CI-4 15W-40柴油机油在城市轻卡上的应用研究

汤占帅,石顺友,覃雪梅

(中国石化润滑油有限公司华南分公司，广东 广州 510620)

0 引言

废气再循环(EGR)、延迟喷射、选择性催化还原(SCR)、氧化催化剂(DOC)、颗粒捕捉器(DPF)等柴油发动机新技术普遍应用，对发动机油性能提出了更高的要求，推动了发动机油质量等级不断发展[1-3]。在世界普遍采用的API发动机油质量规格体系中，柴油机油的质量级别已经发展到了API CK-4/FA-4[4]。但在国内柴油机油的应用市场上，API CH-4、API CI-4级别较高的油品仍然占据较大比例，且API CI-4规格油品可满足国IV和采用非DPF技术的国V排放发动机的润滑要求，其市场占有率呈现不断快速上升的趋势，并将占据市场主流。

此外，随着电子商务的迅猛发展，城市化水平不断提升，城市对电商、物流行业的配送需求急剧上升，轻卡已成为主要以市区和城郊为主的城市物流主力军[5]。轻卡不但需要使用高级别油品以应对在市区和城郊道路运输过程中的高低速频繁交替和开开停停等的恶劣工况，对换油期也有较高要求。笔者在市场的服务过程中，了解到国内大多数轻卡车辆的换油保养周期较短，普遍在1万多公里，随着运输效率要求的提升，轻卡用户对于延长换油周期有强烈的需求。

目前，国内城市轻卡基本上为国IV和采用非DPF技术的国V排放车辆，考虑到API CI-4柴油机油规格油品将占柴油机油市场主流的发展趋势，开展CI-4柴油机油规格油品在城市轻卡上的应用研究，对提高车辆运营效率，降低车辆维护成本，具有十分重要的实际意义。

1 API CI-4柴油机油的性能要求

为满足2004年高速公路废气排放标准和柴油机采用EGR、延迟喷射等新技术的润滑要求，美国于2002年发布了API CI-4柴油机油规格，该规格主要适用于高速四冲程柴油机，如环保型大功率客、货车柴油机[6]。API CI-4规格柴油机油的台架试验技术指标要求[7]如表1。

表1 API CI-4柴油机油的台架试验技术指标

表1(续)

表1(续)

从台架试验技术要求可以看出，API CI-4规格的柴油机油性能要求苛刻，在高温清净性能、抗磨损性能、烟炱分散性能以及抗腐蚀磨损等方面明显优于CH-4规格油品，如图1。

图1 CI-4与CH-4性能对比

此外，API CI-4规格柴油机油在阀系磨损保护、抗油泥、防止过滤器堵塞、机油消耗和低温泵送性能等方面也得到明显改善。

2 CI-4柴油机油的研制

为满足物流车辆苛刻的润滑要求，精选具有优异抗氧化性能的高黏度指数加氢基础油，加以高性能的抗氧剂、分散剂、清净剂和黏度指数改进剂等功能添加剂，采用先进的生产工艺调制而成的CI-4 15W-40柴油机油，通过严格的Mack T-8E、Mack T-12、Cummins ISM、Caterpillar 1P、Caterpillar 1K、MS程序ⅢF等发动机台架试验，油品质量满足API CI-4柴油机油规格要求。CI-4 15W-40 柴油机油典型数据见表2。

表2 CI-4 15W-40 柴油机油实测数据

表2(续)

3 CI-4 15W-40柴油机油的应用研究

通过选择5台具有代表性工况的城市物流配送车辆，在市区和城郊道路工况条件下，考察研究CI-4 15W-40柴油机油的应用性能，车辆发动机为国IV发动机，发动机技术参数见表3。

表3 发动机技术参数

表3(续)

CI-4 15W-40柴油机油的道路试验过程中，按一定里程(0、1万公里、2万公里和3万公里等)采集油样进行检测分析，检测项目包括机油理化指标、红外光谱和磨损元素三个方面，其中机油的理化指标主要包括运动黏度(100 ℃)、碱值、酸值、水分、不溶物；红外光谱分析包括氧化值、硝化值和烟炱含量；磨损元素分析包括铁、铜和铝等金属元素含量的分析，试验结果如下。

3.1 100 ℃运动黏度

在机油的使用过程中，运动黏度是监控的基本指标，也是影响发动机润滑性的重要指标之一。影响发动机油在使用过程中的黏度特性的因素比较多，如聚合物的裂解和机械剪切、蒸发、氧化变稠、燃油稀释等[8]。发动机油黏度的变化基本可以反映油品衰变程度、黏度指数改进剂的剪切、热裂解变化情况。100 ℃运动黏度的变化情况如图2。

图2 100 ℃运动黏度变化趋势

从图2可以看出，在整个行车试验过程中，机油的黏度变化幅度较小，还处在原来的黏度等级范围之内，没有出现明显的下降和上升现象，也没过超过换油指标中规定的黏度变化范围，说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的剪切安定性和黏度保持能力，没有出现过度氧化而造成的机油黏度剧增现象。

3.2 碱值

在机油的使用过程中，碱性添加剂会被不断的消耗，机油的碱值会逐渐下降，当碱值下降到一定程度时，机油就会失去中和酸性物质的能力，导致发动机有可能会产生酸性腐蚀和磨损，一般要求在用油机油的碱值不低于新油的50%。碱值的变化趋势如图3。

图3 碱值变化趋势

从图3可以看出，在试验过程中，机油的碱值呈现逐渐下降的趋势，其原因是机油高温氧化而产生酸性物质和柴油燃烧生成的酸性物质，使得油品的碱值逐步下降，但未超出换油指标要求的50%，符合发动机油在使用过程中碱值下降的变化规律，说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的碱值保持性和酸中和能力。

3.3 酸值

油品的酸值主要检测油品中某些功能剂的消耗情况及油品的氧化程度。油品在使用过程中受到温度、水分或其他因素的影响，会逐渐氧化变质[9]。随着油品氧化程度增加，产生较多的酸性物质，使油品酸值增加，较大量的酸性物质对设备造成一定程度的腐蚀，并在金属的催化作用下继续加速油品的老化状况，影响发动机正常运行。酸值的变化趋势如图4。

图4 酸值变化趋势

从图4可以看出，随着行驶里程的增加，试验机油的酸值呈现逐渐增大的变化趋势，但在整个试验过程中，油品的酸值不大说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的高温抗氧化性能。

3.4 水分

在用机油中的水分与发动机技术条件、车辆工况和车辆使用环境的湿度有较大关系，其来源主要是发动机冷却系统泄露、密封垫渗漏、车辆的频繁启动或紧急停车造成润滑油系统发生冷凝、曲轴箱或润滑油箱通风不足以及雨水侵入废气系统等[10]。当油品中水分较少时，由于发动机工作温度较高，因此极少量的水有可能被蒸发，对发动机危害不大；但随着机油中水分的增加，机油中水分会破坏油膜形成及其强度，并导致添加剂因水解而失效。另外，较大的水分含量会引起机油乳化变质，导致油泥增多，机油润滑性能下降，加剧发动机锈蚀和磨损。水分的变化趋势如图5。

图5 水分变化趋势

从图5可以看出，整个试验过程中，油品中的水分含量一直处于较低水平，说明CI-4 15W-40柴油机油没有受到水分的乳化污染，机油在发动机摩擦副之间形成的有效油膜强度良好，可以为发动机提供有效的润滑保护。

3.5 不溶物

正戊烷不溶物是反映机油容纳污染物能力的一个指标，当在用机油的正戊烷不溶物含量达到一定值后，会导致机油黏度增大、流动性变差。此外，机油中正戊烷不溶物的聚集成团会堵塞机油过滤网和油道，造成发动机供油不畅而发生机械故障。正戊烷不溶物的警示值一般为1.5%。正戊烷不溶物含量的变化趋势如图6。

图6 不溶物变化趋势

从图6可以看出，整个行车试验过程中，油品的正戊烷不溶物含量不高，未达警示值，说明CI-4 15W-40柴油机油在正常的车辆行驶条件下生产的油泥少，油品具有很好的抑制氧化产物生成的能力，具有优异的抗氧化性能、抗磨性能和清净分散性能。

3.6 氧化值和硝化值

在用发动机油的氧化值、硝化值可以反映出试验油品被氧化、硝化及受污染的程度。我国目前还没有关于利用红外光谱法监控在用机油的氧化值、硝化值的极限规定，一般柴油机油的氧化值和硝化值的警示值为0.25 ABS/0.1 mm[11]，当达到或超过此警示值时，则表明在用机油的氧化衰变情况达到了一定程度，应及时换油。氧化值和硝化值的变化趋势分别如图7和图8。

图7 氧化值变化趋势

图8 硝化值变化趋势

从图7和图8可以看出，随着行驶里程的逐步增加，CI-4 15W-40柴油机油中不断被氧化、硝化，使得油品的氧化值、硝化值呈现逐渐增加的变化趋势。但在整个行车试验过程中，试验机油的氧化值、硝化值一直处于较低水平，没有达到警示值，说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的高温抗氧化和抗硝化性能。

3.7 烟炱

柴油发动机在苛刻的燃烧条件下，会产生很多的燃烧副产物，其中的固体物主要是柴油和进入燃烧室的润滑油在空气不足的条件下经不完全燃烧或热裂解而产生的不定形碳(微小的碳微粒)，表现为烟炱。发动机油中的烟炱含量增加到一定时，如果发动机油没有很好的烟炱分散性能，可能会使发动机更容易形成油泥、高温沉积物，导致机油滤清器堵塞、供油不足、油膜破坏而造成发动机磨损，影响发动机正常工作和寿命。柴油机油中的烟炱含量测定方法目前主要有热重分析法(TGA)、红外光谱法(FT-IR)、过滤法、光反射传感器比较法等测试方法[12-13]。通过红外光谱(FT-IR)测定在用柴油机油中烟炱含量，其换油警示值一般为0.7 Abs/0.1 mm[14]，当油品中的烟炱含量超过警示值时，应及时换油。烟炱含量的变化趋势如图9。

图9 烟炱含量变化趋势

从图9可以看出，整个行车试验过程中，机油中的烟炱含量未超警示值，且处于较低的含量水平，说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的烟炱分散性能。

3.8 金属元素含量

车辆在运行过程中，发动机各零部件都存在一定的磨损，机油中的烟炱含量、酸性物质以及机油的氧化变质也会加快发动机各零部件的磨损。通过检测分析机油中Fe、Cu、Al等磨损金属元素含量，可用于评价油品的抗磨性能，并掌握发动机的磨损情况[15]。Fe、Cu、Al磨损金属元素含量的变化趋势如图10、图11和图12。

图10 铁元素含量变化趋势

图11 铜元素含量变化趋势

图12 铝元素含量变化趋势

从图10、图11和图12可以看出，随着试验里程的增加，试验机油中的铁、铜、铝等金属元素含量呈现逐渐增大的变化趋势。但在整个行车试验过程中，油品中的铁、铜、铝元素的含量均处于较低水平，属于正常的磨损。较低的磨损元素含量也说明CI-4 15W-40柴油机油具有优异的抗磨性能和润滑性能，能够对发动机形成有效的抗磨保护，延长发动机的使用寿命。

3.9 污染元素

在用油中硅元素含量与车辆的行驶环境以及空气滤清器的工作状态有较大关系，一般机油中硅元素含量的警示值为30 mg/kg，当硅元素含量超过警示值时，应该更换机油和空气滤清器。硅元素含量的变化趋势如图13。

图13 硅元素含量变化趋势

从图13可以看出，部分车辆的试验机油中硅元素含量随行驶里程的增加而缓慢增加，可能与车辆的空气滤清器或行驶的环境较为恶劣有较大关系，在整个行车试验过程中，试验机油中硅元素含量的最大值仅为19 μg/g，没有超过警示值。

4 结束语

EGR、延迟喷射、SCR、和DPF等多项柴油机新技术的普遍应用，对发动机油的性能提出了更高要求，推动着发动机油质量等级的不断发展。此外，随着国内物流的快速发展和竞争的日益激烈，用户对于车辆的出勤率要求越来越高，需要性能更好的油品来保障车辆的高效运行。

研制生产的CI-4 15W-40柴油机油通过在市区和城郊道路上进行3万公里的应用研究，结果表明，CI-4 15W-40柴油机油具有优异的高温抗氧化、抗磨性能、烟炱分散性能和抑制烟炱引起的发动机磨损性能，可满足城市轻卡恶劣工况的用油要求，换油周期达3万公里以上，能够有效提高车辆运营效率，降低车辆维护成本。