發動機油熱區環境適應性驗證的探索與研究

孫阿英，楊東陽

(北京汽車研究總院有限公司越野車研究院，北京 101300)

0 引言

發動機是汽車的心臟，發動機油被譽為發動機血液，對發動機起到潤滑、清潔、冷卻、密封、減磨、防銹防蝕等作用，因此發動機油質量和性能的優劣對發動機性能以及零部件的工作狀態起著至關重要的作用。在汽車運行過程中，發動機油適應性好與壞將對發動機的可靠性、耐久性產生顯著影響，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，僅通過實驗室臺架驗證試驗無法有效評估實際情況，因此選擇搭載試驗車輛在熱區路試的方式進行驗證。

1 方案策劃

1.1 試驗環境

(1)濕熱環境：北京→景洪→昆明→成都(第一階段)；

(2)高原環境：成都→拉薩→喀什(第二階段)；

(3)干熱、沙漠、草原環境：喀什→吐魯番→阿拉善→烏蘭浩特→北京(第三階段)。

1.2 試驗對象

發動機油規格型號：SN-5W30。

搭載車輛要求：2輛車況較好，行駛狀況基本穩定，確保樣品采集滿足一定的環境行程。

1.3 發動機油的考察參數選擇及采樣體積

參考發動機油技術標準GB 11121-2006和GB/T 8028-2010，確定了對路試機油的考察參數，即：運動黏度、水分、閃點(閉口)、戊烷不溶物、酸值、堿值、紅外定量分析、磨損元素等參數作為檢測項目。依據各個參數的試驗標準確定樣品的采集體積為200 mL。

1.4 樣品采集里程間隔及樣品數量

考慮到此次熱區試驗不同環境的里程，為確保真實再現各環境階段發動機油的工作狀態，特制定如下的油品采集間隔，即：濕熱環境：10 000 km，采集5個樣品；高原環境：8 000 km，采集4個樣品；干熱、沙漠、草原環境：14 000 km，采集7個樣品。2輛試驗車合計32個樣品。

2 方案實施

2.1 樣品采集

按照既定策劃方案沿規劃路線歷時3個月，完成熱區不同環境條件下的樣品采集，樣品信息詳見表1。

表1 不同環境路況下的試驗樣品采集統計表

2.2 樣品檢測

為確保試驗數據的準確、有效，特送CNAS認可的油品第三方檢測機構，按照國標測試，1、2號試驗車測試結果如表2—7所示。

表2 1號試驗車濕熱環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色黑色)

表3 1號試驗車高原環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表4 1號試驗車干熱、沙漠、草原環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表5 2號試驗車濕熱環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色黑色)

表6 2號試驗車高原環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表7 2號試驗車干熱、沙漠、草原環境發動機油測試結果關鍵參數列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

3 數據分析

為更清楚再現該發動機油在熱區三個階段的變化狀態，對所有的樣品數據作了處理。詳解如下：

3.1 三個環境階段1號試驗車各性能參數變化及數據分析

3.1.1 運動黏度

三個階段黏度變化較平穩，基本都呈先降后升的態勢，最大變化率為8.8%，最小為1.0%，均在預警值范圍內(運動黏度變化超過新油±20%)，且滿足新油指標要求，說明三個階段行車試驗過程中，油品抗剪切性能正常，無異常氧化變稠。

3.1.2 水分

油品水分最高的為第三階段32 156 km(試驗里程為12 125 km)，為982 mg/kg，三個階段各油品水分在400～1 000 mg/kg間波動，遠遠低于預警值(水分>2 000 mg/kg)，說明油品未受到明顯的冷卻水污染。

3.1.3 閃點

三個階段的閃點在120～185 ℃之間波動，其中第二階段20 031 km(試驗里程為5 770 km)的閃點降幅度最大，為33.3%，換油后第三階段油品的閃點降幅最小，為20.6%。三個階段油品閃點均高于預警值(閃點<100 ℃)，說明油品未受到持續增加的燃油污染，表明無異常串燃油現象。

3.1.4 戊烷不溶物

三個階段的不溶物大都在0.1%左右，其中第二階段的不溶物含量最低，可能換油時舊油放凈更徹底，三個階段的戊烷不溶物均遠遠低于預警值(戊烷不溶物>0.5%)，說明油品未異常氧化變質，機械雜質也較少。

3.1.5 堿值

三個階段在相同里程時堿值下降幅度基本相當，第三階段結束樣因為里程數最長，所以堿值降幅最大，降為新油的58%，仍在預警值正常范圍內(堿值降至新油30%以下)，說明近1.5×104km時油品仍保持了一定的酸中和能力。

3.1.6 酸值

三個階段的酸值基本都呈上升趨勢，其中第一階段增幅最大，但總體來說，三個階段的酸值仍在預警值正常范圍內(酸值增加超過新油2 mg/g)，需結合氧化度和硝化度等綜合判定油品是否異常氧化變質。

3.1.7 乙二醇

三個階段的乙二醇不同程度超預警值(乙二醇>0.2%)，但扣除油品0公里樣品的基礎值后，三個階段最后一個樣品的乙二醇含量均未超預警值，因此無明顯冷卻水污染機油現象。

3.1.8 積碳、氧化度、硝化度、硫化值

三個階段的積碳水平基本與油品0公里持平，氧化度、硝化度持續增加，第三階段的硝化度最終達24 A/cm，表明油品有一定程度氧化，但尚未超預警值(積碳、氧化度、硝化度、硫化值均大于25 A/cm)。

3.1.9 磨損金屬

各階段的磨損金屬元素都呈上升趨勢，三個階段的元素含量均未超警戒值(Fe>50 mg/kg，Cu>30 mg/kg，Pb>20 mg/kg，Cr>10 mg/kg，Sn>15 mg/kg，Al、Ni、Mn視情)，表明設備磨損狀態正常。

3.1.10 污染元素

第一階段末次樣品的Si含量與油品0公里相比略有上升，第二、三階段的Si含量明顯上升，第三階段末次樣品的Si含量超過警戒值(Si>30 mg/kg，K、Na視情)，說明粉塵污染一直在持續，且穩步緩慢增加。

3.1.11 添加劑元素

如表8所示，各階段添加劑B元素持續下降，但主要添加劑元素Ca、P、Zn含量均保持得較好，遠遠低于預警值。

表8 添加劑元素變化 mg·kg-1

3.2 三個環境階段2號試驗車各性能參數變化及數據分析

3.2.1 運動黏度

三個階段黏度變化較平穩，基本都呈先降后升的態勢，與油品0公里相比總體為下降，降幅最大為11.8%，升幅最大為2.0%，均在預警值正常范圍內(運動黏度變化超過新油±20%)，且都滿足新油指標要求，說明在三個階段行車試驗過程中，油品抗剪切性能正常，也未異常氧化變稠。

3.2.2 水分

油品水分最高的為第三階段34 996 km(試驗里程為12 006 km)，為1 090 mg/kg，仍低于預警值(水分>2 000 mg/kg)，三個階段各油品水分在350～1 050 mg/kg間波動，低于預警值，說明油品未受到異常水污染。

3.2.3 閃點

三個階段的閃點在130～190 ℃之間波動，其中第三階段34 996 km(試驗里程為12 006 km)的閃點降幅度最大，為32.6%，但末次樣閃點有回升，可能與取樣后補過新油有關。三個階段閃點均高于預警值(閃點<100 ℃)，說明油品未受到持續增加的燃油污染，表明無異常串燃油現象。

3.2.4 戊烷不溶物

第一階段的不溶物初始值較高，之后略有上升；第二階段初始值較低，變化也較平穩；第三階段不溶物呈穩步上升趨勢，但仍低于預警值(戊烷不溶物>0.5%)，表明油泥或機械雜質未見異常。

3.2.5 堿值

三個階段在相同里程時堿值下降幅度基本相當，第三階段結束樣因為里程數最長，所以堿值降幅最大，降為新油的59%，仍在預警值正常范圍內(堿值降至新油30%以下)，說明近1.5×104km時油品仍保持了一定的酸中和能力。

3.2.6 酸值

三個階段的酸值基本都呈上升趨勢，其中第三階段末次樣的酸值增值超過預警值(酸值增加超過新油2 mg/g)，表明油品在1.5×104km時出現較明顯氧化，需結合氧化度和硝化度等判定油品氧化程度。

3.2.7 乙二醇

除第三階段的乙二醇未超預警值外，其余有不同程度的超預警值，第二階段的初始值較高，但以油品0公里樣品為基準樣比較，三個階段最后一個樣品均在正常范圍內(乙本醇>0.2%)，無明顯冷卻水污染機油現象。

3.2.8 積碳、氧化度、硝化度、硫化值

三個階段的積碳水平基本與油品0公里持平，第一階段和第三階段的氧化度、硝化度持續增加，第二階段最平穩，第三階段1.2×104km樣的硝化度尚未超預警值(積碳、氧化度、硝化度、硫化值均大于25 A/cm)，但末次1.5×104km樣硝化度最終達29 A/cm，超過了預警值，表明油品有異常氧化跡象。

3.2.9 磨損金屬元素

各階段的磨損金屬元素都呈上升趨勢，三個階段的元素含量均未超警戒值(Fe>50 mg/kg，Cu>30 mg/kg，Pb>20 mg/kg，Cr>10 mg/kg，Sn>15 mg/kg，Al、Ni、Mn視情)，表明設備磨損狀態正常。

3.2.10 污染元素

三個階段的Si均穩步上升，其中第一階段Si初始值較高，因此，之后的樣均超過警戒值，第二階段Si未超警戒值，第三階段Si從31 023 km(試驗里程8 033 km)起均超過警戒值(Si>30 mg/kg，K、Na視情)，說明粉塵污染一直在持續，可能與路況或車輛的空濾有關。

3.2.11 添加劑

如表9所示，添加劑元素Mo和B持續下降，第三階段的Mo和B下降程度較大，但主要添加元素Ca、Zn、P保持得較好，與預警值相比有較大富余量。

表9 添加劑元素變化 mg·kg-1

4 結論

(1)黏度和閃點主要反映油品的剪切、氧化和燃油稀釋情況。

三個階段的油品黏度變化平穩，試驗末次樣黏度仍在新油指標范圍內，閃點均高于預警值，說明油品無異常剪切及氧化變稠現象，也無明顯的燃油稀釋現象，能確保車輛在行駛過程中保持穩定的油壓和油膜。

(2)堿值反映油品的酸中和能力。

三個階段的堿值均在預警值正常范圍內，說明各階段的油品仍保持了一定的酸中和能力。

(3)酸值和不溶物主要反映油品氧化程度。

1號試驗車：三個階段的油品酸值均在預警值正常范圍內，戊烷不溶物也遠遠低于預警值；試驗過程中氧化度、硝化度雖持續增加，但尚未超預警值，表明油品有一定程度氧化，但仍可繼續使用。

2號試驗車：第三階段不溶物雖低于預警值，但末次樣酸值增值超過預警值，表明油品1.5×104km有明顯氧化跡象，結合第三階段硝化度超預警值，進一步表明該里程的油品已異常氧化，繼續使用會增加風險。

(4)三個階段的水分均在正常范圍內，未見冷卻水污染引起的異常變化。

(5)三個階段的磨損元素均處于較低水平，說明發動機磨損狀態良好；主要污染元素Si含量呈上升趨勢，第三階段的末次樣品超過警戒值，說明粉塵污染持續增加，可能由于發動機空濾效果不理想；添加劑元素除B含量下降程度較大外，主要添加劑元素Ca、P、Zn含量均保持得較好。

兩輛試驗車前兩個階段的路試油樣理化分析數據正常，油品無異常氧化現象，主要添加劑水平正常，發動機未出現異常磨損。第三階段污染元素Si含量明顯偏高，可能與試驗路況及空濾有效性有關，檢查清潔空濾，必要時更換，以免引起磨料磨損。鑒于2號試驗車第三階段1.5×104km樣品出現異常氧化，考慮縮短換油期。

總之，以上發動機油搭載試驗的熱區環境適應性驗證各參

數指標，全方位數據化監控了發動機熱區工作環境狀態及油品的劣化趨勢，數據分析也清晰地展示了該潤滑油對熱區工況環境的適應性良好效果。鑒于1.5×104km的異常氧化現象，對照之前5 000～7 000 km的換油周期，可以考慮保守延長至10 000～12 000 km。

伴隨中國汽車行業的飛速發展，越野車正以驚人的速度進入千家萬戶，從而發動機油的消費將迅速增長，發動機油的環境適應性驗證效果越來越多地被人們普遍關注，換油周期的延長具有廣泛的實用價值，同時該領域的探索與研究對節約資源降低消耗以及凈化周邊環境意義重大，不容忽視。