Caterpillar系列柴油机油台架评定技术的发展
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摘要：综述了开特皮勒(caterpillar)系列柴油机油台架评定方法，包括Caterpillar 1H2、Caterpillar 1G2、Caterpillar 1K、Caterpillar 1M-PC、Caterpillar 1N、Caterpillar 1P、Gaterpillar 1R和Caterpillar C13等测试。介绍了Caterpillar测试的历史、建立背景、发展过程、运行条件、评定柴油机油的规格、评定参数和评定标准，Caterpillar系列台架测试的发展是随着发动机排放标准不断苛刻和柴油机油规格不断升级而推进的，是评价活塞沉积物、活塞环粘环、活塞环和气缸套擦伤以及机油消耗的重要评定方法，很好地满足了柴油机油的发展需求。
关键词：发动机台架；柴油机油；Caterpillar测试；规格
中图分类号：TE626.3 文献标识码：A
0 引言
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，发动机台架试验对油规格标准的建立和发展起到了决定性作用。
开特皮勒(Caterpillar)系列发动机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。Caterpillar台架测试随着尾气排放标准、发动机设计、油规格及市场需求的变化而不断的发展。经过多年发展，Cater-pillar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。早在1961年，Caterpillar公司就建立了Caterpillar1H2测试来评定API CC及SC级油，随后在1969年和1990年先后建立了Caterpillar 1G2和Caterpillar1K测试来评定CD/CD-Ⅱ/CE和CF-4/CH-4/CI-4级柴油机油。到1994年，CaterpiLllar 1M-PC测试引进作为评定API CF、CF-2和MIL-L-2104G级发动机油，此后Caterpillar系列测试方法一直作为美国柴油机油高温清净性及其机油消耗评定的重要发动机台架测试，为柴油机油的规格升级提供了重要支撑。本文系统地介绍了Caterpillar系列台架试验的建立背景、发展过程、测试条件、评定标准，对高性能油的开发研制具有重要的参考意义。
1 Caterpillar系列台架的历史与发展
API CC级油要求通过Caterpillar 1H2发动机台架试验，CD、CD-Ⅱ和CE级油要求通过Caterpillar 1G2发动机台架试验，这两种测试发动机在高速、高油耗、高压下添加机油运行。因此，CC、CD、CD-Ⅱ和CE级油具有较高的机油消耗。在Caterpillar 1K发动机台架测试中增加了机油消耗等评定项目，因而满足CF-4规格以上的柴油机油比CC、CD、CD-Ⅱ和CE级柴油机油具有更好的机油消耗控制能力。
API CF-4柴油机油规格的推出，API采用Cat-erpillar 1K测试作为评定柴油机油达到标准的台架测试。随着API油品规格的不断发展，Caterpillar系列台架试验先后发展了Caterpillar 1H2、Caterpillar1G2、Caterpillar 1K、Caterpillar 1M-PC、Caterpillar1N、Caterpillar 1P、Caterpillar 1R、Caterpillar C13等方法，分别评定从API CC到CJ-4的各级油品。表1列出了API柴油机油规格所要求通过的Caterpillar发动机台架试验的对应关系。
2 Caterpillar系列台架测试
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对柴油机的排放进行限制，这些法规的实施，迫使柴油机必须采取相应的技术来满足这一要求，而柴油机技术的提高对柴油机油的性能提出新的要求，从而推动油品规格不断向前发展，新的油品规格总伴随着新发动机台架的产生，为了满足排放要求Caterpillar发动机台架测试已经从单缸Caterpillar 1H2发展到多缸并且带有内部热废气循环(ACERT)的Caterpillar C13。
2.1 Caterpillar 1H2发动机台架试验
Caterpillar 1H2用于CC及SC级油的评定，采用排量2136cm3中增压单缸柴油机，在高速、中等增压条件下评定柴油机油清净性。试验用硫含量为0.4％的燃料油，转速为1800r/min，油温度在82℃下运行480h，每120h换油一次，并检查油和运转情况，通过标准如表2所示。
Caterpillar 1H2发动机台架主要评定油特性是：活塞环粘结、活塞环和气缸磨损以及活塞沉积物生成倾向。
Caterpillar 1H2发动机台架运行参数，如表3所示。
2.2 Caterpillar 1G2发动机台架试验
Caterpillar 1G2用于CD/CD-Ⅱ及CE级油的评定，采用排量2136cm3的1Y73高增压单缸预燃式柴油机，在高速高增压条件下评定柴油机油清净性。试验用硫含量为0.4％的燃料油，转速为1800r/min，油在96℃下运行480h，每120h换油一次，并检查油和运转情况，通过标准如表4所示。
Caterpillar 1G2发动机台架主要评定油特性是：活塞环粘环、活塞环和气缸磨损以及活塞沉积物生成倾向。
Caterpillar 1G2发动机台架运行参数，如表5所示。
2.3 Caterpillar 1K发动机台架试验
Caterpillar 1K用于CF-4、CH-4和CI-4油的评定，Caterpillar 1K使用1Y540单缸直喷四气门发动机，排量2.44L。试验用含硫量为0.4％的燃料油，转速为2100r/min，油在110℃下运行252h，初始加油量(4.95±0.11)kg，中间不换油，给发动机安装1套绝对偏差≤4.5g的机油称量系统，以测量机油消耗量。为了消除测量误差，调速箱盖与机油称量罐用1根软管相连接，以保持发动机内部与机油称量系统压力相一致。每12h将调整机油液面到初始位置，并检查油和运转情况。
Caterpillar 1K与Caterpillar 1G2的主要区别在于活塞，Caterpillar 1K的活塞减少了顶环台与缸套之间的间隙，提高了顶环槽的位置，活塞顶环采用梯形环、二环采用矩形环。
CH-4柴油机油规格沿用了CF-4柴油机油规格采用的Caterpillar 1K台架，二者区别是CF-4
柴油机油规格二次通过一次，CH-4柴油机油规格要求一次通过。Caterpillar 1K通过模拟1989年以前的高速、涡轮增压柴油机的运行工况，以评定油品对活塞沉积物、活塞环粘环以及活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响。试验结束后拆检发动机，按照评分手册评价活塞沉积物的性质和数量、活塞环的粘结状况，测量和计算活塞环与气缸套的磨损量及机油的平均消耗率，并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。CH-4/CI-4通过标准相同，如表6所示。
Caterpillar 1K发动机台架运行参数如表7所示。
2.4 Caterpillar 1M-PC发动机台架试验
Caterpillar 1M-PC用于API CF、CF-2和MIL-L-2104G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、活塞粘环以及活塞环、气缸套擦伤的影响。Caterpillar1M-PC试验是Caterpillar 1G2试验的改进方法，在Caterpillar 1Y73机型不变的基础上Caterpillar 1Y73发动机的个别系统进行改造，提高了试验机的苛刻性，总的试验时间由Caterpillar 1G2原来的480h缩短为120h，并对活塞清净性的评分方法做了改进。国外许多试验室的研究表明，在Caterpillar 1G2 480h试验后的活塞沉积物中，有70％～80％的沉积物在120 h时已经形成。在机械方面，对发动机的个别系统做一些改进，以提高Caterpillar 1M-PC试验的苛刻性。改进措施包括：增加排气背压的控制；冷却液系统实行闭口式加压处理；活塞冷却喷嘴的机油流量经过特殊标定；为了提高试验精度，使用符合Caterpillar公司最新“3L”质量规范要求的活塞、活塞环、缸套试件；为了提高试验的区分性，改变活塞清净性评分方法中漆膜等级系数；试验通过标准采用化学制造商协会(CMA)组织的多次试验通过原则(MTAC)，以保证油品配方的可接受性。
Caterpillar 1M-PC与Caterpillar 1G2试验采用相同发动机，但主要试件活塞、活塞环和缸套的质量提高了。试验用硫含量为0.4％的燃料油，试验条件与Caterpillar 1G2相同，用试验油作为剂，先试运转1h，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120h，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。Caterpillar 1M-PC发动机台架试验评定的通过标准，如表8所示。
CF-2级油：WTD(加权总评分)≤100。
Caterpillar 1M-PC发动机台架试验运行参数如表9所示。
其中CF油品是用以替代CD油品而推出的新规格，而相应的评定装置也由Caterpillar 1G2台架演变发展为Caterpillar 1M-PC台架。
2.5 Caterpillar 1N发动机台架试验
CaterPillar 1N用于API CG-4和MIL-L-2104G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、活塞环粘结以及活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响。
Caterpillar 1N所使用发动机、试验参数以及试验件均与Caterpillar 1K相同，只是试验采用硫含量为0.04％的低硫燃油。Caterpillar 1N试验的通过标准，见表10。
2.6 Caterpillar 1P发动机台架试验
Caterpillar IP用于API CH-4油的评定，Cater-pillar 1P使用1Y3700单缸直喷四气门发动机，排量2.44L。试验用含硫量为0.04％的燃料油，转速为2100r/min，油在107.2℃下运行360h。 Cater-pillar 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；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。Caterpillar 1P与Cater-pillar 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。
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，评定内容和通过标准见表11。
2.7 Caterpillar 1R发动机台架试验
Caterpillar 1R用于API CI-4油的评定，Cat 1R使用1Y3700高速、单缸、直喷四气门发动机，排量2.44L。试验用含硫量为0.4％的燃料油，转速为1800r/min，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。Caterpillar 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。
Caterpillar 1R发动机替代了Caterpillar 1P，评价发动机活塞的高温清净性。评定指标前者比后者苛刻。评定内容和通过标准如表12所示。
Caterpillar 1R发动机台架试验运行参数如表13所示。
图1为caterpillar 1R发动机台架通过和失败的活塞照片。
2.8 Caterpillar C13发动机台架试验
Caterpillar C13用于API CJ-4级油的评定，首次增加了二环积炭评分，采用2004年生产的Cat-erpillar320kW 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1800rmin，油温度为98℃，运行时间500h。采用内部热废气循环(ACERT)技术，而Caterpillar 1R为单缸发动机，不带废气循环，燃烧的是硫含量500mg/kg以下的低硫柴油。Caterpillar C13评定内容和通过标准如表14、表15所示。
Caterpillar C13发动机台架试验运行参数，如表15所示。
Caterpillar C13发动机台架试验通过和失败活塞照片如图2所示。
Caterpillar系列发动机油台架测试是评定重负荷柴油机油高温清净性的重要方法。Caterpillar台架测试随着排放法规的不断苛刻和市场需求的不断变化、发动机设计、油规格及市场需求的变化而不断地发展。这些导致重负荷柴油机曲轴箱的环境不断地发生变化，尤其是烟炱的生成量不断增大，烟炱和黏度增长问题突现，所有这些都在不断地对油品高温清净性提出新的要求，随着内部热废气循环(ACERT)的发展活塞清净性的提高显得越来越重要。
3 结论
节能、环保、延长换油周期、降低对尾气处理装置影响和发动机技术的进步，将对发动机油的性能提出更高要求，迫使油品不断更新换代。
在过去的50多年中，随着油品规格的不断升级换代，评定油品性能的Caterpillar系列台架试验也在不断更新换代。为了满足越来越全面的柴油机油性能，Caterpillar系列柴油机油发动机台架经历了从Caterpillar 1H2到Caterpillar C13的发展，是活塞沉积物、活塞环粘结和活塞环、气缸套擦伤以及油耗影响的重要评定方法，很好地满足了柴油机油的发展需求。对重负荷柴油机油的发展起到重要推动作用。