CK-4柴油机油在国五重负荷牵引自卸车上的应用研究

魏新宇 李湛 夏冲 王佳源 李梅花 徐珊

东风嘉实多油品有限公司

选用低灰分的东风嘉实多CK-4 15W-40柴油机油在东风天龙牵引自卸车上进行了60 000 km不换机油实车路试试验，对试验机油的各项理化性能进行了全过程的跟踪监测。行车试验结果表明，试验机油具有良好的黏度保持性能、碱值保持能力、高温抗氧化能力、高温清净性能、抗磨保护性能，完全满足复杂苛刻路况下国五排放标准的重负荷牵引自卸车的润滑需求。

随着排放标准的日益严苛，各省陆续出台了国六排放实施的具体时间，国六排放标准将分为A与B两个阶段。柴油车辆国六A将会在2020年7月正式执行，而国六B将会在2023年7月正式执行。为了满足国六 A/B阶段的排放标准，国内各大OEM（原始设备制造商）的发动机普遍采用涡轮增压中冷、直喷、电控、高压共轨等先进技术，同时采用EGR（废气再循环）、SCR（选择性催化还原）、DPF（颗粒物捕集器）等后处理技术。这些技术大大提高了柴油机的综合性能，但对润滑油的要求也进一步提高，即要求改善柴油机油的高温清净性能，减少由于烟炱造成的柴油机油黏度增加，减少发动机部件磨损[1]；同时DPF（颗粒物捕集器）在未来国六排放车型中广泛应用，柴油机油会逐步向低SAPS（低灰、低硫、低磷）方向发展。

CK-4柴油机油规格是API（美国石油学会）的最新一代柴油机油规格。由于选用低SAPS配方，不仅满足采用了EGR、SCR等后处理技术的柴油机用油需求，而且可以适用于未来广泛配置DPF的国六发动机用油需求。目前国内国六重负荷柴油发动机普遍在开发和验证阶段，因此本次油品验证选用了装载东风风神国五dci11发动机的东风天龙牵引自卸车，在山区矿场、山区道路、乡村道路、高速公路等复杂工况下进行路试应用研究。

试验部分

试验车辆

试验车辆为5辆车况相似、满足国五排放要求的大马力重负荷牵引自卸车，行驶里程在80 000～120 000 km之间，车辆运转良好，发动机无大修且零部件密封良好，未出现渗油、漏油现象。试验车辆运行工况为山区矿山砂石运输，运输载荷大，运行环境差，粉尘污染严重。5辆试验车辆参数及使用情况见表1。

试验用润滑油

为了确保试验条件的一致性，使试验数据具有更好的参考意义，试验机油为同一生产批号的东风嘉实多油品有限公司开发生产的CK-4 15W-40柴油机油，油品质量指标及新油理化性能实测数据见表2。

试验用柴油

考虑到以往东风车型路试发现柴油机油酸、碱值（旧油测定值变化曲线）出现交叉的问题，通过对路试车辆用柴油进行检测，出现此问题的主要原因是车辆使用地方劣质柴油[2]。因此本次试验用柴油为参与路试的物流公司定点国内知名品牌的加油站提供的-10号车用柴油，车队在该加油站加注的-10号车用柴油理化性质典型数据见表3。

表1 试验车辆参数及使用情况

表2 试验机油理化典型指标

试验准备及采样

试验开始前，将5台试验车辆移至服务站水平地面，在旧机油热的状态下，从油底壳放油塞处放净发动机内的旧机油，同时更换机滤、油滤、空滤，再用试验机油对发动机进行清洗。清洗过程为发动机更换试验机油后，怠速运转20 min，然后放净清洗油并再次更换机油滤清器。清洗完毕后加入新的试验用油（东风嘉实多CK-4 15W-40柴油机油）至机油标尺上限，启动发动机运行5 min，再补加新油至标尺上限，同时记录加入机油总量和车辆的行驶里程数，开始行车试验。

首次取样为里程为0 km，每隔10 000 km取样一次，总试验里程要求不少于60 000 km，每次取样150 mL，每次取样后适当补加新油。

行车试验用油评价标准

由于目前我国还没有出台CK-4等级的柴油机油换油指标，本次路试试验部分指标选择GB/T7607—2010《柴油机油换油指标》中的CH-4柴油机油换油指标进行辅助分析判断，具体见表4。

试验结果及分析

黏度保持性

运动黏度是发动机油润滑性能的重要指标。不论运动黏度的过度上升或下降，对发动机的运转均产生不利影响：一方面，若运动黏度增长过大，则导致发动机运转能耗升高；另一方面，若运动黏度下降幅度过大，则导致油压低，发动机运转无力，且密封性和油膜承载力均会变差，恶劣情况下导致发动机磨损严重[3]。影响发动机油在使用过程中的黏度特性的因素有很多，如蒸发损失、聚合物热裂解和降解、油品氧化缩合变稠、油品对烟炱和油泥的分散、燃油稀释等[4]。

试验油品100℃运动黏度变化见图1。

由图1可见，在试验过程中，试验油品的100 ℃运动黏度在20 000 km前出现缓慢下降。这主要是因为机油受到发动机摩擦副的剪切作用，使机油中的黏度指数改进剂由大分子剪切成小分子导致的，之后运动黏度变化趋于稳定，且在试验后期未见快速增长。试验油品中，100 ℃运动黏度变化率最大为4.71%，远小于GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标黏度变化率变化限值(不超过±20%)，说明油品氧化和烟炱引起的黏度增长很少，试验油品表现出优秀的黏度保持性能。

抗氧化性能

发动机油的氧化是导致其衰变失效的重要原因。由于润滑油为碳氢化合物，在发动机高温下与空气及燃烧产物作用产生氧化反应生成醛、酮、有机酸等中间产物，而氧化中间产物又进一步氧化缩合生成大分子胶质和沥青质物质从而使油品黏度增大[5]。通过检测试验过程中的氧化值可以监测机油的老化衰败情况。

表3 定点加油站-10号车用柴油（国V）技术要求和典型数据

表4 GB/T 7607—2010中CH-4柴油机油换油指标

图1 试验油品100 ℃运动黏度变化趋势

试验油品氧化值变化见图2。

由图2可见，随着试验的进行，5辆车的氧化值均呈现缓慢上升的趋势，与运动黏度变化规律一致，说明机油可以有效抑制自身氧化衰败。

碱值保持性能和酸值变化

碱值及碱值保持能力是衡量发动机油清净性能的重要指标。通常发动机油的碱值越高，其中和机油氧化和燃料燃烧产生的酸性物质的能力越强；同时碱值一般为机油添加剂中的清净剂提供的，因此发动机油的碱值保持能力越好，其越能确保在使用后期具有足够的清净性能，避免因碱值消耗过大而造成清净性能不足。

酸值主要用于检测油品中某些功能添加剂的消耗情况及油品的老化程度。油品在使用过程中受到温度、水分或其他因素的影响，会逐渐老化变质。随着油品老化程度增加，产生较多的酸性物质，使油品酸值增加；较大量的酸性物质会对设备造成腐蚀，并在金属的催化作用下继续加速油品的老化状况，影响发动机的正常运行[6]。

试验油品总碱值和总酸值变化见图3。

图2 试验油品氧化值变化趋势

图3 试验油品总碱值与总酸值变化趋势

由图3可见，随着试验的进行，总碱值呈现逐步下降的趋势，总酸值呈现逐步上升的趋势。由前面分析可知机油的氧化值增加较缓慢，因此总碱值下降主要是柴油燃烧产生的酸性物质与油品中和导致的，同时机油自身高温氧化也会产生少量酸性物质，使总碱值降低和总酸值升高。试验油品中总碱值最大下降至5.9 mgKOH/g，降幅为31%，远小于 GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标碱值变化率变化限值（＞50%）；总酸值最大增长量为1.7 mgKOH/g，增幅为GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标总酸值变化上限的68%。这说明试验油品具有较好的碱值保持性能和酸中和能力。

烟炱处理能力

烟炱即通常说的烟灰，其成分比较复杂，主要是燃油和窜入燃烧室的机油在贫氧下经不完全燃烧或热裂解而产生的。当烟炱粒子增加到一定程度时，由于范德瓦尔斯力的影响，烟炱粒子发生积聚，与氧化形成的胶质凝聚成高黏度的网状结构，这些网状物极其脆弱，易断裂，它们改变了油品的流动性，从而引起润滑油黏度过快增长。如果机油不能有效分散机油中的烟炱，机油便无法形成完整连续的油膜，不能起到很好的润滑作用，导致磨损加剧，同时过多的烟炱聚集还会导致发动机油路堵塞、气门卡死等故障。东风风神dci11国五发动机由于采用了延迟喷射点火技术，降低了燃烧温度从而减少NOx（氮氧化物）的排放，但也加剧了柴油不完全燃烧，产生更多的烟炱，因此需要机油具有更好的烟炱处理能力。

试验油品烟炱含量变化见图4。

由图4可见，随着试验的进行，5辆车的烟炱含量均呈现累积上升的趋势，试验油品中烟炱含量最高达到了0.43%（质量分数），但机油黏度未见明显升高，说明机油可以有效分散燃烧产生的烟炱，防止烟炱富集引起的机油黏度增长。

闪点变化分析

机油的闪点主要反映的机油被燃料污染的程度。如果机油闪点明显下降，说明机油被燃料稀释较严重，需要及时更换油品并检修发动机。

试验油品闪点变化见图5。

由图5可见，整个行车试验过程中试验机油闪点（闭口）未发生明显变化，均保持在210～220 ℃，未超过GB/T 7607—2010 《柴油机油换油指标》CH-4换油指标的闪点（闭口）变化限值（＜130 ℃），说明本次试验车辆状况良好，未出现异常的燃油稀释情况。

水分含量变化分析

机油中水分主要来自于燃烧室燃烧产生的水汽，缸套老化或散热器锈蚀会引起机油水分异常升高。机油中过量水的存在会破坏机油油膜强度，造成机油添加剂分解失效，加快发动机零部件腐蚀。当发动机正常工作时，发动机工作温度较高，因此燃烧产生的水分大部分被蒸发，对发动机危害不大。

试验油品水分变化见图6。

由图6可见，试验过程中，机油中水分一直处于痕迹状态，小于GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标水分变化限值（＞0.20%），说明机油受到到水分污染，同时也反映发动机水冷系统工作状况良好。

图4 试验油品烟炱含量变化趋势

图5 试验油品闪点变化趋势

图6 试验油品水分含量变化趋势

正戊烷不溶物变化分析

正戊烷不溶物是润滑油氧化产物、添加剂分解产物、发动机金属磨粒和灰尘及积炭的综合。主要反映润滑油氧化变质和受污染的程度。

试验油品正戊烷不溶物变化见图7。

由图7可见，试验过程中，机油中正戊烷不溶物一直处于缓慢上升的状态，试验油品中正戊烷不溶物含量最高达到了0.39%（质量分数），远小于GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标正戊烷不溶物变化限值（＞2.0%），说明机油性能稳定，氧化衰变缓慢。

抗磨性能及发动机磨损元素变化分析

在发动机运行过程中，零部件摩擦副的磨损不可避免，试验过程中对元素含量变化的检测是掌握发动机磨损情况的有效方法。机油中的磨损元素主要有Fe、Pb、Cu、Al、Cr等。从磨损元素的来源上分析，Fe、Cr、Al主要来自于发动机缸套、活塞、活塞环、阀系，Cu、Pb元素主要来源与发动机轴承和轴瓦。

试验油品磨损元素变化见图8～图10。

由图8～图10可见，整个试验过程中，各主要磨损元素呈现逐渐增大的趋势，但磨损元素含量始终处于较低水平，试验油品中磨损元素Fe最高达到了42 mg/kg，磨损元素Cu最高达到了31 mg/kg，磨损元素Pb最高达到了10 mg/kg，其他磨损元素均低于10 mg/kg。从结果来看，磨损元素远小于GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标的磨损元素变化限值，说明机油具有非常好的抗磨损性能。

图7 试验油品正戊烷不溶物含量变化趋势

图8 试验油品磨损元素Fe含量变化趋势

图9 试验油品磨损元素Cu含量变化趋势

Si元素变化分析

硅元素来源主要与汽车工作环境中的砂石、尘土以及外界异物产生的磨损，如果发动机油中硅元素过多，会造成发动机零部件的磨料磨损。

试验油品磨损元素变化见图11。

由图11可见，整个试验过程中，由于路试车辆主要为山区矿场，风沙和尘土较多，因此硅元素呈现明显增加趋势，且Si元素含量均已超过GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标Si元素变化限值（＞30 mg/kg）。试验油品中Si元素最高达到了79 mg/kg，但各磨损元素始终处于较低水平，说明即使在Si元素含量超标的情况下，试验机油依然可以提供足够的油膜润滑和抗磨保护。

发动机拆检分析

行车试验结束后选取1号试验车辆进行了发动机拆解检查，主要摩擦副和零部件外观见图12～图18。经过拆机检查，发动机缸套内壁、活塞环、曲轴、轴瓦表面状态良好，无异常磨损和划伤；活塞沉积物较少，无黏环现象；油底壳和侧挡板油泥较少。说明试验机油在60 000 km路试试验中具有较好的抗磨保护性能、高温清净性能和抗油泥性能。

结论

试验用CK-4 15W-40柴油机油在重载荷、多灰尘矿区及复杂路况条件下，搭载5辆东风天龙牵引自卸车完成了大于60 000 km的路试试验。机油旧油取样理化分析和发动机拆检结果表明，试验油品最终各主要理化指标（除硅元素含量）优于GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》CH-4换油指标，表现出优异的抗磨保护、抗氧化、碱值保持、黏度保持、烟炱处理、高温清净和抗油泥等性能，为5台试验车辆提供了良好的润滑保护。

图10 试验油品磨损元素Pb含量变化趋势

图11 试验油品污染元素Si含量变化趋势

图12 1号试验车发动机缸套内壁外观

图13 1号试验车发动机活塞环外观

图14 1号试验车发动机活塞外观

图15 1号试验车发动机主轴瓦外观

图16 1号试验车发动机曲轴外观

图17 1号试验车发动机侧挡板内部外观

图18 1号试验车发动机油底壳内部外观