美国柴油机油台架评定技术的发展

1、美国柴油机油台架评定技术的发展摘要：为满足日益苛刻的环保要求，世界各国纷纷出台越来越严格的排放法规限制柴油机的排放。随着发动机排放标准不断苛刻和柴油机油规格的不断升级，总伴随着产生新的评定台架。对美国在用柴油机油的发动机评定台架进行了详细介绍，同时对我国发动机台架的发展提出了建议。关键词：发动机台架；柴油机油；发展适应日趋严格的排放标准，提高燃油经济性和延长换油周期是柴油机油规格的发展趋势。随着柴油机油的不断升级，新规格要求柴油机油通过的台架数量也越来越多，发动机台架试验对润滑油规格标准的建立和发展起到了决定性作用1。1 美国柴油机油的发展状况美国在20世纪60年代，就提出了汽车排放要求，那时

2、柴油车以CC级柴油机油为主。20世纪90年代初，美国通过“清洁空气法”修正案，对发动机排放要求越来越苛刻，从而加速了美国柴油机油规格升级换代的步伐，美国柴油机油排放标准与对应的油品规格见表1。由表1可知，随着排放法规要求的不断提高，美国自20世纪80 年代末以来，每3年4年推出一代新的柴油机油规格来满足更为苛刻的排放要求，氮氧化物NOx和颗粒物排放要求越来越严格。1994年，NOx在1988年的基础上降低了53%，颗粒物排放降低了58%；在表1 美国柴油机排放标准与对应的油品规格1994年到2002年期间，NOx和颗粒物排放进一步降低；2010年，NOx 和颗粒物排放在1988年的基础上发生了

3、巨大变化，高档柴油机油的应用可以大量减少烃类HC、CO、NOx以及颗粒物的排放。而新的油品规格总伴随着产生新的油品评定台架，表2列出了美国在用部分柴油机油规格所要求通过的发动机台架试验。表2部分质量等级的柴油机油要通过的台架试验由表2可见，随着柴油机油规格的升级换代，所要求通过的发动机台架试验已从API CF级油的2个增加到API CJ-4的10个，每个发动机台架都针对油品的某一性能设计而成，因而对油品的性能要求越来越全面，这对油品的研制造成很大的困难。同时，由于我国柴油机油规格等效采用美国API规格，因此对国内油品研究人员来说，全面了解发动机台架是非常必要的。2 美国在用柴油机油发动机台架试

4、验开特皮勒(Caterpillar)系列发动机润滑油台架测试已经发展了 50 多年，是评定柴油机油高温清净性及机油消耗性能的重要方法。经过多年发展，Caterpillar测试已经从单缸Caterpillar 1H2发展到多缸并且带有内部热废气循环(ACERT)的Caterpillar C13，下面仅就部分在用台架作一介绍。2.1 Cat. 1MPC发动机台架试验Cat.1M-PC用于API CF、CF-2和MIL-L-2104G级油的评定，它通过模拟高速、增压非公路柴油机的运行工况，评定油品对活塞沉积物，粘环以及活塞环、气缸套擦伤的影响9。Cat.1M-PC采用卡特皮勒公司生产的1Y73单缸非

5、直喷两气门发动机，试验时间120h,使用矩形活塞环，发动机排量2.0L,功率31KW，压缩比16.4:1，转速1800r/min,燃料输入135g/min，发动机冷却液温度87.8，油温96，进气温度123.8，试验时间120h，燃料油硫含量0.38%-0.42%。试验时，用试验油作为润滑剂，先试运转1 h，然后在规定的转速和燃油消耗率的条件下，使增压柴油试验机运转120 h，试验结束后检查发动机、活塞、活塞环、缸套，测定缸套和活塞环的磨损程度，活塞沉积物的性质和数量，活塞环的灵活程度。Cat.1MPC发动机台架试验评定的通过标准，如表3所示。表3 CF级油 Cat.1MPC发动机台架试验通过

6、标准发动机评定或测量参数 1次试验 2次试验 3次试验顶环槽充炭率（TGF）% 59 67 70加权总评分（WTD） 197 227 240活塞环系间隙增大/mm 0.013 0.013 0.013CF2级油:WTD(加权总评分)100。Cat.1M- PC发动机台架试验运行参数如表4所示。表4 CF级油Cat.1MPC发动机台架试验运行参数2.3 Cat. 1K 发动机台架试验Cat.1k用于API CF-4、CH-4、CI-4级油的评定，它通过模拟1989年以前的高速、涡轮增压柴油机的运行工况，评定油品对活塞沉积物、粘环以及活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响9。Cat.1k使用 Caterp

7、illar 公司生产的 1Y540单缸直喷四气门发动机，排量为2.44L，压缩比为 14.5:1,转速为2100r/min，功率52KW，燃油输入185g/min，冷却液出口温度 93.3，油温 107.2，绝对进气压力为240kPa，空气进口温度126.7，空燃比29:1，燃油硫含量0.38%-0.42%,试验时间252h，活塞顶环采用梯形环、二环采用矩形环2。CH4柴油机油规格沿用了CF4柴油机油规格采用的Cat.1K台架，二者区别是CF4柴油机油规格二次通过一次，CH4柴油机油规格要求一次通过。试验结束后，评定活塞、活塞环和气缸套，并对废油进行运动粘度、总碱值、金属含量和燃油稀释状况的分

8、析。发动机台架试验通过标准见表 4。表4 Cat.1k发动机台架试验通过标准62.3 Cat.1N 发动机台架试验Cat.1N用于APICG-4和MIL-L-2104G级油的评定，它通过模拟1998年以前的、使用低硫燃料的高速、涡轮增压柴油机运行工况，评定油品对活塞沉积物、粘环以及活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响9。Cat.1N所使用发动机、试验参数以及试验件均与Cat.1k相同，只是试验采用硫含量为0.03%-0.05%的低硫燃油3。Cat.1N试验的通过标准见表5。表5 Cat.1N 发动机台架试验通过标准62.4 Cat.1P 发动机台架试验Cat.1P用于API CH4油的评定Cat.

9、1P使用1Y3700单缸直喷四气门发动机，排量2.44 L.试验用含硫量为 0.04% 的燃料油，转速为2100 r / min，润滑油在107.2下运行360h。Cat.1P发动机使用顶部为铁、裙部为铝的两段活塞，它通过模拟 2002 年以前的高速、涡轮增压柴油机运行工况，评定油品对活塞沉积物、活塞环粘结和活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响。发动机活塞顶环、二环采用梯形活塞环。Cat.1P与 Cat.1K 试验相比，其活塞环的顶环更靠近活塞顶部，同时发动机采用顶置凸轮轴和电子燃油喷射控制49。试验结束后，评定活塞、活塞环和气缸套，对废油进行运动黏度、总碱值、金属含量和燃油稀释状况的分析，评定内

10、容和通过标准见表6。表6 Cat.1P发动机台架试验通过标准62.5 Cat.1R发动机台架试验Cat.1R用于API CI4油的评定，Cat.1R使用1Y3700高速、单缸、直喷四气门发动机，排量244 L。试验用含硫量为0.04%的燃料油，转速为1800 r/min，润滑油在120下运行504h采用顶部为铁、裙部为铝的两段活塞，中间支撑低扭曲气缸套，齿轮传动的顶置凸轮轴，高压电控喷油系统9。Cat.1R 模拟高速、重负荷涡轮增压柴油机的运行工况，评定油品对铁活塞沉积物、活塞环粘结以及活塞环、气缸套擦伤和油耗的影响5-7。Cat.1R 发动机替代了Cat.1P，评价发动机活塞的高温清净性。评

11、定指标前者比后者苛刻。评定内容和通过标准如表7所示。表7 Cat.1R 发动机台架试验通过标准62.6 Cat. C13发动机台架试验Cat. C13 用于API CJ4级油的评定，首次增加了二环积炭评分，采用2004年生产的Caterpillar320 kW C13发动机，模拟高速、重负荷工况。测定高温清净性的Caterpillar C13发动机配置电子控制、双涡轮增压器、直喷、六缸、四气门发动机。试验用含硫量为15mg/kg 以下的超低硫柴油，转速为1800r/min，润滑油温度为98，运行时间500 h。采用内部热废气循环(ACERT)技术，而Cat.1R为单缸发动机，不带废气循环，燃烧

12、的是硫含量500mg/kg以下的低硫柴油9。Cat. C13 评定内容和通过标准如表8所示。表8 Caterpillar C13 发动机台架试验通过标准2.7 Cummins M-11 (EGR)发动机台架试验Cummins M-11 (EGR)用于评定API CI-4级油，它通过模拟2002年以后高速公路上行驶的载货车工况，评定油品对降低与烟炱相关的、具有废气再循环（EGR）的发动机磨损的效果。Cummins M-11 (EGR)是由Cummins ISM-425发动机改装而成，发动机额定功率为317KW，转速1800r/min，具有废气再循环装置，试验时间为300h，主要评定活塞环磨损、气

13、门搭桥磨损、滤网堵塞和油泥。试验开始时，发动机在富油、1600r/min下运转 150h。随后在富油、延迟喷射各50h 下交替运转150h，发动机转速为 800r/min。试验结束后，评定发动机十字头失重、顶环失重、机油滤网堵塞（压力差表示）、发动机阀罩和油底壳油泥的评分。试验每25h取样，并进行40、100时的运动粘度、总碱值、总酸值和金属含量分析。Cummins M-11 (EGR)发动机台架试验通过标准见表9。表9 Cummins M-11 (EGR)发动机台架试验通过标准62.8 Mack T-9发动机台架试验Mack T-9用于评定API CH-4级油，同时代替Mack T-6评定C

14、F-4级油.它通过模拟1998年以后的载货车运行工况，评定油品对发动机活塞环和气缸套磨损能力的影响。Mack T-9采用Mack E7-350直列六缸发动机，其功率为261KW。试验时间500h，前75h在额定速度和功率下运行产生烟炱，接着在富油15%、最高扭矩转速条件下运转425h，以产生对活塞环和气缸套的最大磨损。试验结束后，对活塞环磨损、钢铁磨损、铅含量和油耗进行评定；对废油进行100时的运动粘度、烟炱含量、总碱值、总酸值和铅含量的测定Mack T-9发动机台架试验通过标准见表10。表10 Mack T-9发动机台架试验通过标准62.9 Mack T-10发动机台架试验Mack T-10

15、 用于评定CI-4级油。它通过模拟2002年以后的重负荷、高速公路行驶载货车的运行工况，评定油品对带有EGR发动机的活塞环、气缸套和轴承磨损的影响。Mack T-10采用改进的Mack E7 E-Tech 460发动机，在1800r/min时的额定功率为348KW，具有EGR装置。Mack T-10试验时间为300h，前75h在额定速度和功率下运行产生烟炱，接着在富油15%、最高扭矩转速条件下运行225h，以产生对活塞环和气缸套的最大磨损3。试验结束后，评定活塞环和气缸套磨损、铅含量、油耗以及油品的氧化，对废油主要分析100时的运动粘度、烟炱含量、总碱值、总酸值、铅含量以及FTIR氧化。Mac

16、k T-10发动机台架试验的通过标准为其优点评分不小于10006。2.10 RFWT（滚动随动件试验）发动机台架试验RFWT用于评定API CG-4,CH-4,CI-4级油，它主要评定润滑油对滚动随动轴磨损的影响。RFWT发动机台架采用General Motor 6.5L非直喷柴油机，其排量6.2L，在3400r/min下的额定功率为120KW。试验时发动机在1000r/min和近乎最大负荷下运转50h不换油（在25h时补加油），输油管油品温度和冷却液出口温度控制在118,燃油硫含量0.03%-0.05%。每次试验前安装1副新的滚动随动件，试验后取出滚动随动轴，其磨损通过表面形貌仪测定。另外，

17、在0.25h和50h时取样，分析40、100时的运动粘度、总碱值、总酸值和金属含量。RFWT发动机台架试验通过标准如下。CG-4通过标准为：1次试验不大于11.4µm，2次试验不大于12.4µm,3次试验不大于12.7µm, CH-4和 CI-4通过标准为：1次试验不大于7.6µm，2 次试验不大于8.4µm,3次试验不大于9.1µm6。3 建立我国发动机油台架评定标准从美国柴油机油发动机台架的发展可见，自20世纪90年代初以来，美国柴油机油规格几乎每隔34年升级换代1次，每一种新的润滑油规格的提出，就有对应的新的发动机台架评定方法出

18、现，并且台架种类越来越多，评价体系日趋完善。我国发动机油的标准基本沿袭了国际先进标准，采用的是美国 API 体系。2006 年版汽油机油和柴油机油国家标准中，所有新增的台架试验项目均与美国API体系的要求完全一致。也就是说，今后国内的发动机油必须要通过美国 API 体系要求的台架试验，因此国内的发动机油台架评定体系也必须按照美国 API 体系的要求进行建设以满足发动机油国家标准的要求，所以建立我国发动机油台架评定方法迫在眉睫。从欧洲和日本发动机油规格发展的经验来看，基本都是在借鉴 API规格台架的基础上，根据自己的国情建立发动机油的评定台架标准，发展自己的发动机油规格。因此，我们也可以借鉴美国

19、API经验，成立汽车行业和润滑油行业共同组成的协会，选择得到大家一致认可的，具有代表性的发动机和运行工况的台架试验来建立适合我国国情的发动机油试验台架评定体系，提高我国发动机油的研发水平和竞争能力。参考文献1 杨国峰，谢惊春，冯振文.API柴油机油CJ-4与CI-4规格台架对比关系的研究J.润滑油，2011，26（3）：29-32.2 ASTM D6750 Standard Test Methods for Evaluation of Engine Oils in a HighSpeed， Cylinder Diesel Engine1K Procedure ( 0.4 % Fuel Sulfur) and 1N Procedure ( 0.04% Fuel Sulfur)S3 James A,et al.The Worlds First Diesel Engine Oil Category for Use with Low-sulfur Fuel:CG-4C.SAE 9419394 ASTM