市區工況車用發動機油質量衰變分析

摘 要：針對車輛使用工況的多變性、發動機油的多樣性、換油周期確定的復雜性，對同一臺車兩個換油周期內的運行狀況和潤滑油的理化性能同步檢測，探討市區工況下車用發動機油的性能衰變規律，以期為潤滑油的合理使用和更換提供參考。結果表明：潤滑油的總酸值隨運行時間延長呈線性增長，礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油；潤滑油的運動粘度、起始氧化溫度隨運行時間延長而逐漸降低，礦物油運動粘度和起始氧化溫度降低幅度小于半合成油。一臺車獲得的試驗結果有限，要得到共性規律，還需加大試驗車和試驗油的數量以及拓寬運行環境，為發動機油質量衰變規律和換油周期的研究提供更為充足、科學的參考數據。

關鍵詞：發動機油；運行狀況；理化性能；衰變規律

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0130-05

Abstract： For the variety of vehicle service conditions， the diversity of engine oils and the complexity to determine oil drain intervals， the synchronous detection for operation conditions between two oil drain intervals and physical and chemical properties of lubricating oil of same vehicle was carried out to discuss the performance degradation law of engine oil of vehicle under urban conditions， so as to provide reference for the rational use and replacement of lubricating oil. The results show that the total acid value of the lubricating oil increases linearly with the extension of engine operating time， but the increasing range of total acid value of the mineral oil was more than that of the semi-synthetic oil. While the kinematic viscosity and starting oxidation temperature of lubricating oil decreases with the extension of engine operating time， but compared with the semi-synthetic oil， the mineral oil had less decrease in the kinematic viscosity and starting oxidation temperature. The test results of one vehicle were limited， thus it was still needed to increase the testing vehicles and engine oils and broaden the operating environment to provide more sufficient and scientific reference data for the research of quality degradation and oil drain intervals of the engine oil.

Keywords： engine oil； operating condition； physical and chemical property； degradation law

0 引 言

我國的汽車保有量居世界第二，每5 000 km或者每6個月換一次潤滑油，導致每年更換潤滑油逾百萬噸，造成不容忽視的能源消耗和環保問題，已經受到廣泛的關注。由于車輛使用工況的多變性和發動機油類型及添加劑的復雜性，換油周期的確定非常復雜[1-2]。科研工作者對此進行了許多嘗試研究，比如，將粒子濾波方法運用于潤滑油液的光譜分析，結合鐵譜方法，輔助斑點實驗方法，通過觀察發動機潤滑油中磨損元素、污染元素和添加劑元素的變化來預測發動機潤滑油的剩余壽命[3-6]；利用安裝在汽車上的傳感器監測潤滑油性能變化，試圖通過儀表指示值來指導用戶換潤滑油[7-8]等。而發動機潤滑油性能的變化和使用壽命是與潤滑系統、發動機系統乃至汽車系統變化密切相關的，是一個復雜的摩擦學系統問題，依賴于很多參數[9-11]，現有確定換油周期的方法是否具有科學性、可靠性和實效性，需要系統地進行實驗研究。本文嘗試通過車載行車記錄儀（OBD）獲得車輛運行狀況，并對發動機油進行定期取樣、質量檢測，將發動機運行工況與油品性能檢測相結合，分析汽車運行過程中發動機油關鍵質量指標的變化規律，以期為潤滑油合理使用與更換提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗用油和試驗用車

試驗用油為市售的美孚速霸2000車用潤滑油（半合成油，SN 10W40）和東風雪鐵龍專用油（礦物油，SL 5W40）（以下描述都以半合成油和礦物油代稱）。試驗用車為雪鐵龍凱旋2006款民用轎車，排量為2.0 L，最大扭矩為200 N·m，壓縮比為11。開始試驗時總行駛里程為80 960 km，發動機油更換為半合成油；總行駛里程為85 615 km時，更換為礦物油。

1.2 試驗過程

試驗車按照原用途和駕駛習慣正常使用。試驗車上安裝有車載OBD行車記錄儀，通過移動數據技術獲取試驗時間段內全部行車數據和發動機數據（起停、發動機轉速、平均行車速度、怠速狀況、行程、運行時間等等）；定期采集發動機油油樣（一個月左右采集一次）；采用ST265-1型運動粘度測定儀、ST264-1型石油產品酸值測定器和NETZSCH HP204 PDSC等儀器，進行油樣理化性能（運動粘度、總酸值、起始氧化溫度等）分析，通過NICOLET iS10紅外光譜儀（配置紅外專用軟件Thermo Scientific OMNIC Integra）分析發動機油樣的燃油稀釋和多功能添加劑二硫代磷酸鋅鹽（ZDTP）的消耗情況。以實車運行數據采集和油樣定期取樣檢測相結合，分析發動機油在行駛過程中的質量衰變規律。

2 結果與討論

2.1 運行狀況

對半合成油和礦物油使用周期內的汽車運行狀況進行了記錄和分析。半合成油使用的運行里程共4 655 km，使用時間約7個月，發動機累計運行184.3 h，啟動357次；礦物油使用的運行里程共3 893 km，使用時間約5.5月，發動機累計運行165.7 h，啟動327次。雖然運行總里程數和潤滑油使用時間不同，但是兩組試驗的發動機運行時間和起停次數相當。

試驗車在半合成油和礦物油的使用周期內的運行狀況，即：怠速比（怠速時間與非怠速時間比）、怠速時間（速度≤5 km/h，轉速≤800 r/min）、平均速度、運行里程和運行時間的分布情況，如表1所示。

從表可見，試驗車運行比較正常，怠速時間<5 min和怠速比<20%的運行均在60%左右。試驗車主要是典型的城市內運行，行車速度集中在20 km/h左右，單次運行里程大部分小于20 km，對應的單次運行時間也小于30 min。

同時可以看出，兩組試驗的試驗車運行狀況基本相同，各組運行數據相差基本低于20%。

2.2 總酸值和運動粘度分析

總酸值的增加量和運動粘度的變化率是車用發動機換油指標中最重要的兩項參考數據，直接影響油膜形成與發動機的運行。試驗過程中，半合成油和礦物油的總酸值變化趨勢見圖1和圖2。

兩種試驗用油在試驗周期內，總酸值隨著累計運行里程、累計啟用時間和累計運行時間的增加而持續增長。

累計運行里程和運行時間是對發動機運行過程的記錄，而累計啟用時間是指潤滑油裝入發動機的累計時間，其中包含了發動機不運行的時間。總酸值與三者間關系的變化十分相似，基本呈線性增長。

半合成油累計運行里程為4 655 km，累計運行時間達184.3 h，累計使用達到7個月，發動機的總酸值從2.88 mgKOH/g增大至4.26 mgKOH/g，增大了1.38 mgKOH/g。礦物油累計運行里程3 893 km，累計運行時間165.7 h，累計使用5.5個月，其總酸值增加了2.0 mgKOH/g。在市內運行條件下，試驗用礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油。

如圖3所示，為半合成油100 ℃的運動粘度隨累計運行里程、累計啟用時間和累計運行時間變化。半合成油在使用過程中，運動粘度隨累計運行里程、運行時間和使用天數的變化趨勢基本一致，初期快速降低，然后保持平穩，后期略有上升。40 ℃的運動粘度的變化趨勢與100 ℃運動粘度相同。

由圖可見，試驗初期粘度下降非常明顯，在第1次采樣時（1 500 km），100 ℃的運動粘度從17.5 mm2/s減小至13 mm2/s。紅外檢測證實，試驗用半合成油在整個使用周期的燃油稀釋值都為零，說明試驗發動機不存在密封性問題，沒有明顯的燃油稀釋效應。因此，半合成油粘度的初期快速降低是由基礎油分子的熱分解效應[12]和摩擦剪切作用引起的。

累計運行里程在1 500～4 000 km范圍內，試驗用半合成油的運動粘度基本無變化，主要是由于基礎油分子的熱分解與小分子的熱聚合達到平衡。而后運動粘度又增大了10%左右，主要是由于基礎油的小分子的熱聚合形成老化產物導致的。

圖4是礦物油40 ℃和100 ℃的運動粘度隨累計運行里程、累計啟用時間和累計運行時間的變化，使用過程中礦物油粘度的變化趨勢相對于3種運行參數基本一致。40 ℃的運動粘度呈線性降低趨勢，100 ℃的運動粘度的變化趨勢稍許不同，2 000 km后其運動粘度變化幅度減小。

2.3 起始氧化溫度分析

潤滑油的起始氧化溫度的高低說明了其熱氧化安定性能的好壞，反映了潤滑油中抗氧化添加劑的活性，能夠表征車用潤滑油的使用性能。圖5和圖6是半合成油和礦物油的起始氧化溫度隨累計運行里程、運行時間和啟用時間變化規律。很明顯，無論是半合成油還是礦物油的起始氧化溫度都呈現逐漸降低的趨勢，在發動機油的使用初期，起始氧化溫度下降速度非常快，隨著累計里程和時間加長，起始氧化溫度的下降速度變慢。半合成油在累計運行里程達到4 000 km、使用6個月或累積運行150 h后，其起始氧化溫度下降幅度非常小。礦物油在累計運行里程達到3 500 km、使用5個月或累積運行150 h后，其起始氧化溫度下降幅度也非常小。

如圖7所示，為每百公里起始氧化溫度變化值與累計運行里程的關系。初始階段，兩種潤滑油的起始氧化溫度降低幅度都比較大，后期基本相同。半合成油起始降低幅度大，很快趨于穩定；礦物油前2 000 km下降幅度較大，隨后趨于平穩。

將兩次試驗油在各運行里程下的運動粘度、添加劑消耗量和起始氧化溫度進行綜合比較（圖8）可見，隨著運行里程增加，添加劑消耗量增加，粘度下降，起始氧化溫度降低。半合成油添加劑消耗和粘度降低幅度略大于礦物油；而礦物油最初的起始氧化溫度小于半合成油，降低趨勢與半合成油相似，礦物油的起始氧化溫度降低幅度小于半合成油。

3 結束語

本文基于對同一輛轎車兩個換油周期內的車輛運行狀況、半合成油和礦物油的理化性能變化同步檢測，初步探討了市區工況下車用發動機潤滑油的性能衰變規律。

1）潤滑油的總酸值、運動粘度、起始氧化溫度等指標隨試驗車運行參數（累計運行里程、發動機累計運行時間、潤滑油累計使用時間）的變化規律基本一致，說明運行參數是影響潤滑油衰變的主要因素。

2）潤滑油的總酸值隨發動機運行時間延長基本呈線性增大趨勢，礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油。

3）試驗初始階段，潤滑油的運動粘度和起始氧化溫度下降速度較快，而后隨著運行里程的延長，下降速度減緩；相同發動機累計運行時間條件下，礦物油運動粘度下降總幅度小于半合成油。

4）車用發動機潤滑油性能衰變規律是復雜的，理論上不僅與汽車宏觀運行參數有關，還會受到起停、怠速、發動機調校、密封狀態等參數的影響，因此，針對一臺車、兩種油和典型的市區路況的試驗結果，僅僅能夠反映個例現象，要形成共性規律，還需加大試驗車、試驗油和拓寬運行環境，為發動機油質量衰變規律和換油周期的研究提供更為充足、科學的參考數據。

參考文獻

[1] BORDATCHEV E， AGHAYAN H， YANG J. Object shape-based optical sensing methodology and system for condition monitoring of contaminated engine lubricants[J]. Optics and Lasers in Engineering，2014（54）：128-138.

[2] BESSER C， STEOMSCH？譈TZ K， D？魻RR N， et al. Impact of engine oil degradation on wear and corrosion caused by acetic acid evaluated by chassis dynamometer bench tests[J]. Wear，2014（317）：64-76.

[3] 孫磊，賈云獻，蔡麗影，等. 基于油液光譜分析和粒子濾波的發動機剩余壽命預測研究[J]. 光譜學與光譜分析，2013，3（9）：2478-2482.

[4] JIA X Y， HUANG B S， BOWERS B F， et al. Infrared spectra and rheological properties of asphalt cement containing waste engine oil residues[J]. Construction and Building Materials，2014（50）：683-691.

[5] 房佳威，李云強，朱曉潔. 耐久試驗換油期優化方法[J]. 內燃機與動力裝置，2012（4）：4-7.

[6] KIM Y， KIM Y N， PARK S Y， et al. Classification and individualization of used engine oils using elemental composition and discriminant analysis[J]. Forensic Science International，2013（230）：58-67.

[7] 張勇，劉弦，張楠，等. 在線潤滑油液光譜傳感器技術研究[J]. 儀表技術與傳感器，2013（5）：2-6.

[8] KATAFUCHI T， KANANORI H. Development of an apparatus to evaluate oil deterioration and oil life based on a new principle for environmental conservation[J]. Jounery of Engineering Tribology，2011（225）：359-367.

[9] SOLEIMANI M， SOPHOCLEOUS M， GLANC M， et al. Engine oil acidity detection using solid state ion selective electrodes[J]. Tribology International，2013（65）：48-56.

[10] PATEL M， ASWATH P. Structure and chemistry of crankcase and cylinder soot and tribofilms on piston rings from a Mack T-12 dynamometer engine test[J]. Tribology International，2014（77）：111-121.

[11] SKJOEDT M， BUTTS R， ASSANIS D N， et al. Effects of oil properties on spark-ignition gasoline engine friction[J]. Tribology International，2008（41）：556-563.

[12] QIAN X Z， XIANG Y L， SHANG H F， et al. Thermal-oxidative mechanism of dioctyladipate base oil[J]. Friction，

2016，4（1）：29-38

（編輯：李妮）