引 言

   2020年7月1日起，中国开始实施更为严苛的国IV排放标准1。标准采用稳态测试循环(World Harmonised Steady State Cycle,WHSC)、发动机瞬态测试循环(World Harmonised Transient Cycle,WHTC)、发动机台架的非标准循环(World NotTo Exceed,WNTE),更真实反映车辆实际运行状况。此外，标准进一步完善高海拔排放要求，加大对高海拔排放的监管力度。在排放标准不断加严的同时，中国第三阶段油耗法规对燃油消耗量也提出了平均再减少15%的要求[2-3]。新规的完善和节能降耗的要求推动着发动机技术不断更新换代，而国六发动机相互关联的技术特征以及实际的运行工况，综合影响着整个发动机系统，也给润滑油带来更严峻的挑战[4-5]。

首先，活塞技术革新对机油产生重大影响。重 负荷国六发动机活塞设计发展趋势倾向于使用一体式的钢活塞。钢活塞95%热量通过机油传导，因此，钢活塞发动机对机油的热负荷更高；活塞环、缸套采用新设计和新材料涂层是为了降低摩擦的同时保证发动机耐久性和窜气量；活塞环与缸套表面采用新材料涂层，就需要考虑涂层与润滑油兼容性问题，以及这些涂层与润滑油中的表面活性剂之间的相互作用，这些因素都会影响润滑油在接触表面停留的时间，从而导致沉积物形成和磨损增加，同时也增加了润滑油在燃烧产物的暴露，而这些变化要求润滑油具有很强的抗氧化性、分散性。当发动机爆压25000kPa,活塞、活塞环组件、气缸套、活塞销、连 杆部件、曲轴及轴瓦承受压力提高，要求润滑油有更强的承压能力、抗磨能力、抗高温能力等。低黏度润滑油具有更好的抗磨损、减摩性能，为更好的发挥具效用，需要低黏度润滑油与低摩擦运动摩擦副技术进行适配性开发。

其次，热管理控制技术是重负荷国六发动机排 放能否达标的关键，也是选择性催化还原(SCR)和柴油机微粒捕集器(DPF)充分发挥作用的基础[⁶-7]。该技术需要关注整个循环的热量生成情况，高温管理情况，暖机的策略温度以及各个 润滑油部件的局部温度，因为机油处于高温的时间 变长，氧化的程度也会随之增加。重负荷柴，机油油机燃 烧技术的改进将会对润滑油产生显著的影响，最主要的就是解决燃烧产物对润滑油的影响问题，特别是废气再循环系统(EGR)的使用导致油品中酸性物质、烟矣含量等的增加。酸性物质会增加发动机部件的腐蚀及磨损，烟矣易引起活塞沉积物增加，阀系、气缸套及活塞环磨损、滤网堵塞、润滑油油品氧化及黏度增长等问题，这就要求机油具有良好的酸中和能力、抗磨损性能以及分散性能。另外，烟怠与润滑油之间的相互作用也非常关键，润滑油将面临烟怠处理能力、涡轮增压器沉积物的挑战以及后喷射带来的燃油稀释问题。后处理系统技术的变化，包括采用EGR以及DPF技术[8-9,以及排放的测试循环的变化，不仅造成技术成本的增加，还会导致润滑油中的硫、磷对催化剂中毒，后处理控制会造成燃油稀释，对润滑油功能产生影响。

  目前，国内的重负荷国六柴油发动机油已经实现10万km的换油技术，为了向更节油、更环保、更可靠的发动机技术进发，OEM等对机油提出超长换油周期的技术要求：B10 寿命要求达到200万km,同时要求机油实现15万km超长换油周期。玉柴马石油技术开发部通过配方设计、理化试验、模拟试验 等手段进行国六机油的强化验证，强化机油的抗氧化性和分散性，依托玉柴工程研究院摩擦与润滑研究所进行1500h的台架可靠性考察，研制新一代超长换油周期重负荷国六柴油发动机油。

1  超长换油周期机油研制

1.1  强化机油分散性

沉积物包括胶膜、漆膜、积炭和油泥。胶膜、漆 膜和积炭的形成是由于过氧化物或氢过氧化物在碱性或者酸性物质存在时，经过醇醛缩合形成聚集体，俗称“树脂”,“树脂”进一步分离和脱水或聚合在热表面，***形成了粘性的膜。沉积物的量和性质取决于发动机部件和燃烧室的接近度，最接近燃烧室的部件，如排气阀等，会承受630～730℃的高温，将形成积炭沉积物；燃烧室壁、活塞顶、顶部和槽所处的温度为200～300℃,也将形成碳沉积物。在低温区，柴油发动机会形成一层薄膜，汽油发动机则形成胶膜；漆膜多发生在活塞裙、气缸壁和燃烧室；油泥则发生在发动机温度低于200℃的位置，如摇臂套、过滤器、气门和机油箱。油泥可分为高温油泥和低温油泥，柴油发动机易于形成高温油泥，其通常出现在机油流动速度低的区域，比如曲轴箱和摇杆箱。烟矣由燃料和可能从曲轴箱通过活塞环进入燃烧室的润滑剂不完全燃烧所产生，其主要由脱去一些氢原子的烃类碎片构成，这些微粒是不均匀的，易形成团聚。沉积物过多会导致活塞卡环，窜气功率下降，机油耗升高以及严重的拉缸；烟矣会引起磨料磨损、机油滤阻塞润滑不足、油压下降、黏度增长过快等问题，如图1所示，烟矣还会破坏减摩剂的油膜作用，导致燃油经济性下降。机油的消耗、粘环、腐蚀、磨损和机油中的添加剂分解有关，油耗大将造成严重排放后果，而粘环不仅导致密封不良及气缸向气缸壁散热不良，还会导致活塞膨胀不均匀，压力降低，发动机失效。

重负荷国六二代发动机采用多种新技术，可有效延长发动机B10可靠性寿命。开发超长换油周期机油技术，必须强化机油的分散性能，以分散烟怠、沉积物及其初期产物。

                分散性好，黏度增长慢                            分散性差，黏度增长快

       图 1 烟怠在机油中分散对比

同时，为了解决油品的高温清净和分散的问题，必须采用新型的分散技术。分别采用不同超长换油期方案做成焦板对比试验，为了更好体现15万km和10万km换油期性能差别，我们选择了市场上某驰名品牌的推荐换油期为10万km的竞品A作对比试验。试验条件为：板温330℃、油温150℃、时长6h, 试验结果如图2和表1所示。

图2 成焦板试验板色对比

表 1 成焦板焦重

从表1可以看出，5个方案的胶重都比竞品A低，而方案1是***的方案。对试验后的旧油进行红外测试，结合图2可以看出，方案1的板色最干净，所以得出方案1的分散效果***。

使用热管试验法测试竞品A以及5个方案的热稳定性。试验条件：反应温度280℃、油速0.6mL/s、时长8h、试验结果如图3所示。热管评级见表2。

标准色板      竞品A    方案1     方案2和方案3    方案4和方案5

      图 3 热管试验结果对比

表2 热管评级

从表2可以看出，方案1的评级得分***，热管很干净，说明沉积物很少，其他方案得分相当。

在超长换油期内，机油中的分散剂必须能够对 沉积物、烟矣等固态高温氧化产物微粒具有很高的胶溶分散和增溶作用，分散剂还应具备其他性能，包括热氧化安定性、良好的低温性能。如果分散剂热安定性差，会发生分解，从而失去连接和悬浮可能存在的有害物质，氧化稳定性差的可使分散剂分子发生转变，自身变成沉积物。同时，分散剂要和清净剂 具有协同作用。控制烟矣引起的黏度增加是分散剂的主要作用，控制沉积物是清净剂和分散剂的共同性能，但是分散剂起到了主要的作用。

1.2  强化机油氧化性能

   发动机是促进氧化过程的化学反应器，发动机的金属部件，如铜和铁，是有效的氧化催化剂；国六二代的发动机设计变化要求更高性能的抗氧化剂和基础油，例如活塞一环槽温度可高达290℃,这就需要润滑油高温抗氧化，结焦温度在300℃以上。主抗氧剂控制引起沉积物形成的自由基增长，副抗氧剂能分解过氧化物；超长换油周期的要求将增加抗氧剂的用量，达到延缓氧化过程的目的，从而可延长机油的使用寿命。超长换油周期使用深度加氢Ⅲ类及以上矿物基础油，对此，使用PDSC法测试了竞品A以及5个方案的氧化诱导期。试验方法：程序升温法，试验结果如表3所示。

表3 氧化诱导期试验结果

从表3可以看出，方案1和方案4的氧化诱导期的时间大于竞品A,而其他的方案结果都小于竞品A。

1.3 强化机油抗磨减摩性能

在超长换油周期过程中，国六发动机承受负荷大，机油的抗磨性能是发动机可靠性的基础；同时，为了实现燃油经济性，机油低黏度化成为趋势。所以必须在抗磨耐久性和低黏度之间寻找一个平衡点。重负荷柴油发动机工况一般是高载荷下运行，活塞环缸套、轴瓦等多处于混合润滑和流体润滑状态。使用低黏度的发动机油，要求基础油具有低的动力黏度和高的黏度指数，国六重负荷柴油机油选择Ⅱ类加氢基础油以上级别基础油，低挥发性，改善热氧化稳定性，减少氧化物沉积物油泥产生，抑制黏度增长，获得更好的燃油经济性。当处于混合润滑时，加入黏度指数改进剂和摩擦改进剂FM成为支配因素。为了在边界润滑和混合润滑条件下获得低摩擦，必须使用有效的摩擦改进剂，合适剪切稳定指数(SSI)的黏度指数改进剂。

为了更好地考察油品的抗磨性能，采用四球机试验，试验方法：3个直径为12.7 mm 的钢球夹紧在一个油盒中，用试油覆盖，另一个同一直径的钢球置于三球顶部，受147 N 或392N力作用，成为“三点 接触”。当试油达到一定温度(75±20)℃后，顶球在一定转速下旋转60 min,试油抗磨损性能通过下面三个球的磨斑直径的平均值来评价。下面对6个方案进行四球机试验，试验结果如表4和图4所示。从结果可以看出，方案1的抗磨性能略优于其他油品。

表4 四球机试验结果

竞品A                     方案1

方案2                 方案3

方案4                    方案5

图4  四球机抗磨试验对比

2  台架试验

在PDSC法测试、成焦板试验、热管试验、抗磨对比试验中，方案1均表现***，确定方案1为超长换油周期重负荷国六柴油发动机油配方方案。其主要理化分析数据如表5所示。

  表5  超长换油周期重负荷国六柴油发动机油主要理化指标

台架是相对道路试验时间更少，耗费相对更低的评价机油的方式。为了验证方案1的性能可靠性，在做实际道路行车试验前，通过台架测试 其可靠性。采用最苛刻的三超可靠性试验工况， 发动机型号为YCK13-60,时长为1500h, 试验方法如表6所示。本次台架运行顺利，按柴油总消耗量，本次1500h台架时长相当于道路车辆行驶16万km。

 表6  台架测试试验方法

2.1  运动黏度

运动黏度是油品关键指标之一，反映油品流动过程中分子内部剪切力的大小。油品运动黏度小， 一方面，有利于发动机节约能耗；另一方面，黏度太小则会导致油膜形成不良，强度下降，零部件磨损增大。运动黏度大，油膜可以为发动机部件提供更好承载保护，尤其油膜在轴瓦部位形成油楔子，可以防止发动机部件磨损，但如果运动黏度过大，则会影响油品的低温泵送速度，在低温冷启动状态，发动机不能及时将润滑油泵送到需要润滑的部位，造成低温冷启动异常磨损。机油运动黏度会随着使用过程而 增大或者减小，黏度变化反映其氧化衰变程度，添加剂的高温热分解程度，以及黏度指数改进剂、降凝剂的受力剪切、热裂解缩合等变化情况。因发动机摩擦副之间的高速运转将油品内增黏剂、降凝剂等碳氢大分子化合物剪切成小分子从而造成油品运动黏度变小。因为油品高温氧化、硝化、硫化反应造成分子交联反应生成大分子聚合物而使油品运动黏度增大。常见的有发动机高温，油品被氧化；发动机 漏气严重，积炭烟尘污染机油。发动机油运动黏度的变化情况一定程度上可以反映发动机油的衰变情况，结合燃油稀释或者烟矣等其他指标掌握发动机运行是否正常。试验过程中油品的100℃运动黏度 随着试验时间变化趋势见图5[14]。

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图5 黏度随试验时间变化趋势

   由图5可知，台架试验结束时油品100℃运动 黏度***降至13.40 mm²/s,运动黏度下降率***为7.33%。尽管油品因受摩擦副剧烈的高速剪切的作用导致黏度下降，但可以从整个试验过程看出油品运动黏度变化趋势平稳，变化幅度小，***运动黏度变化率未超过换油指标的限值，该油品运动黏度保持性好，可以很好的满足车辆发动机的超长换油期润滑要求。

2.2  酸值和碱值的变化情况

   酸、碱值主要监测油品中清净剂的消耗情况及 油品的老化程度。在用柴油机油的酸值增加主要来自两方面：一是油品高温氧化带来的酸性物质；二是燃料燃烧生成的酸性物质。柴油机油中含碱性的清净剂能够在使用过程中持续中和润滑油和燃料氧化生成的含氧酸，阻止它们进一步氧化缩合，从而减少漆膜，同时可以中和含硫燃料燃烧后生成的氧化硫，阻止它们发生磺化反应，也可以中和燃烧后产生的氯化氢和硝酸等，阻止它们对烃类进一步作用。由于中和了这些无机酸和有机酸，从而防止这些酸性物质腐蚀发动机金属部件。试验过程中酸值增大，说明油品产生了大量的酸性物质，会促使油品变质，生成油泥从而对发动机造成一定程度的机械腐蚀，同时在金属的催化作用下继续加速油品的老化，影响发动机的正常运行。试验过程中油品的酸、碱值随着试验时长的变化情况见图6。

图6 酸值、碱值变化趋势

由图6可见，随着试验时长的增加，油品酸值逐 渐增大，随后变化趋势平稳。试验结束时，油品酸值***为4.17mgKOH/g,碱值为5.9 mgKOH/g,未降低到限值。国六阶段柴油的硫含量已经低于5μg/g,因此机油中的碱值主要用于中和发动机燃烧所产生的酸性物质。试验结束时，油品碱值的下降率为 38%左右，油品仍具有很好的清净性和碱值储备性，可以继续为发动机提供保护，满足车辆的超长换油期使用要求。

2.3  氧化值和硝化值的变化情况

车辆在行驶过程中发生的一系列复杂的物理化 学变化。主要表现在油品被燃烧产物污染以及油品 自身因为接触发动机高温氧化和硝化，添加剂的老 化降解以及与燃料产物的反应等等。油品高温氧化后生成酸性化合物，会腐蚀发动机硬件，加速发动机部件的磨损。而氧化产物的进一步氧化缩合则生成大分子胶状物质，使油品黏度不断增大，最终因低温流动性能恶化而导致发动机故障。油品的硝化物是油泥的主要来源之一。试验过程中油品的氧化值和硝化值随着试验时长的变化情况见图7。

图7  氧化值、硝化值随试验时长的变化趋势

由图7可知，随着试验时间的增加，试验油品氧化值和硝化值含量逐步上升，达到10 A/cm左右。新型的国六的发动机轻量化与增压化趋势，以及发动机中钢活塞的应用等，都要求润滑油进行更苛刻的工况控制，包括氧化控制、沉积物控制以及黏度增长控制，从台架试验结果来看，经过强化氧化性能后，超长换油期的重负荷柴油机油的抗氧化能力有极大的提高。

2.4  磨损元素含量变化情况

发动机部件磨损及腐蚀都会导致油品的金属含量增高，因此通过油液监测金属元素含量的变化情况，可以掌握发动机的磨损情况。发动机状态正常， 油品中磨损金属元素会呈平稳上升趋势，如果金属元素含量一旦出现急剧增加的情况，则表明发动机发生了明显的磨损。试验过程中油品的铁、铅、铜含量变化见图8。

图8 磨损元素含量随试验时长的变化趋势

除铜元素外，磨损元素增加值都小于行业换油标准(不大于150μg/g)。对于铜元素含量升高的原因，Jim Fitch的相关研究及卡特彼勒2003年发布的服务报告中显示，机油冷却器铜置换反应或为铜元素含量升高的主要原因。其可能的影响因素是机油中的 ZDDP 抗磨剂、高温和新发动机。ZDDP中含有硫，而新发动机的机油冷却器中的铜相对ZDDP有很强的活性，从而导致硫化铜的生成。这些硫化物进入机油中，致使机油中的铜含量轻易超过300μg/g。众多报告显示，如此高浓度的硫化铜并不会导致机油冷却器损坏、加速磨损或机油老化。该化学反应从104℃开始，随着温度的升高而呈指数升高。随着发动机的继续使用，机油冷却器的含铜表面会生成钝化层，从而降低硫化铜的生成速度。当然，即使钝化层生成之后，更换新的机油配方仍可能使机油中的铜含量突然升高，这是由于原钝化层因新配方机油的使用而失去作用；铜升高并不意味着过度磨损和零件故障，对于新发动机，此现象通常出现在前1～2个换油期。

2.5  烟怠含量

烟矣是一种混合物，国六发动机产生烟矣主要是 来源于柴油和进入燃烧室的柴油机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型碳，以及EGR废气再循环进入燃烧室而产生的烟矣。烟矣初始粒径约为20～80 mm, 在柴油机油中以固体不溶物形式存在。烟怠对柴油机油影响主要体现在两个方面：一方面引起油品黏度急剧增长；二是对发动机阀系和轴承造成磨损。当烟矣作为单独的小颗粒存在时，一般不会引起黏度明显变化，但由于烟矣微粒具有很高的表面自由能，在柴油机油中具有强烈自发聚结的热力学倾向。因此，当烟矣团聚形成网状结构大颗粒时，会直接导致油品黏度急剧增加，进而影响供油效率，易堵塞滤网，影响发动机正常工作。试验油品烟矣含量随行驶里程的变化曲线见图9。

图9 烟矣含量随行驶里程的变化趋势

氧化性能提高后，超长换油期的重负荷柴油机 油的烟矣分散能力得到极大的提高。

2.6  拆机检查

    如图10、图11所示，通过拆机观察，活塞顶部、火力岸干净，活塞环没有出现卡环、黏结、磨损现象，衬套无磨损。从拆机的情况可以看出，超长换油周期的油品表现出优异的清净、分散、抗氧、抗磨性能能满足重负荷国六柴油发动机15万km换油需求。

      活塞顶部           活塞侧面              衬套

图10  活塞拆机情况           

              缸套                 一环        二环

                           图11 缸套拆机情况

3  总结

   本文分析新一代重负荷国六发动机技术对润滑油的要求变化，通过强化机油的分散性和抗氧化性的研究，选择***方案进行1500h台架可靠性验证，得出了机油方案1具有优异的黏度保持、酸中和能力和抗磨性能，能满足重负荷国六柴油发动机15万km的超长换油期需求。

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