小型增壓汽油發(fā)動機(jī)機(jī)油適應(yīng)性的試驗(yàn)研究

馬瑞瑄解彬（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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小型增壓汽油發(fā)動機(jī)機(jī)油適應(yīng)性的試驗(yàn)研究

馬瑞瑄1，2解彬1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

近年來，隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步及在節(jié)能減排政策的推動下，發(fā)動機(jī)正沿著大功率、小體積的方向發(fā)展。增壓技術(shù)在新上市的汽油發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用也趨向于普及化，但是渦輪增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作溫度升高，熱負(fù)荷增大，對發(fā)動機(jī)機(jī)油的使用也提出了相應(yīng)的要求。在汽車運(yùn)行過程中，機(jī)油適應(yīng)性好與差，將對發(fā)動機(jī)的可靠性、耐久性產(chǎn)生顯著的影響。確定機(jī)油的適應(yīng)性需考慮發(fā)動機(jī)搭載整車后的運(yùn)行工況和實(shí)際使用環(huán)境的多樣性，僅通過試驗(yàn)室臺架驗(yàn)證試驗(yàn)無法有效評估實(shí)際情況，因此選擇試驗(yàn)車路試的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

增壓汽油發(fā)動機(jī)機(jī)油換油周期適應(yīng)性劣化

引言

本次機(jī)油適應(yīng)性試驗(yàn)主要選用基礎(chǔ)油為礦物基礎(chǔ)油的不同牌號機(jī)油，進(jìn)行不同環(huán)境、不同行駛里程的對比性試驗(yàn)驗(yàn)證，并依據(jù)試驗(yàn)后機(jī)油的消耗量、機(jī)油的劣化及發(fā)動機(jī)零部件運(yùn)動副的磨損程度來進(jìn)行評價(jià)。

1　試驗(yàn)用機(jī)油的選擇

結(jié)合目前國內(nèi)已上市的增壓汽油發(fā)動機(jī)所采用的機(jī)油質(zhì)量等級及粘度等級，選擇本次試驗(yàn)用機(jī)油牌號。該試驗(yàn)所選用的機(jī)油牌號見表1。

表1　試驗(yàn)用機(jī)油牌號

2　試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為國產(chǎn)緊湊型城市SUV，該車為手動檔、兩驅(qū)。為保證此次試驗(yàn)的充分性、有效性，共涉及試驗(yàn)車8輛，試驗(yàn)過程中均在滿載（約1 800 kg）條件下行駛。

3　試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為國產(chǎn)4G15T型增壓汽油機(jī)，該發(fā)動機(jī)為直列四缸、雙頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)，采用了廢氣渦輪增壓中冷、多點(diǎn)順序燃油噴射、電控機(jī)械式節(jié)氣門等多種先進(jìn)技術(shù)，排放水平達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動機(jī)特性指標(biāo)見表2。

表2　發(fā)動機(jī)特性

4　試驗(yàn)路況及環(huán)境

根據(jù)國內(nèi)氣候條件、地理環(huán)境的實(shí)際情況，選擇路試地點(diǎn)的同時要考慮環(huán)境、路況。其中高寒環(huán)境路試地點(diǎn)選擇黑龍江省黑河市，試驗(yàn)工況主要通過市區(qū)、郊區(qū)、高速各工況循環(huán)驗(yàn)證，溫度范圍-35℃～-15℃；高溫高濕環(huán)境路試地點(diǎn)選擇海南省瓊海市，試驗(yàn)工況主要通過沿海公路驗(yàn)證，溫度范圍22℃～35℃，濕度大于70%；其他環(huán)境路試地點(diǎn)均選擇北京市及周邊，試驗(yàn)工況主要通過市區(qū)、郊區(qū)、高速、山區(qū)、壞路各工況循環(huán)驗(yàn)證。

5　機(jī)油保養(yǎng)周期及取樣

使用車輛每行駛10 000 km進(jìn)行一次機(jī)油保養(yǎng)，同時更換機(jī)油濾清器。所有試驗(yàn)均為熱車取樣，取樣周期分別為距上一次機(jī)油保養(yǎng)后行駛里程5 000 km、8 000 km、10 000 km時，取樣部位為油底殼儲油中部，每次取樣200 mL，如取樣后試驗(yàn)車不進(jìn)行保養(yǎng)將繼續(xù)路試，并補(bǔ)加200 mL同牌號新機(jī)油至發(fā)動機(jī)［1-5］。

6　油樣檢測項(xiàng)目

油樣檢測內(nèi)容按GB/T8028-2011汽油機(jī)油換油指標(biāo)所規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行，主要檢測油樣的指標(biāo)有：運(yùn)動粘度（100℃）、酸值、堿值、水分含量、汽油含量、元素含量及機(jī)油消耗量。

7　機(jī)油性能指標(biāo)的劣變分析

在試驗(yàn)過程中，結(jié)合試驗(yàn)車的行駛里程及運(yùn)行環(huán)境，對發(fā)動機(jī)機(jī)油的性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，定期取樣，并對過程變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)在按質(zhì)換油時換油周期和換油指標(biāo)的具休制定。試驗(yàn)前對試驗(yàn)車加入指定機(jī)油，整車磨合3 000 km后更換機(jī)油、機(jī)油濾清器，并加入新油開始試驗(yàn)，具體試驗(yàn)信息見表3。

表3　試驗(yàn)情況

針對本試驗(yàn)，對試驗(yàn)過程變化數(shù)據(jù)及機(jī)油檢測結(jié)果進(jìn)行分析，具體如下：

7.1運(yùn)動粘度

運(yùn)動粘度是衡量油品油膜強(qiáng)度、流動性的重要指標(biāo)，而運(yùn)動粘度變化率反映了油品的油膜強(qiáng)度、流動性的變化情況。在用機(jī)油運(yùn)動粘度的變化反映了油品發(fā)生深度氧化、聚合、輕組分揮發(fā)生成油泥以及受燃油稀釋、水污染和機(jī)械剪切的綜合結(jié)果。粘度的增長會增加動力消耗，過高的粘度增長甚至?xí)肀盟屠щy，從而影響潤滑帶來事故。粘度的下降則會造成發(fā)動機(jī)油膜變薄，潤滑性下降，機(jī)件磨損加大，粘度大幅下降往往會造成拉缸的后果。

不同環(huán)境及車輛行駛里程與機(jī)油運(yùn)動粘度的關(guān)系如圖1a），b），c）所示。

驗(yàn)證結(jié)果說明，在車輛行駛5 000 km就出現(xiàn)粘度變化率超出換油指標(biāo)所要求≤20%的限值，但直到車輛行駛至10 000 km機(jī)油粘度變化率均不超出25%，說明車輛行駛里程在5 000 km內(nèi)粘度變化大，從5 000到10 000 km之間粘度變化較小。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以反映出，主要原因是粘度等級為5W-30的機(jī)油所添加的粘度指數(shù)提升劑失效。粘度等級為5W-30的機(jī)油采用合成基礎(chǔ)油將會有效改善粘度變化率，增強(qiáng)機(jī)油粘度對小型增壓汽油發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性。

7.2燃油稀釋

車輛在使用過程中，因種種原因燃料會部分竄入機(jī)油油底殼，污染機(jī)油，甚至?xí)斐衫椎膰?yán)重后果。通常只有發(fā)動機(jī)活塞間隙變大或發(fā)生不正常磨損等異常情況發(fā)生時，燃油才會大量地進(jìn)入潤滑油中。

圖1　各種環(huán)境運(yùn)動粘度變化率

不同環(huán)境及車輛行駛里程與汽油含量的關(guān)系如圖2a），b），c）所示。

圖2　　各種環(huán)境汽油含量

驗(yàn)證結(jié)果表明，通過各環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證三種牌號機(jī)油，汽油含量均處于較低水平≤3%未超出換油指標(biāo)，且不同環(huán)境下隨著試驗(yàn)里程增加變化也較穩(wěn)定≤1%變化。此項(xiàng)指標(biāo)可以從側(cè)面反映出發(fā)動機(jī)摩擦副無異常，可在一定程度上說明機(jī)油的適應(yīng)性。

7.3水分

發(fā)動機(jī)在做功過程中，燃油燃燒生成的水汽以及通過油箱呼吸吸入的水汽，會進(jìn)入機(jī)油中帶來污染。油中的水分會導(dǎo)致油品乳化變質(zhì)，并造成發(fā)動機(jī)零部件表面的銹蝕。由于在工作中發(fā)動機(jī)油始終處在相對較高的溫度（＞80℃）下，正常情況下油中的水含量均較低。

不同環(huán)境及車輛行駛里程與水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3 a），b），c）所示。

圖3　各種環(huán)境水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

水分在高溫高濕環(huán)境試驗(yàn)28 000至30 000km及高寒環(huán)境下水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)突增，而其他驗(yàn)證結(jié)果均反映水分的變化穩(wěn)定均在0.15%以內(nèi)。針對水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)突增的現(xiàn)象進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，取油樣前所進(jìn)行的整車道路試驗(yàn)均存在連續(xù)的雨雪天氣，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)吸入的空氣水分增高，最終導(dǎo)致機(jī)油水分含量增加。

7.4酸值增加量

油品在使用中受溫度、水分或其他因素的影響，油品會逐漸老化變質(zhì)。隨著油品老化程度增加，會產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì)，使油品酸值增加；較大量的酸性物質(zhì)對設(shè)備造成一定程度的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品的老化狀況，影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。不同環(huán)境及車輛行駛里程與酸值增加的關(guān)系如圖4 a），b），c）所示。

從機(jī)油油樣的檢測結(jié)果可以得出：

圖4　各種環(huán)境酸值增加量

1）使用牌號為5W-30的機(jī)油在不同環(huán)境的試驗(yàn)車行駛5 000 km后均存在酸值超標(biāo)；

2）使用牌號為10W-40、5W-40的機(jī)油在不同環(huán)境及行駛里程所采集的油樣酸值均未超標(biāo)；

3）試驗(yàn)車用機(jī)油的酸值主要隨行駛里程的延長而增大。牌號為10W-40、5W-40的機(jī)油滿足該款發(fā)動機(jī)對酸值變化的要求。

7.5堿值-酸值

油品的堿值是用于中和燃燒生成的強(qiáng)酸性物質(zhì)及油品自身氧化產(chǎn)生的有機(jī)酸，因此堿值的下降直接反映了油品中添加劑有效組分的消耗、使用性能的下降。通過堿值-酸值來評估機(jī)油中和酸的能力。不同環(huán)境及車輛行駛里程與堿值-酸值的關(guān)系如圖5 a），b），c）所示。

圖5　各種環(huán)境堿值-酸值

從機(jī)油油樣的檢測結(jié)果可以得出：各牌號的機(jī)油在不同環(huán)境及車輛行駛里程中主要表現(xiàn)出（堿值-酸值）隨車輛行駛里程的延長而下降的趨勢，直至行駛里程達(dá)到10 000 km時均未超標(biāo)。試驗(yàn)用機(jī)油滿足該款發(fā)動機(jī)對（堿值-酸值）的要求。

7.6鐵含量

發(fā)動機(jī)的主要磨損件為缸套、曲軸、活塞環(huán)、軸瓦等，通過檢測機(jī)油中的鐵含量，可以有效地評估發(fā)動機(jī)的磨損情況。不同環(huán)境及車輛行駛里程與鐵含量變化關(guān)系如圖6 a），b），c）所示。

圖6　各種環(huán)境鐵含量

從機(jī)油油樣的檢測結(jié)果可以得出：各牌號的機(jī)油在不同環(huán)境及車輛行駛里程中主要表現(xiàn)出，鐵含量隨車輛行駛里程的延長而逐步增加的趨勢，且直至行駛里程達(dá)到10 000 km時機(jī)油中的鐵含量均小于70 μg/g，未超出標(biāo)準(zhǔn)限值，表明試驗(yàn)用機(jī)油均滿足該款發(fā)動機(jī)對機(jī)油潤滑性能的要求。

8　試驗(yàn)后發(fā)動機(jī)磨損

通過試驗(yàn)后對發(fā)動機(jī)拆解，其各主要易磨損件均無異常磨損。以下為一臺30 000 km一般環(huán)境試驗(yàn)后發(fā)動機(jī)連桿軸瓦及缸孔網(wǎng)紋照片，分別如圖7 a），b）所示，均無異常磨損。

9　結(jié)論

通過選用不同牌號的礦物機(jī)油，進(jìn)行不同環(huán)境、不同行駛里程的對比驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

1）在相同試驗(yàn)環(huán)境及換油里程條件下，SM 5W-40牌號機(jī)油抗老化能力優(yōu)于SL 10W-40優(yōu)于SM 5W-30。

2）使用相同牌號機(jī)油，在相同試驗(yàn)里程下，高溫高濕環(huán)境、一般環(huán)境對機(jī)油性能指標(biāo)無明顯影響，高寒環(huán)境SM 5W-30機(jī)油對運(yùn)動粘度、酸值性能指標(biāo)存在加速劣化影響，但達(dá)到換油里程。

3）隨著換油里程的增加，無論何種試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)用油，各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所下降。當(dāng)試驗(yàn)里程到達(dá)10 000 km時，SL 10W-40、SM 10W-40各項(xiàng)指標(biāo)均在換油標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，SM 5W-30雖然部分指標(biāo)到達(dá)換油標(biāo)準(zhǔn)，但通過對鐵含量進(jìn)行檢測及試驗(yàn)后發(fā)動機(jī)拆解，不存在異常磨損現(xiàn)象。

以上說明試驗(yàn)所選三種礦物機(jī)油可滿足國內(nèi)大部分地區(qū)10 000 km保養(yǎng)要求，且SM 5W-40牌號機(jī)油抗老化能力優(yōu)于SL 10W-40優(yōu)于SM 5W-30。

圖7　優(yōu)化后的車架承載極限值曲線

1全國石油產(chǎn)品和潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 8028-2010汽油機(jī)油換油指標(biāo)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010

2李綱，王成燾，陳銘，等.汽車發(fā)動機(jī)潤滑油更換周期的實(shí)驗(yàn)研究［J］.潤滑與密封，1997（5）：45-47

3張艷中，吳輝.汽車潤滑油更換時機(jī)的把握［J］.中國設(shè)備工程，2010（12）：17-18

4王朝忠，張鵬輝.汽車潤滑油粘度變化對發(fā)動機(jī)的影響及預(yù)防探要［J］.潤滑與密封，2003（3）：64-65

5全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 19055-2003汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003

Experimental Research on Small Turbocharged Gasoline Engine Oil Adaptability

Ma Ruixuan1，2，Xie Bin1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering&Research Center

In recent years，along with the advance of technology，and driven by energy conservation and emission reduction policy，the engine is developing along the direction of high power and small size.The application of turbo technology on new gasoline engines tends to spread.But as the wide use of turbo technology results in higher engine operating temperature and increased heat load，corresponding requirements on the use of engine oil are also put forward.In car running process，the adaptability of the oil will significantly influence the reliability and durability of the engine.To determine the adaptability of engine oil，the diversity of operation condition of the engine after powering vehicle and the actual operation environment should be considered.As laboratory bench test cannot effectively evaluate the practical situation solely，the vehicle road test method is selected for validation.

Turbocharged gasoline engine，Oil，Oil change cycle，Adaptability，Degradation

TK418.9

A

2095-8234（2015）06-0057-05

馬瑞瑄（1979-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠桶l(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。

（2015-05-21）