.5%、1.0%的燃油对活塞清净性没有明显影响，这是由于这三种试验条件的气缸套冷却温度在100 ℃以上，均属高温试验，柴油中的硫化物经燃烧产生的SOx以及燃烧后的水蒸汽大多从发动机的排气管排掉，故对试验结果没有明显的影响。

（2）在试验4、试验5的条件下，气缸套冷却温度在70～80 ℃左右， 对活塞清净性影响较大，使活塞清净性有一定程度的变坏。这是由于含硫柴油中的硫化物经燃烧后所产生的SOx在气缸温度不高时与水蒸气结合，在气缸壁凝结，这些酸性物质渗入活塞环和环槽的间隙，加重了沉积物的形成。

4活塞沉积物对试验运行的影响

4.1沉积物生成倾向

决定沉积物形成的因素主要有两方面：一是试验参数，如燃料成分、油耗、冷却水温度等；二是样品、油品的清净分散能力。氧化性和清净性较好的油品既能抑制沉积物的产生，又能有效清洗分散沉积物。

在高温的作用下，靠近金属的胶质聚合成积炭并逐渐增厚，经过一定程度的沉积后，新沉积在活塞顶部和一环台上面的有机物将被烧净排出，这时积炭增长的十分缓慢而近乎于达到平衡状态。此后积炭的生成和增长只限于燃烧室面层的中低温区，积炭有效的沉积在1、2、3环槽内和环台上，随着积炭生成累积和试验油的清洗作用，这些位置的积炭也会在一定时期趋于缓慢增长或达到平衡状态。国外许多试验室的研究表明，在Caterpillar1G2在完成480h试验后的活塞沉积物中，有70%～80%的沉积物在120 h时已经形成[1]。图2所示为1G2台架试验积炭沉积量变化曲线。

清净性能好的试验油，沉积物生成倾向就会弱些，达到平衡点时的数量相对少些；反之，沉积物生成倾向明显，沉积速度较快，达到平衡点时的沉积物数量相对较多。对于清净性能很差的油样，沉积物的快速生成和大量积累会影响试验台架的正常运行，甚至使试验终止。

4.2沉积物对润滑的影响

活塞环背隙的积炭数量是油品清净性评价的主要内容，以轻炭、中炭和重炭来分级，重炭是指积炭充满整个活塞环背面和环槽之间的整个空间，或者虽然厚度较小，但由于环背面积炭过多而呈现抛光的面积。此处，活塞环已没有伸缩间隙，也堵塞了润滑油泵送通道。中炭和轻炭分别是指积炭占活塞环和环槽背面空间的1/4以上和1/4 以下，沉积在活塞环和环槽的积炭会使环和环槽的间隙变小，阻碍了润滑油的正常泵送，加上积炭和漆膜的隔热作用使高温区得不到正常的润滑和冷却，导致环和环槽热负荷过高，更加速了环槽沉积物的产生，这种情况下缸套冷却水测量温度反映不了活塞环组与缸套之间实际温度。

4.3沉积物对试验运行的影响

通常情况下，不管是通过油还是不通过油，处在高温区的活塞环、环槽、环台不断吸附积炭和漆膜，并随着试验的运行而不断增加。只要没有改变活塞环与环槽之间的配合性质，活塞环没有卡滞，环在环槽里能自由伸张，就不会影响活塞环与缸套密封效果，这时活塞-活塞环组与缸套的密封作用与试验运行初期没有明显改变，窜气量和油耗也不会明显增加，缸套也不会出现不正常磨损，试验能够正常进行至结束。如图3、图4分别所示是1M-PC试验完成后的通过油和不通过油活塞图片；图5所示是1M-PC试验完成后正常磨损的缸套图片；图6、图7分别所示是1M-PC 经过120 h正常试验过程曲轴箱窜气量和油耗变化曲线。

但对于清净性能差的试验油，沉积物增加到一定程度可能会导致活塞环与环槽之间配合性质改变，特别是处于高温区的一环，随着积炭数量增加会明显破坏活塞环与缸套之间的润滑和热传导，加速新的积炭形成，最终活塞环与环槽的背后间隙和侧向间隙都被积炭充满、黏结，使活塞环在环槽中弹性减弱或失去弹性被卡滞。失去弹性的活塞环会造成气缸表面拉伤，燃烧室密封不严，曲轴箱窜气量增加，油耗增加，排温升高，台架控制参数出现异常。

4.4沉积物造成发动机运行异常

台架的试验工况是模仿道路实际路况，以含硫柴油为燃料和对缸套冷却水温度控制都增加了试验的苛刻度，有利于沉积物的生成，使试验结果在较短的试验周期内能真实准确反映油品清净性能，并有良好的相关性。

试验油可能是通过油、不通过油或清净性较差的油品。一般情况下，通过油或不通过油在一个试验周期内对运行工况不会有明显影响，能够按照标准完成试验。但清净性明显较差的不通过油在试验进行到中后期，如果积炭过重，在试验运行中反映最直观的就是发动机曲轴箱窜气量的明显变化带来的影响，同时油耗、排气温度等运行参数也超出试验标准规定范围，使试验结果失去意义。

对于清净性很差的油品，由于活塞高温区积炭过重，积炭增加到一定数量破坏了活塞环和环槽的配合性质，造成活塞环卡滞。失去弹性的活塞环与缸套密封不严，甚至出现严重拉缸，使缸套和活塞环的磨损急剧增大，造成曲轴箱严重窜气，油耗增加，排温升高，明显超出试验标准规定范围。如果台架继续运行，达到某一个时间节点时会急剧出现窜气量陡增，其他主要参数也陡变，大量烟气从曲轴箱通气孔道中喷出，从曲轴箱窜入燃烧室的润滑油也会随排烟一起排出，台架发动机出现异常震动，出现如此极端的情况必须立即停机。

5沉积物造成发动机运行异常实例

以某清净性能很差的油品进行的Caterpillar 1M-PC试验为例，试验标准规定台架以指定的转数和燃油消耗率连续运转120 h，表8为试验运行条件。

正式试验开始，台架运转平稳，数据控制准确稳定，试验参数每1 h记录一次，每12 h调整机油并记录窜气量。在12 h、24 h、36 h检测窜气量均为0.70 m3/h。第48 h时检测窜气量略有增加，为0.79 m3/h。随着时间推移，窜气量开始从缓慢增加发展到快速增加，运行至60 h时增加到2.36 m3/h，油耗略增，此时排气温度也升高了50 ℃，曲轴箱窜气量检测口有浅蓝烟冒出，曲轴箱真空度变成正压。继续观察，窜气量仍在增加，运行至63 h，窜气量陡增，排气声音粗暴，接口垫漏烟伴随爆破声并有机油渗出，排气出现爆破音，发动机抖动，此时立即按操作规程停机，拆机检查。如图8所示试验过程中窜气量变化曲线。

现象分析：由于试验使用0.4%含硫柴油，冷却液出口温度控制在（87.8±2.8）℃，对于清净性能较差的油品，活塞高温区的沉积物会较早形成并明显增加，造成环槽积炭严重，甚至导致活塞环在环槽中卡滞。窜气量快速增加，使燃烧室内可燃混合气大量窜入曲轴箱造成的，说明活塞环组与缸套正常密封被破坏。同时曲轴箱飞溅的机油颗粒在正压条件下窜入燃烧室，在排气管接口垫处喷出。

拆解结果：试验至63 h停机，待冷却后拆机，抽出活塞分析检查：

（1）一环、二环在环槽内整体卡死，环与环槽接触面积全部被积炭黏接为一体，整体形成死环。

（2）三环有五分之一黏结卡死，其余部分手指按压已无弹性，呈过渡状态。

（3）活塞承压面和非承压面裙部有磨损痕迹，略有手感。

（4）缸套拉伤，手感明显。

图9～图11是试验至63 h时拆解的活塞-活塞环组照片：图9活塞承压面、图10 活塞非承压面、图11活塞环卡死造成缸套拉伤。

6结论

（1）柴油机油清净性评定标准规定以含硫柴油为燃料，燃油硫含量和冷却水控制温度对沉积物生成有直接影响。较低的冷却水温度，有利于活塞沉积物生成。

（2）积炭累积和试验油的清洗作用共同存在会使沉积物在一定时间趋于缓慢增长或达到平衡状态。在正常情况下，通过油、不通过油的活塞沉积物不会对试验正常运行工况造成影响。

（3）清净性明显较差的不通过油在试验中后期由于积炭过重，改变了活塞环和环槽之间的配合性质，最直观的反映是曲轴箱窜气量的改变。如果积炭继续增加会使油耗、排温等参数超出标准规定范围，虽然发动机可以继续运行，但试验结果失去意义。

（4）在清净性很差的油品试验中，在试验前期和中期就沉积大量的积炭，活塞高温区积炭增加到一定数量会使活塞环在环槽中变成黏环，逐渐卡滞，形成死环。活塞环和环槽的配合性质发生改变导致活塞环与缸套异常磨损，出现严重拉缸，同时油耗和排温明显增加。试验继续运行达到某一个时间节点时会出现窜气量陡增，大量烟气从曲轴箱与外界相通的孔道中喷出，必须紧急停机。

参考文献：

[1] 杨国峰.谢惊春.Caterpillar系列柴油机油台架评定技术的发展[J].润滑油，2012，2（2）：39-44.

[2]陈国华.1135与Cat 1H2单缸机试验结果的相关性[J].石油炼制，1990（9）：53-55.

[3]陈国华.柴油含硫量对评定CC、 CD级油试验结果影响的研究[J].润滑油，1998，10（2）：46-49.收稿日期：2014-10-27。