直噴汽油機(jī)潤滑油行駛適應(yīng)性試驗研究

杜愛民,靳爭,陳垚伊，張雅潔，朱忠攀

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804；2.中汽成都配件有限公司，四川 成都 610504；3.成都市龍泉驛區(qū)委社治委，四川 成都 610100)

近年來，汽車保有量的快速增長使汽車潤滑油的需求呈現(xiàn)出大幅增長的趨勢，而發(fā)動機(jī)以及汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對潤滑油的性能指標(biāo)提出了越來越高的要求[1-2]。所以，潤滑油研制與試驗的重要性日益突顯。潤滑油適應(yīng)性試驗的目的,是通過被測試潤滑油在試驗車上按特定試車程序進(jìn)行一定時間的試車,盡早暴露被試潤滑油對發(fā)動機(jī)可能的不良影響,確定被試潤滑油的使用和檢查周期,確保試用過程的安全[3-4]。

本研究結(jié)合杭州市某典型城市道路和近郊山區(qū)道路工況，以某直噴汽油機(jī)車為研究對象，通過行車道路試驗，對該車輛機(jī)油溫度與濾清器前后壓力等參數(shù)進(jìn)行實時測量，然后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到車輛在不同路況上行駛時機(jī)油特征分布，為潤滑油的研制提供可靠的試驗依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 潤滑油市場狀況

潤滑油原油由于產(chǎn)地不同，組成及性質(zhì)有很大差異，而原油進(jìn)入煉油廠后，由于加工工藝的差異，基礎(chǔ)油的規(guī)格品種呈多樣化。再者，潤滑油添加劑的種類更加繁多，也加劇了目前市場上潤滑油品牌繁多雜亂、缺乏清晰產(chǎn)品定位的現(xiàn)象，目前市場上流通較多的潤滑油品種有CF-4/SG/SJ、CF/SF/SL、CD/SF/SE和CC/SF/SD系列[5-7]。CF-4/SG/SJ系列產(chǎn)品質(zhì)量等級最高，但易被不良生產(chǎn)廠家利用低等級的產(chǎn)品冒充，從而獲取高額利潤；CD/SF/SE系列市場銷量大，各生產(chǎn)商均傾向于該系列產(chǎn)品，但是質(zhì)量問題頻繁出現(xiàn)。

由于我國當(dāng)前區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡等因素，我國發(fā)動機(jī)機(jī)油市場呈現(xiàn)出各個質(zhì)量級別油品共存的局面[8-9]，市場集中度處于較低水平，造成機(jī)油產(chǎn)品合格率并未隨著質(zhì)量等級的提高而提高。

為了使中國車用潤滑油市場向著良性健康的方向發(fā)展，對于汽車公司等市場參與者而言，應(yīng)對發(fā)動機(jī)潤滑油產(chǎn)品的市場需求，開發(fā)出符合汽車公司自身技術(shù)要求的配套產(chǎn)品，特別是潤滑油添加劑的開發(fā)要求應(yīng)隨著汽車技術(shù)的發(fā)展而提高，以此推進(jìn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1.2 直噴汽油機(jī)潤滑油要求

潤滑油被稱為發(fā)動機(jī)的“血液”，在發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中起著潤滑減摩、冷卻密封、防銹、抗腐蝕以及清潔等作用，發(fā)動機(jī)潤滑油的質(zhì)量直接影響到發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)情況，而渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)對潤滑油的要求更加嚴(yán)格[10-11]。

由于渦輪增壓發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力顯著提高，因此對活塞環(huán)氣密性也提出了更高的要求。直噴汽油機(jī)由噴油器直接將燃油噴入氣缸，使得缸內(nèi)產(chǎn)生積炭可能性加大。積炭不僅加重活塞、活塞環(huán)以及氣缸壁之間的磨損，而且也會降低火花塞的點火機(jī)能，增加汽油機(jī)失火的概率，長期運作將會加大活塞與缸壁的磨損。

直噴汽油機(jī)潤滑油沉積物除積炭外，還包括漆膜與油泥，在行駛適應(yīng)性試驗中，油泥對試驗結(jié)果的影響更為突出[12-13]。在車輛滑行時，當(dāng)周圍空氣壓力低于油壓時，活塞環(huán)間隙增加，燃燒室內(nèi)的水、不完全燃燒產(chǎn)物、大分子氧化產(chǎn)物以及其他雜質(zhì)進(jìn)入曲軸箱內(nèi)與潤滑油混合形成油泥。發(fā)動機(jī)運行溫度對油泥的生成影響尤大，發(fā)動機(jī)運行溫度過低容易產(chǎn)生油泥，如交通擁擠城市中停停開開的小轎車或輕型汽油機(jī)貨車以及高功率經(jīng)常短途行駛的汽車都容易生成油泥。隨著行駛里程的增加，機(jī)油流動性變差，油泥等雜質(zhì)的產(chǎn)生將影響整個潤滑系統(tǒng)的正常運行。曲軸箱內(nèi)的壓力和溫度也直接影響到機(jī)油的蒸發(fā)速率[14-15]。

2 試驗設(shè)備及方案

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

溫度是影響潤滑油黏度的最主要因素之一，潤滑油工作溫度無論是對潤滑油本身還是發(fā)動機(jī)潤滑部分都有至關(guān)重要的影響，是試驗需要控制的關(guān)鍵因素。潤滑油溫度不僅影響到發(fā)動機(jī)的機(jī)械磨損、腐蝕和壽命等，而且對燃油消耗率也有一定的影響。發(fā)動機(jī)潤滑油在高溫作用下易發(fā)生氧化、聚合、縮和等一系列變化，在發(fā)動機(jī)活塞的頂部、側(cè)面及曲軸中產(chǎn)生積炭、漆膜和油泥。這些沉淀物的產(chǎn)生對發(fā)動機(jī)的活塞潤滑及傳熱、爆震、點火等影響很大，嚴(yán)重影響潤滑油的使用壽命和發(fā)動機(jī)功率，增大了燃料的消耗。通過對直噴汽油機(jī)行駛過程中機(jī)油溫度進(jìn)行測量，為后續(xù)潤滑油的高溫清凈性研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。

機(jī)油壓力必須足以克服各管道的阻力，才能將機(jī)油可靠地供應(yīng)到所需地。機(jī)油壓力對于零件的潤滑狀況影響較大，過高、過低都會引起配合件，特別是主軸瓦、連桿瓦及各軸承、軸套潤滑、冷卻不良，造成劇烈磨損，甚至產(chǎn)生燒壞等更嚴(yán)重的事故。

故在試驗中，潤滑油的溫度和機(jī)油濾清器前后兩處油壓是最被關(guān)注的焦點。因此本次試驗采集了發(fā)動機(jī)潤滑油的實時溫度與濾清器前后壓力，并對其進(jìn)行分析。

2.2 試驗方案

為了充分檢驗潤滑油的性能，試驗路段的選擇應(yīng)充分考慮實際行駛時不同工況等因素。故試驗路線包含城市道路、山區(qū)道路以及高速道路工況。城市道路總路程為110 km，包含杭州交通流量大的路段,如西湖區(qū)、上城區(qū)等，城市路段怠速工況較多。高速道路過渡段為52.5 km，往返共105 km。在高速工況下，汽油機(jī)潤滑油溫度將在山區(qū)工況下到達(dá)高溫，以適應(yīng)山區(qū)路段下高負(fù)荷工況。山區(qū)道路測試地點為杭州某近郊山區(qū)，路段中包含試驗車達(dá)到最大爬坡度的坡道，單次山區(qū)路段為7.3 km，往返7次，總長度約為102 km。山區(qū)工況下發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)大多為低速、大負(fù)荷或滿負(fù)荷?？偣苍囼炐谐虨?0 981.86 km，其中城市工況下行駛4 567.12 km，山區(qū)工況下(包括山區(qū)道路及高速道路)行駛6 414.74 km。

為了最大程度達(dá)到潤滑油測試目的，試驗載重方式為滿載，采用沙袋負(fù)重形式，將沙袋布置于座位及車廂內(nèi)，載重質(zhì)量為375 kg，試驗車整備質(zhì)量為1 555 kg，故總質(zhì)量為1 930 kg。

試驗采取的擋位策略為盡量采取低擋高負(fù)荷駕駛，并全程保持空調(diào)打開狀態(tài)，以期能更好地達(dá)到潤滑油試驗性能。

2.3 試驗設(shè)備

試驗車輛所裝配發(fā)動機(jī)為1臺1.4 L增壓直噴汽油機(jī)，16氣門，標(biāo)定功率96 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速(5 000±200) r/min。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括行車記錄儀、數(shù)據(jù)采集模塊、溫度與壓力傳感器等，其中記錄儀可對車輛GPS、CAN參數(shù)信息進(jìn)行保存，傳感器將溫度壓力信號傳遞至數(shù)據(jù)采集模塊處理后交于記錄儀保存。試驗所用傳感器設(shè)備為壓力傳感器和熱電偶，具體型號參數(shù)見表1。

表1 測試設(shè)備主要參數(shù)

為測量發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度和濾清器前后的機(jī)油壓力，設(shè)計開發(fā)了一種用于連接機(jī)油濾清器與發(fā)動機(jī)的測量適配器裝置(見圖1)，該測試裝置安裝于試驗樣車發(fā)動機(jī)正時罩殼的濾清器口處。

機(jī)油由機(jī)油泵從發(fā)動機(jī)油底殼中泵出，經(jīng)過所述裝置的4個分散于出油孔周圍的進(jìn)油孔后輸入機(jī)油濾清器中過濾，然后從適配器的出油孔流回發(fā)動機(jī)的工作區(qū)域。壓力傳感器和溫度傳感器分別通過安裝孔實時探測進(jìn)油孔和出油孔中的壓力和溫度信息。

1—底座；2—溫度傳感器安裝孔；3—壓力傳感器安裝孔；4—進(jìn)油孔；5—出油孔；6—壓力調(diào)節(jié)孔；7—密封凸臺；8—第一密封面；9—第二密封面；10—定位面。圖1 適配器設(shè)計示意

適配器的底座為螺紋法蘭盤，底座上下設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)設(shè)有墊圈，使底座與發(fā)動機(jī)和機(jī)油濾清器密封連接。壓力調(diào)節(jié)孔的頂部表面為定位面，與發(fā)動機(jī)匹配連接，保證該裝置與發(fā)動機(jī)的結(jié)合精度。內(nèi)設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥，該壓力調(diào)節(jié)閥連接機(jī)油濾清器，當(dāng)冷啟動發(fā)動機(jī)或機(jī)油濾清器的濾芯堵塞時，機(jī)油的壓力較高，壓力調(diào)節(jié)閥打開，機(jī)油直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)的工作區(qū)域。

該裝置有效解決了機(jī)油濾清器溫度和壓力測量困難的問題，同時也避免了對發(fā)動機(jī)的損傷，可以承受發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中機(jī)油形成的高溫，在類似的發(fā)動機(jī)測量領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)以上試驗方案與設(shè)備，對該試驗車進(jìn)行適應(yīng)性試驗，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得出不同工況下發(fā)動機(jī)機(jī)油的試驗數(shù)據(jù)，并總結(jié)其規(guī)律。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 工況分析

城市工況試驗時間為早高峰與平峰時間。通過試驗數(shù)據(jù)分析得到城市平均車速為21.69 km/h，平均行駛車速為31.62 km/h，怠速比例為29.9%。油溫平均值為94.77 ℃。

山區(qū)工況(包含高速路段)平均車速為31.46 km/h，最大速度為72.2 km/h。油溫平均值為97.39 ℃。圖2示出各工況數(shù)據(jù)對比。

圖2 工況數(shù)據(jù)對比

3.2 結(jié)果分析

3.2.1溫度變化

圖3示出溫度隨行駛里程的變化。在0～8 000 km，濾清器潤滑油溫度隨著行駛里程增加緩慢下降，至8 000 km左右降至最低點，隨后溫度趨向平穩(wěn)。整個行駛里程內(nèi)溫度降低幅度較小，為1.34%。

圖3 機(jī)油溫度變化

圖4和圖5分別示出了城市工況與山區(qū)工況下潤滑油溫度隨里程的變化，其中的試驗點為每天在不同路況下運行時的潤滑油溫度平均值二次擬合而來。在試驗的初期，里程對潤滑油的影響較小，潤滑油溫度的變化主要受路況和載荷的影響。由于山區(qū)工況下載荷較大，導(dǎo)致潤滑油的溫度遠(yuǎn)高于城市工況。隨著試驗的進(jìn)行，試驗里程增加，理論上城市和山區(qū)工況下潤滑油溫度隨里程數(shù)的變化趨勢應(yīng)該同潤滑油溫度隨總里程變化趨勢(見圖3)一致。但由于城市道路較為擁擠，車輛狀態(tài)屬于“走走停?！?，容易產(chǎn)生油泥，影響潤滑油的散熱，導(dǎo)致溫度逐漸上升。故圖4中城市工況下溫度呈現(xiàn)隨著里程的增加逐漸上升的趨勢，由此可見，油泥對潤滑油溫度有著較大的影響。圖4中二次擬合曲線的確定系數(shù)R-square為0.618 8，擬合情況稍次，但仍能看出其上升的變化趨勢。

圖4 城市工況機(jī)油溫度變化

圖5 山區(qū)工況機(jī)油溫度變化

而山區(qū)工況下車輛行駛較為暢通，產(chǎn)生較少油泥，潤滑油溫度在里程初期隨里程的增加大幅度下降，到4 500 km左右開始呈現(xiàn)小幅度回升，并趨向于穩(wěn)定。

每天的試驗路線中城市工況和山區(qū)工況的行駛里程比約為2∶3，故當(dāng)總行駛里程在8 000 km時，城市工況下運行約3 000 km，山區(qū)工況下為約4 500 km。當(dāng)總行駛里程約為8 000 km，潤滑油的溫度降至最低點時，由圖4可以看出，受總行駛里程的影響，城市工況下相應(yīng)點潤滑油溫度略降，由圖5可以看出，山區(qū)工況下相應(yīng)點也為溫度最低點。

3.2.2壓差變化

濾清器進(jìn)出油口平均壓力見圖6。山區(qū)工況下進(jìn)油壓力比城市工況高出近100 kPa，出油壓力山區(qū)工況比城市工況高出60 kPa。

圖6 濾清器進(jìn)出油壓力

圖7示出濾清器進(jìn)油口潤滑油壓力隨行駛試驗里程的變化。隨著行車試驗里程的增加，潤滑油進(jìn)油壓力隨之快速降低，在3 500 km處降至最低點，隨后進(jìn)油壓力大幅上升。其原因是試驗初期，發(fā)動機(jī)內(nèi)的機(jī)械剪切作用使得潤滑油運動黏度下降，從而使得進(jìn)油壓力大幅下降，而到試驗中后期，由于潤滑油逐步氧化，機(jī)油黏度大大升高，使?jié)櫥瓦M(jìn)油壓力回升。

圖7 濾清器進(jìn)油壓力變化

圖8示出濾清器出油口潤滑油壓力隨行駛里程的變化。隨著行車試驗里程的增加，潤滑油出油壓力在初期表現(xiàn)平穩(wěn)但隨后很快降低。其原因是試驗初期，發(fā)動機(jī)內(nèi)的潤滑油維持在出廠狀態(tài)，包含雜質(zhì)較少，濾清器有效去除潤滑油中的雜質(zhì)。而到試驗中后期，潤滑油中的油泥逐漸增多，濾清器不能有效地過濾其中的雜質(zhì)，所以出油壓力越來越低。

圖8 濾清器出油壓力變化

圖9示出濾清器進(jìn)出油壓差隨總行駛里程的變化(與圖3相對應(yīng))。由圖可知，當(dāng)行車試驗里程在8 000 km以內(nèi)，濾清器進(jìn)出油口壓差基本維持在25 kPa左右，到9 000 km時，壓差急劇增加至180 kPa以上，由此可說明在試驗前期，潤滑油循環(huán)流動帶來的沉積物等雜質(zhì)仍能有效地被濾清器濾去，隨著試驗持續(xù)進(jìn)行，在9 000 km時，油泥等雜質(zhì)已經(jīng)大量生成并影響濾清器的過濾功能，導(dǎo)致出油口壓力逐漸降低，并且這一過程表現(xiàn)明顯急促，變化幅度達(dá)到620%。

圖9 濾清器進(jìn)出油壓差變化

4 結(jié)論

a) 由于山區(qū)工況車速與負(fù)載均高于城市工況，故山區(qū)工況下潤滑油溫度與壓力都大于城市工況;山區(qū)工況下機(jī)油平均溫度高于96 ℃，高于非增壓發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度范圍;山區(qū)工況平均壓力高于城市工況壓力60～100 kPa;

b) 整個行駛里程內(nèi)溫度降低幅度較小，為1.34%。在試驗行駛里程到達(dá)8 000 km后，壓差變化劇烈，增長至180 kPa附近;

c) 整個試驗結(jié)束后，潤滑油取樣樣品底部為油泥沉淀，呈現(xiàn)渾濁狀;故對于直噴汽油發(fā)動機(jī)，仍需研制新型的潤滑油，以提高潤滑油性能，增長換油周期。