小型增壓汽油發動機機油適應性的試驗研究

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

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小型增壓汽油發動機機油適應性的試驗研究

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

近年來，隨著汽車技術的不斷進步及在節能減排政策的推動下，發動機正沿著大功率、小體積的方向發展。增壓技術在新上市的汽油發動機上的應用也趨向于普及化，但是渦輪增壓技術的廣泛應用，導致發動機工作溫度升高，熱負荷增大，對發動機機油的使用也提出了相應的要求。在汽車運行過程中，機油適應性好與差，將對發動機的可靠性、耐久性產生顯著的影響。確定機油的適應性需考慮發動機搭載整車后的運行工況和實際使用環境的多樣性，僅通過試驗室臺架驗證試驗無法有效評估實際情況，因此選擇試驗車路試的方式進行驗證。

增壓汽油發動機機油換油周期適應性劣化

引言

本次機油適應性試驗主要選用基礎油為礦物基礎油的不同牌號機油，進行不同環境、不同行駛里程的對比性試驗驗證，并依據試驗后機油的消耗量、機油的劣化及發動機零部件運動副的磨損程度來進行評價。

1　試驗用機油的選擇

結合目前國內已上市的增壓汽油發動機所采用的機油質量等級及粘度等級，選擇本次試驗用機油牌號。該試驗所選用的機油牌號見表1。

表1　試驗用機油牌號

2　試驗車輛

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

3　試驗發動機

試驗發動機為國產4G15T型增壓汽油機，該發動機為直列四缸、雙頂置凸輪軸結構，采用了廢氣渦輪增壓中冷、多點順序燃油噴射、電控機械式節氣門等多種先進技術，排放水平達到歐V標準。發動機特性指標見表2。

表2　發動機特性

4　試驗路況及環境

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

5　機油保養周期及取樣

使用車輛每行駛10 000 km進行一次機油保養，同時更換機油濾清器。所有試驗均為熱車取樣，取樣周期分別為距上一次機油保養后行駛里程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，如取樣后試驗車不進行保養將繼續路試，并補加200 mL同牌號新機油至發動機［1-5］。

6　油樣檢測項目

油樣檢測內容按GB/T8028-2011汽油機油換油指標所規定的項目進行，主要檢測油樣的指標有：運動粘度（100℃）、酸值、堿值、水分含量、汽油含量、元素含量及機油消耗量。

7　機油性能指標的劣變分析

在試驗過程中，結合試驗車的行駛里程及運行環境，對發動機機油的性能參數進行監測，定期取樣，并對過程變化數據進行分析，指導在按質換油時換油周期和換油指標的具休制定。試驗前對試驗車加入指定機油，整車磨合3 000 km后更換機油、機油濾清器，并加入新油開始試驗，具體試驗信息見表3。

表3　試驗情況

針對本試驗，對試驗過程變化數據及機油檢測結果進行分析，具體如下：

7.1運動粘度

運動粘度是衡量油品油膜強度、流動性的重要指標，而運動粘度變化率反映了油品的油膜強度、流動性的變化情況。在用機油運動粘度的變化反映了油品發生深度氧化、聚合、輕組分揮發生成油泥以及受燃油稀釋、水污染和機械剪切的綜合結果。粘度的增長會增加動力消耗，過高的粘度增長甚至會帶來泵送困難，從而影響潤滑帶來事故。粘度的下降則會造成發動機油膜變薄，潤滑性下降，機件磨損加大，粘度大幅下降往往會造成拉缸的后果。

不同環境及車輛行駛里程與機油運動粘度的關系如圖1a），b），c）所示。

驗證結果說明，在車輛行駛5 000 km就出現粘度變化率超出換油指標所要求≤20%的限值，但直到車輛行駛至10 000 km機油粘度變化率均不超出25%，說明車輛行駛里程在5 000 km內粘度變化大，從5 000到10 000 km之間粘度變化較小。通過試驗數據可以反映出，主要原因是粘度等級為5W-30的機油所添加的粘度指數提升劑失效。粘度等級為5W-30的機油采用合成基礎油將會有效改善粘度變化率，增強機油粘度對小型增壓汽油發動機的適應性。

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油油底殼，污染機油，甚至會造成拉缸的嚴重后果。通常只有發動機活塞間隙變大或發生不正常磨損等異常情況發生時，燃油才會大量地進入潤滑油中。

圖1　各種環境運動粘度變化率

不同環境及車輛行駛里程與汽油含量的關系如圖2a），b），c）所示。

圖2　　各種環境汽油含量

驗證結果表明，通過各環境試驗驗證三種牌號機油，汽油含量均處于較低水平≤3%未超出換油指標，且不同環境下隨著試驗里程增加變化也較穩定≤1%變化。此項指標可以從側面反映出發動機摩擦副無異常，可在一定程度上說明機油的適應性。

7.3水分

發動機在做功過程中，燃油燃燒生成的水汽以及通過油箱呼吸吸入的水汽，會進入機油中帶來污染。油中的水分會導致油品乳化變質，并造成發動機零部件表面的銹蝕。由于在工作中發動機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。

不同環境及車輛行駛里程與水分質量分數的關系如圖3 a），b），c）所示。

圖3　各種環境水分質量分數

水分在高溫高濕環境試驗28 000至30 000km及高寒環境下水分質量分數突增，而其他驗證結果均反映水分的變化穩定均在0.15%以內。針對水分質量分數突增的現象進行分析發現，取油樣前所進行的整車道路試驗均存在連續的雨雪天氣，導致發動機吸入的空氣水分增高，最終導致機油水分含量增加。

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。隨著油品老化程度增加，會產生較多的酸性物質，使油品酸值增加；較大量的酸性物質對設備造成一定程度的腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續加速油品的老化狀況，影響發動機正常運行。不同環境及車輛行駛里程與酸值增加的關系如圖4 a），b），c）所示。

從機油油樣的檢測結果可以得出：

圖4　各種環境酸值增加量

1）使用牌號為5W-30的機油在不同環境的試驗車行駛5 000 km后均存在酸值超標；

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

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

7.5堿值-酸值

油品的堿值是用于中和燃燒生成的強酸性物質及油品自身氧化產生的有機酸，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-酸值來評估機油中和酸的能力。不同環境及車輛行駛里程與堿值-酸值的關系如圖5 a），b），c）所示。

圖5　各種環境堿值-酸值

從機油油樣的檢測結果可以得出：各牌號的機油在不同環境及車輛行駛里程中主要表現出（堿值-酸值）隨車輛行駛里程的延長而下降的趨勢，直至行駛里程達到10 000 km時均未超標。試驗用機油滿足該款發動機對（堿值-酸值）的要求。

7.6鐵含量

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

圖6　各種環境鐵含量

從機油油樣的檢測結果可以得出：各牌號的機油在不同環境及車輛行駛里程中主要表現出，鐵含量隨車輛行駛里程的延長而逐步增加的趨勢，且直至行駛里程達到10 000 km時機油中的鐵含量均小于70 μg/g，未超出標準限值，表明試驗用機油均滿足該款發動機對機油潤滑性能的要求。

8　試驗后發動機磨損

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

9　結論

通過選用不同牌號的礦物機油，進行不同環境、不同行駛里程的對比驗證，得出結論如下：

1）在相同試驗環境及換油里程條件下，SM 5W-40牌號機油抗老化能力優于SL 10W-40優于SM 5W-30。

2）使用相同牌號機油，在相同試驗里程下，高溫高濕環境、一般環境對機油性能指標無明顯影響，高寒環境SM 5W-30機油對運動粘度、酸值性能指標存在加速劣化影響，但達到換油里程。

3）隨著換油里程的增加，無論何種試驗環境、試驗用油，各項性能指標均有所下降。當試驗里程到達10 000 km時，SL 10W-40、SM 10W-40各項指標均在換油標準內，SM 5W-30雖然部分指標到達換油標準，但通過對鐵含量進行檢測及試驗后發動機拆解，不存在異常磨損現象。

以上說明試驗所選三種礦物機油可滿足國內大部分地區10 000 km保養要求，且SM 5W-40牌號機油抗老化能力優于SL 10W-40優于SM 5W-30。

圖7　優化后的車架承載極限值曲線

1全國石油產品和潤滑劑標準化技術委員會.GB/T 8028-2010汽油機油換油指標［S］.北京：中國標準出版社，2010

2李綱，王成燾，陳銘，等.汽車發動機潤滑油更換周期的實驗研究［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的把握［J］.中國設備工程，2010（12）：17-18

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

5全國汽車標準化技術委員會.GB/T 19055-2003汽車發動機可靠性試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，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，主要研究方向為汽油發動機設計。

（2015-05-21）