用台架试验研究CK-4 柴油机油的性能变化.pdf
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1、合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期0引言近年来,为解决日益突出的大气污染问题,国家对车辆污染物排放法规进行了多次升级,目前已经全面实施“国VI”排放法规,在要求HC(碳氢化合物)、NOX(氮氧化物)和PM(颗粒物质量)排放限值大幅度降低的同时,增加了PN(颗粒物个数)限值的要求。为了满足不断革新的发动机技术对润滑油日趋严格的要求,API(美国石油学会)发布了新一代的CK-4柴油机油规格,以确保润滑油对发动机后处理装置的友好性和兼容性。柴油机油换油指标:GB/T 76072010标准中规定了CH-4规格及以下规格的柴油机油的换油指标,但对CK-
2、4柴油机油没有明确的换油指标要求。对“国VI”柴油机油在试验过程中各项指标的变化进行了综合考察,并增加了i-pH值变化指标(表征柴油机油在使用过程中较初始 pH 值的相对变化),以便更好地监测“国VI”柴油机油的使用性能。1旧柴油机油中的酸性物质在此约定,所谓旧柴油机油特指正在使用或者已经使用过的柴油机油;新柴油机油特指未使用过的柴油机油。在发动机(柴油机)的运转过程中,柴油机油起润滑和密封等作用。发动机内部温度升高,在有氧条件下,柴油机油容易发生氧化反应,同时部分柴油机油会在柴油机气缸内参与燃烧之后,与燃油燃烧或氧化产物混合进入到柴油机油的油道中,因此柴油机油中的酸性物质包含有燃油氧化生成的
3、硫酸、硝酸等无机酸和/或柴油机油氧化生成的甲酸、乙酸等有机酸。无机酸溶于水时会释放出氢离子和共轭碱离子,燃料燃烧生成的硫酸或者硝酸酸性较强,腐蚀性也较强;而有机酸的酸性相比于无机酸较弱,腐蚀性也相对较低。2清净剂的酸中和作用清净剂一般是同时含有亲水的极性基团和亲油的非极性基团的两性化合物,极性基团通常为有机酸官能团和碱性组分,非极性基团一般为烃基。清净剂种类一般可以分为磺酸盐、烷基酚盐、烷基水杨酸盐和环烷酸盐等。清净剂,尤其是高碱值清净剂在其胶束中含有大量的无机碱,在使用过程中会对发动机油和/或燃烧产生的酸性物质进行持续地中和,使产生的有机酸失活,阻止生成硫酸、硝酸等1-2。在发动机油(柴油机
4、油)的使用过程中,清净剂会逐步被消耗掉,其最直接的体现就是发动机油的碱值变化(ASTM D2896方法),也可以通过测定发动机油pH值(ASTM D7946方法)的变化来反映清净剂的变化趋势。收稿日期:2023-02-08著者简介:刘睿,博士,助理研究员,2020年毕业于清华大学,现从事内燃机油的开发与应用研究工作,已公开发表论文5篇。DOI:10.3969/j.issn.1672-4364.2023.02.009推荐引用格式:刘睿,张杰.用台架试验研究CK-4柴油机油的性能变化 J.合成润滑材料,2023,50(2):35-38.用台架试验研究CK-4柴油机油的性能变化刘睿,张杰(中国石化润
5、滑油有限公司北京研究院,北京 100085)摘要:柴油机油换油指标:GB/T 76072010标准中规定了CH-4及以下规格的柴油机油的换油指标,但对新一代CK-4规格的柴油机油却没有明确的换油指标。用GB/T 76072010标准规定的换油指标来指导CK-4 柴油机油换油需要探讨。用“国VI”排放柴油发动机台架试验对CK-4柴油机油(CK-4 10W-40柴油机油)在试验过程中的100 运动黏度,酸值,碱值,pH值及磨损铁元素含量等进行了监测,对CK-4柴油机油在试验过程中的性能变化进行研究。在发动机台架试验中,当试验进行到相当于80 Mm的行驶里程时,CK-4柴油机油虽然达到了GB/T 7
6、6072010标准中CH-4柴油机油的换油限值,但摩擦副仍处于正常的磨损状态,润滑性能较好。i-pH值能够更好地反映CK-4柴油机油中清净剂的消耗程度,体现了柴油机油的酸中和能力,可指导油品更换。(图5表2参考文献6)关键词:运动黏度 酸值 碱值 pH值中图分类号:TE 626.3+2文献标志码:A文章编号:1672-4364(2023)02-0035-0435合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期3CK-4柴油机油换油指标目前 柴油机油换油指标:GB/T 76072010标准中以酸值、碱值等指标来判断柴油机油的酸中和能力,以识别柴油机所面临的酸
7、腐蚀风险,并确认是否到达换油限值,但针对CK-4新一代柴油机油目前没有明确的换油指标。赵磊通过行车试验数据探究了汽油机油的i-pH值对汽油机油酸性过高,有腐蚀风险的情况进行了有效的预警3;有研究者发现高氯酸法在用于旧油碱值测定进而确定是否达到限值时存在局限性4;Sascha等研究发现润滑油老化带来的无机酸对磨损的影响明显大于有机酸,发动机油中绝对酸值的大小难以完全体现发动机面临的酸腐蚀风险情况5;Growney研究发现单纯考虑总碱值(TBN)的恶化和总酸值(TAN)的增加来评估机油寿命存在一定的局限性6;因此综合考虑酸的腐蚀性和碱中和的有效性是评价CK-4柴油机油寿命更为有效的手段。4柴油发动
8、机台架试验对在柴油发动机台架试验过程中符合CK-4柴油机油规格的某柴油机油(为简便,称CK-4柴油机油)的性能变化,特别是碱值和i-pH值的变化进行了考察,以便能够更好地监测满足“国VI”排放的柴油发动机润滑要求的CK-4柴油机油的实际使用性能。台架试验所用的满足“国VI”排放的柴油发动机具体技术参数见表1。表1柴油发动机技术参数项目进气形式气缸数气缸排雷形式最大输出功率最大扭矩转速技术参数增压中冷6缸直列200 kW280 kW1000 r/min2000 r/min台架试验所用的CK-4 10W-40柴油机油的典型理化性能见表2。表2CK-4 10W-40柴油机油典型理化性能项目100 运
9、动黏度/(mm2s-1)低温(-25)动力黏度/(mPas)闪点(开口)/碱值/(mgg-1)硫酸盐灰分,%典型数据15.056202409.70.95结果与讨论在3台柴油发动机上平行进行台架试验,试验过程中不定时取样监测,取3台柴油发动机台架试验数据的平均值进行作图并讨论。5.1运动黏度变化CK-4 10W-40柴油机油在柴油发动机台架试验过程中的100 运动黏度变化见图1。图1100 运动黏度变化从图1中可以看出,随着试验时间的延长,CK-410W-40柴油机油氧化聚合导致100 运动黏度略有上升;而中剪切又使柴油机油的运动黏度下降。但是在整个试验过程中CK-4 10W-40柴油机油的10
10、0 运动黏度均保持较好,变化率小于20%(参照CH-4柴油机油换油指标),显示出了较好的黏度保持能力。5.2酸值变化柴油机油在使用过程中不断被氧化,油中的酸性物质增加,会使柴油机油的酸值随之增加;而随着抗氧剂和/或抗磨剂(如ZnDDP)的消耗会引起酸值下降,酸值的变化是这两种作用的综合反映。因此柴油机油的酸值变化反映了柴油机油的氧化衰变和有关添加剂的消耗状况,是反映柴油机油抗氧化性能的指标之一,CK-4 10W-40柴油机油在试验过程中的酸值变化见图2。图2酸值变化从图2中可以看到,在试验过程中,CK-410W-40柴油机油的酸值表现出明显增加的趋势,且酸值变362023年第50卷第2期化值大
11、于 2.5 mg/g,超过了 柴油机油换油指标:GB/T 76072010标准中的不大于2.5 mg/g的要求。5.3碱值变化在台架试验过程中CK-4 10W-40柴油机油的碱值变化见图3。图3碱值变化碱值是柴油机油碱储备能力的表现,碱值的变化预示着油品添加体系中某些有效组分下降或耗尽,同时也反映了油品清净分散能力衰变的程度。柴油机油中的碱性添加剂要中和通过气缸壁和活塞窜到润滑油箱中的NOx及SOx等酸性物质以及自身氧化生成的酸性物质,并分散各种污染物,致使油品的碱值下降,当碱值下降到一定的程度时即应换油,否则有可能出现发动机零部件产生腐蚀、磨损等负面问题。图 3 中的碱值变化趋势显示,随着试
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