乙醇對增壓發動機抗磨損及腐蝕性的試驗分析與研究

張　帥　馬瑞瑄　苗波　石濤　劉黎敏（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

乙醇對增壓發動機抗磨損及腐蝕性的試驗分析與研究

張帥1,2馬瑞瑄1,2苗波1,2石濤1,2劉黎敏1,2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

乙醇燃料作為一種清潔替代燃料越來越得到汽車廠家的青睞，但由于乙醇與汽油燃料理化性質的不同，乙醇用作車用燃料會對普通汽油發動機零部件造成一定的腐蝕與磨損。通過對某四缸增壓汽油發動機進行局部調整后，進行乙醇燃料400h冷熱交變試驗；通過對試驗過程數據的分析及試驗后發動機零部件狀態檢查，初步了解了乙醇燃料對發動機磨損、腐蝕的程度及影響；通過對異常點分析并對異常零部件制定可行性措施及方案，為后續乙醇發動機的開發提供借鑒和指導。

乙醇增壓發動機磨損腐蝕

引言

隨著汽車工業的不斷發展，石油資源日益減少，發動機燃料的供應也越來越緊張，同時車用汽油、柴油造成的環境污染也日益嚴重。由于乙醇燃料具有來源廣泛、豐富、抗爆性好的特點已成為最受汽車廠家重視的一種清潔替代燃料。但是由于乙醇與汽油理化性質的不同，乙醇用作車用燃料會對普通汽油發動機零部件造成一定的腐蝕與磨損。

本文結合國內外乙醇燃料的研究及應用情況[1]，通過前期乙醇與汽油燃料的理化性質分析，對發動機相關零部件進行局部調整后，進行乙醇燃料400h交變耐久試驗。通過對試驗過程數據的監控分析及結合試驗后發動機零部件狀態，初步了解了乙醇燃料對發動機磨損、腐蝕的程度及影響；通過對異常點及對異常零部件分析制定了可行性措施及方案，為后續乙醇發動機的開發提供借鑒和指導。

1　乙醇與汽油理化性質分析

乙醇與汽油的理化性質差異主要表現見表1。

表1　乙醇與汽油理化性質對比

1）從分子結構上看，乙醇含氧量高，使燃料燃燒更加充分，可極大改善尾氣排放性能，CO和CH化合物平均減少達30%以上[2]；

2）從抗爆性看，乙醇辛烷值高，抗爆性強，可采用高壓縮比，提高發動機功率，降低耗油量，可抵消因熱值低導致耗油量大的不足[3]；

3）乙醇在燃燒過程中，會產生乙酸，對汽車燃料系統的許多金屬都有腐蝕性，可以腐蝕銅、鐵、鋁、鉛、鎂、鋅及它們的許多合金，且乙醇含量越高，腐蝕性越大；

4）與材料的適應性差。乙醇是一種優良的溶劑，易對汽車密封橡膠及其他合成非金屬材料產生一定的輕微腐蝕、溶漲、軟化或龜裂作用[4]；

5）乙醇能將氣缸和活塞環等部位的潤滑油膜洗掉，加重磨損；乙醇燃燒時生成乙酸，能直接腐蝕金屬，造成腐蝕磨損，且乙酸還能與潤滑油中的抗氧防腐劑發生反應而使其失效，從而增大各摩擦部位的腐蝕與磨損[5]。

通過以上分析，可以看出，乙醇燃料發動機的開發相對于汽油燃料發動機存在的最大風險就是乙醇對常規汽油發動機的腐蝕與磨損。

2　乙醇400h交變耐久試驗

2.1試驗前發動機調整項目

在進行乙醇400h交變耐久試驗前，首先針對乙醇的腐蝕與磨損特性，對發動機各零部件進行風險識別及評估，識別出需重新開發的零部件為進氣門座圈、排氣門座圈、火花塞總成及機油共計4種。需經試驗驗證進行零部件設計優化的為增壓器總成、氣缸蓋、缸蓋墊片、活塞、氣缸套、活塞環等零部件，具體零部件信息見表2與表3。

表2　風險零部件信息

表3　重新開發零部件信息

2.2 400h交變耐久試驗

2.2.1試驗發動機信息

該試驗發動機為國產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4。

表4　發動機參數信息

2.2.2 試驗過程數據分析

試驗過程中，使用調整后進排氣氣門座圈、火花塞及新規格的機油進行耐久試驗。試驗過程中對發動機功率、扭矩、活塞漏氣量、缸壓數據進行統計分析，結果如圖1所示。

圖1　發動機性能參數

發動機各項監控數據中，發動機性能未出現衰減，滿足動力要求（最大總功率110±5kW（5600r/min）；最大扭矩210±12N·m（1 700~4 000 r/min）；活塞漏氣量滿足發動機標準要求（＜53L/min）；任意兩缸壓力差滿足發動機標準要求（＜98kPa）。

2.2.3試驗過程異常問題分析

在試驗過程中，對發動機氣門間隙每25h進行檢測，其檢測結果為：排氣門間隙存在減小趨勢，至350h保養時排氣門間隙累計變化量為0.08～0.16mm，進氣門間隙在正常范圍內（標準0.18～0.24mm），主要試驗數據如圖2、圖3所示。

圖2　排氣門間隙數據（標準0.28~0.34mm）

圖3　進氣門氣門間隙數據（標準0.18~0.24mm）

通過對比前期汽油發動機排氣門間隙變化量數據（如圖4所示）最大累計變化量為0.11，該乙醇發動機排氣門間隙累計變化量偏大（最大為0.16），初步分析認為，乙醇對座圈錐面腐蝕，造成氣門下沉，導致氣門間隙減小。

圖4　汽油機排氣門間隙變化量數據統計

2.2.4發動機試驗后拆機分析

乙醇燃料發動機完成400h交變試驗后，為確認乙醇對發動機腐蝕與磨損的程度，進行發動機拆機分析與檢測，并對試驗過程中排氣門間隙磨損量偏大問題進行重點關注與分析。

1）拆機問題分析

通過對拆機零部件的分析及對風險零部件的檢測，乙醇發動機與汽油發動機耐久試驗后狀態對比，主要零部件除機油與排氣門座圈外，其余零部件均通過試驗考核，存在的主要問題如下：

問題一：經試驗過程數據監控及零部件試驗后分析評審，排氣門座圈存在磨損，與試驗過程中排氣門間隙累計量大問題吻合；

問題二：對試驗過程中采集的機油油樣進行檢測后，機油(使用至75h）酸值上升60%，堿值下降36%，通過分析機油存在老化風險，如表5所示。

表5　機油理化指標變化情況

2）問題解決措施及方案驗證

a)解決措施

針對發動機試驗后出現的兩個問題，通過技術及對標分析，確定問題整改措施如下：

排氣門座圈磨損值大問題，采取的解決措施為用原材料座圈（V540S）與新材料V540CS（增加耐磨性）進行對比試驗驗證，確定座圈最終方案，見圖5，表6。

圖5　排氣門座圈材料金相圖

表6　原材料與新材料成分對比

圖6　復試發動機排氣門間隙累計變化量

試驗后機油老化問題，采取的解決措施為進行半合成與全合成（增加抗老化性與磨損性）兩種機油耐久對比驗證，確定其規格，解決半合成機油存在的老化風險。

b)方案驗證

將應用調整后狀態的排氣門座圈與機油的發動機重新進行400h交變耐久試驗驗證，試驗結果如下：

試驗過程中，對排氣門間隙進行測量統計，最大變化量為0.06mm，對比原方案，整改后氣門座圈耐磨損性能優勢明顯，解決了磨損值偏大問題，如圖6所示。

同時在試驗過程中對新牌號機油（5W-30全合成）油樣進行檢測分析，機油各項指標滿足發動機使用要求，消除了發動機機油存在老化的風險,如表7所示。

3　結論

為了解乙醇燃料對常規汽油發動機的影響，進行了乙醇燃料400h交變耐久試驗，在試驗前期首先對風險零部件進行識別分析，主要對火花塞、進排氣門座圈、機油等零部件進行調整；試驗后發動機除排氣門座圈及機油外其他零部件通過試驗考核，發動機動力性無明顯劣化（＜5%）。主要存在的問題為排氣門座圈磨損異常及機油存在老化風險，針對出現的兩個問題，發動機的解決措施為：

表7　新牌號機油（5W-30全合成）理化指標變化情況

1）針對排氣門座圈磨損異常問題，采用新材料V540CS（增加耐磨性）排氣門座圈，經發動機耐久試驗驗證后，通過試驗考核，滿足設計要求。

2）針對試驗后機油老化問題，采用全合成機油進行耐久試驗驗證，經驗證機油各項指標滿足發動機使用要求，消除發動機機油存在老化的風險。

通過本次乙醇耐久試驗可以看出，乙醇對常規發動機的腐蝕與磨損影響是可控和可以預防的，現有發動機通過適當調整應用乙醇燃料是可行的。

1崔心存.醇燃料與靈活燃料[M].北京：化學工業出版社，2010

2杜志良，申江華，朱自航.車用乙醇汽油實驗研究[J].汽車科技，2013(1)：6-9

3劉全根.汽油乙醇的應用[J].煉油設計，2002(2)：40-43

4楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1981

5李永平.乙醇燃料的特點及使用性能分析[J].城市車輛，2007(7)：55-57

Experimental Analysisand Research onWear and Corrosion of Turbocharged Engine Fueled by Ethanol

Zhang Shuai1,2,M a Ruixuan1,2,M iao Bo1,2,Shi Tao1,2,Liu Lim in1,2
1-Technical Center,GreatWallMotorCo.,Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

As a clean alternative fuel,ethanol gets the favor of automanufacturersmore and more.But because of the different physical-chemical propertiesof ethanol and gasoline,ethanol used asa vehicle fuel to regular gasoline engine will lead to corrosion and wear of parts.Based on the local adjustmentof a four cylinder turbocharged gasoline engine,400 h cold-hot alternation load experimentwas carried out on a ethanol engine.According to the analysis of test data and the state of test engine parts after state examination,the influence of ethanol fuel on engine wear and corrosion is preliminarily understood. Through the analysis of abnormal point and abnormal parts,feasibility measures and solution were formulated,providing referenceand guidance for the developmentofethanolengine.

Ethanol,Turbocharged engine,Wear,Corrosion

TK415

A

2095-8234（2016）02-0082-05

2015-10-22）

張帥（1987-），男，助理工程師，主要從事汽油發動機設計與性能開發工作。