汽油機油高溫沉積物及環粘結評定臺架的建立及試驗方法研究

黃勝軍，付代良，王 龍，曲 悅，石生靈，姚 錫，馬健凱

(中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032)

由于受熱和金屬催化的影響內燃機油不斷發生氧化、裂解、聚合等化學變化，引起潤滑油黏度增加，并在發動機金屬表面生成漆膜和積炭，從而導致發動機部件的磨損和機件的損壞[1-2]。發動機油基礎油中的環烷烴、芳烴和含硫、氮的雜原子化合物是油泥、漆膜的主要來源。芳烴組分不僅自身易氧化聚合形成大分子產物，而且會促進飽和烴氧化產物的縮聚反應[3-5]。潤滑油形成沉積物的氧化機制是較為復雜的過程，用簡化模型來描述為：當潤滑油樣品LA在氧化環境中受熱時，它將主要被氧化成LB，同時部分組分作為LE被蒸發，而當LB進一步被氧化聚合成大相對分子質量的LP時，其中的部分組分再次被以LF的形式蒸發，LP經過長時間的積累后最終生成固態沉積物LD[6]。作為車用潤滑油的重要性能評價指標，汽車發動機潤滑油的高溫沉積物、黏度增長及環粘結的評定一般使用發動機臺架進行評定。評價汽油機油高溫抗氧化和清凈性能的發動機臺架有API規格的ⅢF、ⅢG臺架，ACEA規格的TU5、EP6臺架。2000年API發布的SL/GF-3汽油機油規格采用ⅢF發動機臺架(ASTM D6984)評定機油高溫抗氧化性能[7]，其試驗發動機為排氣量為3.8 L的通用V-6汽油發動機，試驗時間為80 h，機油溫度為155 ℃，評價機油的黏度增長、活塞沉積物、凸輪磨損、環粘結及機油消耗量等，要求黏度增長率不大于275%。2005年和2010年API先后發布了SM/GF-4和SN/GF-5汽油機油規格，使用ⅢG發動機臺架(ASTM D7320)進行抗氧化和清凈性能評價[8]，所用發動機與ⅢF臺架相同，試驗時間為100 h，機油溫度為150 ℃，SM/GF-4規格要求黏度增長不大于150%。在ⅢG發動機試驗中，油品的飽和烴含量減少，芳烴和含氧化合物含量增多，這些物質進一步的氧化聚合最終生成積炭、漆膜等沉積物，造成油品的清凈性能變差[9]。而歐洲汽車制造協會ACEA 2012乘用車潤滑油規格采用PSA TU5汽油發動機臺架在高溫和全速全負荷工況下進行發動機油評價試驗[10-12]。

CEC L-88-02方法是歐洲汽車制造協會乘用車用潤滑油標準ACEA 2012版中用于評價A/B和C類規格發動機油高溫清凈性能的標準試驗方法，采用PSA TU5JP4汽油發動機進行清凈性評定，評價ACEA A1/B1，A3/B3，A3/B4，A5/B5，C1，C2，C3，C4規格油品。本研究使用PSA TU5JP4汽油發動機作為試驗機，建立滿足CEC方法要求的汽油機油高溫清凈性評定臺架，并使用參考油進行臺架標定以及重復性和區分性試驗；在臺架試驗過程中考察汽油機油的黏度增長、活塞沉積物、活塞環粘結及機油消耗等指標；評價試驗機油高溫清凈性及高溫抗氧化性能，分析TU5臺架苛刻性，驗證潤滑油氧化機制模型以及機油中基礎油消耗與運動黏度增長的關系，為高檔潤滑油配方開發提供試驗數據支持。

1 臺架的建立

1.1 試驗發動機

試驗發動機為PSA四沖程、直列四缸、自然吸氣、水冷、頂置凸輪軸的1.6 L汽油發動機，其型號及技術參數見表1。

表1 發動機技術參數

1.2 發動機臺架的建立

1.2.1 發動機冷卻系統臺架采用水-水熱交換器取代車用的冷卻器，并且配置有冷卻液膨脹室。拆除發動機冷卻水節溫器，冷卻液出口溫度傳感器安裝在節溫器殼體上，冷卻液入口溫度傳感器安裝在距發動機機體水管部件(165±30)mm處。

1.2.2 發動機油溫控系統需要對發動機機油溫度進行測量和控制，拆除機油濾清器，采用油/水冷卻器和過濾器一體的裝置，對發動機試驗油溫進行準確控制。油溫和油壓采集點為機體主油道螺紋孔，油溫傳感器設置在主油道(33±2)mm處。

1.2.3 油底殼改造臺架試驗過程中不補充機油，試驗機油加入量為4 500 g。需要對TU5發動機的油底殼進行局部改造，以增加油底殼的容量。改造示意如圖1所示，在油底殼中間部分加高67 mm，同時，油底殼機油泵入口管相應加長60 mm。

圖1 TU5發動機油底殼改造示意

1.2.4 測控系統計算機測控系統為AVL puma系統。測功機選擇AVL電渦流測功機，型號為DP160，最大扭矩為400 N·m,精度為0.2%(FS)[表示滿量程(FS)的0.2%]，滿足測量精度要求。

1.2.5 油耗儀燃油油耗測量系統采用AVL 735S質量流量式油耗儀和753C燃油溫度控制系統。AVL735S質量流量油耗儀可實時監控發動機燃油消耗，測量精度為0.12%(FS)，測量范圍為0～125 kgh。根據TU5臺架試驗參數，燃油消耗率約為20 kgh。所選擇的油耗儀量程與測量精度可以滿足臺架測試需求。

1.2.6 活塞漏氣量測量儀發動機臺架試驗時，需要實時監測發動機活塞漏氣量，跟蹤試驗過程中發動機活塞環工作狀態。選擇AVL442活塞漏氣量測量儀，測量精度為1%(FS)，滿足TU5發動機試驗測量要求。

1.3 燃油

TU5臺架試驗使用編號為RF-83-A-91的燃油，燃油控制指標如表2所示。

表2 RF-83-A-91燃油控制指標

2 試驗方法

2.1 試驗步驟

2.1.1 磨合程序工況新裝配的試驗發動機需要進行10 h的磨合運行，臺架試驗磨合工況條件見表3。

表3 TU5臺架試驗磨合工況條件

2.1.2 沖洗及暖機程序磨合運行結束后，在1 min內停機，排油15 min進行稱重。加入3 000 g機油按照以下工況運轉沖洗發動機15 min：轉速3 500 r/min，扭矩130 N·m，冷卻液出口溫度90 ℃，主油道機油溫度90 ℃。排油15 min，再加入4 500 g試驗油，進入正式試驗工況。

2.1.3 正式試驗工況在高溫、高速、高負荷的極限工況條件下運行TU5臺架試驗發動機，考察活塞高溫沉積物及發動機油抗高溫氧化性能。正式試驗時長為72 h，共6個大循環，每個大循環12 h，分為2個階段：階段一，高溫高負荷連續運行710 min，從怠速到滿負荷的爬坡時間為180 s；階段二，10 min怠速運行，從滿負荷到怠速的下降時間為30 s。TU5臺架試驗的工況條件如表4所示。

表4 TU5臺架試驗工況條件

試驗結束后，排油15 min，對機油稱重，計算排油量與加入試驗油量之差，即為機油消耗量。

2.2 活塞沉積物評價規則

試驗結束后對發動機進行拆解，取出活塞立即對活塞環靈活程度進行評價，并對粘環程度進行評分，之后進行活塞沉積物評價。表5為活塞沉積物和漆膜的評分規則。使用溶劑油沖洗活塞，將活塞按2號環臺、3號環臺、1號環槽、2號環槽、3號環槽5個因素，采用CRC20手冊評分方法進行活塞沉積物評分，總分為10分，得分越高，機油清凈性越好。

表5 活塞沉積物和漆膜的評分規則

2.3 黏度增長評價方法

試驗過程中，在第12，24，48，60，72 h各采樣30 mL，按照ASTM D445方法測定運動黏度(40 ℃)。

2.4 臺架標定

2.4.1 參考油TU5臺架標定選擇的參考油為RL216，其主要理化指標如表6所示。

表6 參考油RL216的主要理化指標

2.4.2 參考油標定試驗TU5臺架建立后使用參考油RL216進行標定試驗。按照標準方法要求進行操作，在階段一每10 min對臺架運行參數進行采集，共采集426組數據。對臺架階段一的運行參數進行匯總，列于表7。

表7 TU5臺架試驗運行情況

由表7可以看出，各參數基本滿足控制指標要求，特別是轉速、功率、機油溫度、冷卻液出口溫度等重要參數控制點均在誤差允許范圍內。表7也給出了數據統計的標準偏差值。通過標準偏差數值看，對比允差要求，各參數圍繞平均值離散度很小，臺架運行數據平穩。

2.4.3 參考油試驗結果對RL216參考油進行兩次臺架校機試驗，并拆解發動機對活塞沉積物及活塞環粘結情況進行評價。活塞沉積物評分情況如表8所示。由表8可以看出：兩次試驗都沒有活塞環的粘結，3道環均為自由環，評分均為10分；活塞沉積物評分的平均值分別為7.3分和7.6分。CEC標準方法要求RL216參考油活塞沉積物得分應在6.2～7.7分之間，而所建TU5臺架兩次試驗得分都在此標準要求范圍內，說明試驗對油品的清凈性評價重復性較好。

表8 RL216參考油試驗活塞沉積物評分

在TU5臺架試驗中，按方法要求采樣進行了RL216參考油40 ℃運動黏度分析，考察黏度增長趨勢。經過臺架校準，參考油黏度增長為49.76 mm2/s，滿足CEC L-88-02方法參考油校機的控制區間要求(48.6～80.3)。

3 區分性試驗

3.1 試驗油

臺架建立后，選擇汽油機油C，D，E，F，G，H作為試驗油進行區分性試驗。油品黏度等級為5W-30和5W-40。各試驗油的典型性質如表9所示,其中E、H為同一種機油的不同批次的油，C為ACEA A3/B4認證油。

表9 各試驗油的典型性質

3.2 活塞沉積物評分

對各試驗油進行TU5發動機試驗，定時采樣，檢測運行數據，試驗結束后拆解發動機，對活塞環進行環粘結評分，總分為10分。試驗油活塞環粘結及活塞沉積物評分見表10。

表10 試驗油活塞環粘結評分及活塞沉積物評分

3.3 抗磨損性能

試驗過程中定時采集機油樣進行鐵含量分析以考察油品的抗磨損性能。圖2為試驗過程中試驗油E，F，G，H的鐵含量變化趨勢對比。由圖2可以看出：試驗過程中幾種試驗油的鐵含量呈平緩增長趨勢；試驗結束后，拆機檢查缸套、凸輪等未發現異常磨損，油樣鐵質量分數在10～30 μg/g之間，按照GB/T 8028—2010《汽油機油換油指標》[13]要求試驗油的鐵質量分數大于70 μg/g時方需要更換機油，說明本研究中發動機各摩擦副的磨損均在正常范圍，臺架發動機潤滑狀態良好。

3.4 運動黏度變化分析

在TU5臺架試驗中定期采樣進行運動黏度分析，考察黏度增長趨勢。試驗油運動黏度隨時間的變化見圖3。運動黏度是反映潤滑油內在質量的重要指標，黏度增長趨勢是衡量油品氧化變稠的重要分析指標。試驗油的黏度變化可以反映出油品的氧化衰變程度、添加劑的熱分解及黏度指數改進劑、降凝劑等高聚物剪切熱降解的變化。比較試驗油運動黏度增長值的高低，可對比其抗高溫氧化增稠性能的優劣。

由圖3可知，試驗過程中各試驗油運動黏度的變化趨勢不同，但都隨時間的延長而有所增長，特別是試驗油D，F，G在72 h內的運動黏度增長達到150%以上，而試驗油C的運動黏度增長幅度較小，說明C的抗氧化增稠性能較好。由圖3還可以看出，在TU5臺架試驗進行到48 h之前，運動黏度增長趨勢相對平緩，在48 h至72 h各試驗油的運動黏度增長幅度較大，差異明顯，體現出各試驗油抗氧化增稠性能的不同。

在發動機運轉時，活塞燃燒室附近區域較高的溫度會促進潤滑油及燃油組分的熱氧化降解反應。機油在發動機工作過程中受到摩擦熱和燃燒熱等熱負荷作用，以及與空氣、燃料的凝聚物和不完全燃燒產物、凝結的水蒸氣、進入發動機的灰塵等接觸，并與這些外來物質相互作用，從而使油品物理化學性質不斷發生變化。因此，機油工作的過程也是不斷被氧化、消耗的過程，在這個過程中，一部分組分被蒸發，一部分組分發生氧化、裂解、聚合等化學變化，引起潤滑油黏度增加，過高的黏度會直接影響機油的潤滑性能和低溫性能，影響傳動效率，堵塞濾清器和油路，造成供油不足，從而導致發動機部件的磨損。

3.5 運動黏度增長與機油消耗

對試驗油的機油消耗量進行了統計，結果如表11所示。試驗前加入4 500 g試驗油，臺架試驗平均機油消耗量達到3 078 g，消耗近70%，具有較大的消耗量。試驗過程定時取樣，從理化分析結果發現，各試驗油在試驗過程中的鋅、磷含量明顯上升(如圖4、圖5所示)。試驗油E新油的鋅質量分數為1 100 μgg，試驗結束油的鋅質量分數為1 880 μgg，增加70%。其他試驗油的試驗結束油較新油的鋅含量增加了60%～87%。由于TU5的高溫工況，試驗油中的基礎油有較大的蒸發損失[14]。機油黏度增長與試驗油的基礎油蒸發損失具有一定的相關性。對試驗油的機油消耗量與運動黏度增長值進行了對比，機油消耗量越大，其黏度增長值也越大(如圖6所示)。

表11 試驗油的機油消耗量

圖4 鋅含量變化趨勢■—E； ●—F； ▲—G； 圖5同

圖5 磷含量變化趨勢

圖6 機油消耗量與運動黏度增長值的關系

TU5臺架試驗排溫為860 ℃，機油溫度為150 ℃，機油試驗溫度較高，熱負荷較大，TU5臺架試驗工況苛刻，加速了油品的氧化增稠。TU5臺架試驗結果顯示，試驗油中的基礎油有較大消耗，與潤滑油形成沉積物的氧化機制模型結論一致。試驗油在受熱、有氧環境中，將被氧化和聚合，同時部分組分被蒸發，形成沉積物、油泥，使油品增稠。由于TU5臺架用于評價ACEA A/B和C規格乘用車汽/柴油發動機通用型機油性能，機油配方需要兼顧汽油機油高溫抗氧化性能和柴油機油清凈分散性能。

TU5高溫清凈性評定臺架與DV4 TD中溫分散性評定臺架都用于考察發動機油運動黏度增長指標，實驗結果表明，降低基礎油蒸發損失，減少機油消耗量有利于通過臺架評定。按照ACEA 2012規格A/B和C類發動機油指標要求，TU5臺架試驗活塞環粘結評分不小于9.0，清凈性得分大于RL216參考油的得分，40 ℃運動黏度增長值小于0.8倍的RL216參考油運動黏度增長值，并報告機油消耗量。發動機臺架的建立可以為我國高檔發動機油的研制開發提供臺架支持和評定手段。

4 結 論

(1)按照歐洲潤滑劑和燃料油性能試驗協調委員會CEC L-88-02方法要求，使用PSA TU5發動機建立了輕負荷發動機油評定臺架，進行汽油機油高溫清凈性和環粘結測試方法的研究。試驗結果表明：參考油的標定試驗結果滿足該CEC方法要求；臺架試驗重復性較好，可以考察油品黏度增長、活塞沉積物及活塞環粘結、機油消耗等指標，可以較好地區分不同發動機油的高溫抗氧化及清凈性能。

(2)由于受高溫工況的影響，TU5試驗油基礎油消耗近70%，運動黏度增長值與機油消耗量具有一定的相關性。降低基礎油的蒸發損失有利于通過TU5臺架評定。

(3)發動機臺架的建立可以更好地為我國高檔發動機油的研制開發提供臺架支持和評定手段。在此基礎上，結合我國汽車發動機、燃料、負載、路況、排放及氣候等特點，開發適合于國內車輛需求的高品質潤滑油及臺架評價方法，逐步完善我國輕負荷發動機用潤滑油的評價體系。