劉小龍，王龍，馬洪亮，張偉光，曲悅，付代良，孫樹博，王雷

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

渦輪增壓汽油機潤滑油抗磨性臺架評定方法研究

劉小龍，王龍，馬洪亮，張偉光，曲悅，付代良，孫樹博，王雷

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

使用1.8 L渦輪增壓汽油發(fā)動機，進行汽油機油低溫抗磨性臺架評定方法的試驗研究。通過參比油試驗，考察渦輪增壓、試驗工況、機油黏度及抗磨劑等因素對機油抗磨特性的影響，開發(fā)出針對帶有渦輪增壓裝置汽油發(fā)動機的潤滑油抗磨性臺架評定方法。

渦輪增壓；汽油機；抗磨性；臺架試驗

0 引言

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和節(jié)能需求的不斷提高，發(fā)動機向著更大功率、更小體積的方向發(fā)展，特別是渦輪增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致發(fā)動機工作溫度升高，功率密度增大，熱負荷和機械負荷不斷增強，使得對發(fā)動機油抗磨損性能的要求越來越高。另一方面發(fā)動機節(jié)能技術(shù)的進一步提高，對使用潤滑油低黏度化的要求也越來越迫切，這使得機油需要具備更強的抗磨減摩特性。近幾年在節(jié)能減排的政策推動下，渦輪增壓技術(shù)在汽油發(fā)動機上全面普及，很多堅守自然吸氣陣營多年的汽車品牌也開始在其量產(chǎn)乘用車上覆蓋渦輪增壓，可見迫于節(jié)能的壓力，各汽車廠家也不得不犧牲部分駕駛動力的特性，而進一步照顧發(fā)動機熱效率。發(fā)動機熱負荷和機械負荷提升的一部分壓力便轉(zhuǎn)嫁到所使用的潤滑油性能上來，汽油機油除了將面臨熱負荷提升所帶來的抗氧化、清凈性的問題外，還必須像傳統(tǒng)柴油機油一樣應(yīng)對越發(fā)苛刻的抗磨損要求。

從ILSAC GF-5和ACEA 2012規(guī)格可以看出，美國或歐洲規(guī)格一直以來汽油機臺架試驗均為自然吸氣式發(fā)動機，都不帶有渦輪增壓或機械增壓裝置。這些標準汽油機試驗臺架經(jīng)過多年的發(fā)展，穩(wěn)定性和重復(fù)性十分可靠，但是試驗發(fā)動機有些技術(shù)卻與當前市場上汽油機有些差距，例如渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等。因此帶有這些新技術(shù)的試驗發(fā)動機臺架及對應(yīng)各種試驗方法亟待開發(fā)。

渦輪增壓發(fā)動機具有熱負荷高和機械負荷高的特點，在當前節(jié)能趨勢下更具有市場代表性。渦輪增壓技術(shù)在汽油機上的應(yīng)用，使其對潤滑油抗磨性的苛刻度相對提高，特別是在溫度較低的中低速負荷工況下的磨損會更加明顯。本研究選用國產(chǎn)1.8T型渦輪增壓汽油發(fā)動機搭建試驗臺架，通過分析影響潤滑油抗磨性的因素，開發(fā)用于渦輪增壓汽油機油品的低溫抗磨性臺架評定方法。

1 試驗硬件

1.1試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為國產(chǎn)18K4G型增壓汽油機，該發(fā)動機為直列四缸、雙頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)，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(jié)氣門等多種發(fā)動機技術(shù)，排放水平為歐Ⅳ標準。發(fā)動機外觀及特性指標見圖1。

圖1 國產(chǎn)18K4G型發(fā)動機外觀及特性圖

該發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 18K4G汽油機主要技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

1.2試驗部件

在潤滑油臺架試驗中，試驗件的質(zhì)量將直接影響到試驗的評定結(jié)果，特別是磨損試驗。因此，發(fā)動機臺架試驗件質(zhì)量的穩(wěn)定性，是保證該試驗臺架開展評定的一項基礎(chǔ)。每次試驗需考察和更換的試驗件主要為做功和磨損部件，每次磨損試驗前需對考察點進行初值測量。該汽油機臺架所需試驗件明細見表2。

表2 發(fā)動機試驗件明細

1.3試驗燃料油

為了保證長期、穩(wěn)定、相同品質(zhì)的燃料供應(yīng)，排除由于不同批次燃料差異性帶來的對試驗結(jié)果的不確定影響，同時考慮到試驗發(fā)動機使用指標要求，該汽油機臺架試驗使用符合GB 17930-2011標準的國Ⅲ97#汽油(無乙醇)作為臺架試驗用燃料油，燃油典型數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標要求見表3。

表3 試驗用燃料油主要技術(shù)指標要求

1.4試驗潤滑油

選擇了5種汽油機油進行抗磨損臺架的相關(guān)試驗，即選擇參考油作為臺架試驗的校機油，完成臺架的重復(fù)性驗證；選擇4種不同技術(shù)方案的市售油和研制油分別作為臺架的對比用油，確認臺架是否具有較好的區(qū)分性。其中，參考油為滿足ACEA規(guī)格中A3/B4級別的5W-40等級潤滑油，其典型數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標要求見表4。市售油1為5W-40油，研制油1為參考油同配方體系的5W-30油，市售油2為5W-20油，研制油2為強化抗磨劑配方的5W-20油技術(shù)方案。

表4 試驗用參考油主要技術(shù)指標要求

2 試驗工況及控制條件

2.1試驗程序開發(fā)

試驗發(fā)動機凸輪閥系采用液壓挺柱技術(shù)，可自動補償氣門間隙，油壓正常情況下凸輪-挺柱摩擦副磨損并不顯著，試驗對此位置不進行間隙測量和考察。本抗磨性試驗主要針對活塞環(huán)-缸套、連桿軸瓦這兩處摩擦副位置進行評價，評價指標為活塞環(huán)開口間隙、側(cè)向間隙，缸套內(nèi)徑磨損、連桿軸瓦失重4項測量指標。另外機油中Fe、Al元素含量也需要采樣分析。試驗工況及控制條件開發(fā)過程見表5。

表5 低溫抗磨性試驗工況及控制條件開發(fā)過程

Test1-3為三次有效重復(fù)性考察試驗，其中主要指標活塞環(huán)開口間隙磨損量三次試驗分別為15 μm、16 μm、16 μm，相對標準偏差RSD=3.7%，重復(fù)性較好。經(jīng)檢測三次重復(fù)性臺架試驗后機油中的Fe/Al元素含量分別為5.5/4.2 μg/g、4.4/2.2 μg/g、5.9/4.4 μg/g，行車試驗結(jié)果油樣分析該指標平均值約為5.0/4.3 μg/g的大致相同磨損水平，其余理化指標與行車試驗結(jié)果相比也基本接近(行車試驗工況為城市及市郊路況正常交通行駛)。因此，可以認為該低溫抗磨性試驗與行車試驗具有一定的相關(guān)性，主要模擬車輛在城市交通擁堵情況下車輛停停開開的發(fā)動機低溫低速運行工況或車輛行駛于城市與郊區(qū)之間的發(fā)動機中速運行工況。

2.2試驗程序

確定低溫抗磨性試驗工況及條件后，需確定主要參數(shù)控制精度及試驗各工況的循環(huán)方式。低溫抗磨性試驗工況及主要控制參數(shù)見表6。

表6 低溫抗磨性試驗工況及主要控制參數(shù)

注：此為一個完整試驗共計100h。

正式試驗前需更換新的試驗件和對考察點進行初始值測量，即活塞環(huán)、缸套、連桿軸瓦等，并需對發(fā)動機進行磨合，磨合后放油更換新的機油濾清器，并加入正式試驗用潤滑油，然后進入正式試驗程序。

3 結(jié)果及討論

對選用的幾種油在該渦輪增壓汽油機臺架上按照既定方法進行低溫抗磨性試驗，主要根據(jù)最終的磨損測量結(jié)果考察試驗臺架的重復(fù)性和區(qū)分性。結(jié)果表明，三次參考油重復(fù)性試驗后試驗件的各項磨損指標均處在同一水平，主要指標活塞環(huán)開口間隙磨損測量結(jié)果相近，具有較好的重復(fù)性。四次不同技術(shù)方案油樣的區(qū)分性試驗，試驗后磨損數(shù)據(jù)差異具有規(guī)律性，其中環(huán)開口間隙指標的差別相對明顯，表現(xiàn)出臺架試驗對機油不同黏度和抗磨劑感受具有一定的區(qū)分性。試驗對比結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 重復(fù)性試驗結(jié)果

圖3 區(qū)分性試驗結(jié)果

從幾種試驗油的區(qū)分性結(jié)果分析，相同配方的30和40黏度油在該發(fā)動機上磨損區(qū)分不大，市售40黏度油抗磨表現(xiàn)優(yōu)勢明顯，市售20黏度油磨損明顯增大，研制20黏度油為驗證抗磨劑感受性使配方加劑量過高而不具有產(chǎn)品實際開發(fā)意義。綜上表明30和40黏度機油基本可滿足該發(fā)動機設(shè)計裝配工藝的要求，20黏度機油因HTHS黏度過低不適合該發(fā)動機使用或在該臺架進行產(chǎn)品開發(fā)。

該試驗臺架1.8T增壓汽油機活塞火力岸高度較低僅為3 mm，且活塞內(nèi)腔無機油噴射冷卻(歐洲標準臺架試驗活塞火力岸高度為7.5 mm，活塞情況見圖4、圖5)，使得活塞頭部熱負荷較大，較高溫度導(dǎo)致活塞頂環(huán)與缸套間TDC位置的油膜強度不足以承受邊界潤滑的考驗，因此磨損主要體現(xiàn)在活塞環(huán)開口間隙。

圖4 該臺架活塞與標準試驗活塞對比

圖5 標準臺架活塞內(nèi)腔機油噴射冷卻

另外，根據(jù)40 h和100 h試驗油采樣分析表明，前40 h雖然渦輪增壓器未介入工作，發(fā)動機機械負荷較低，但發(fā)動機和機油由于處在較低的控制溫度工作，磨損情況也相對明顯；后60 h由于渦輪介入使發(fā)動機負荷提高，機油溫度和水溫控制也相應(yīng)升高，此階段的磨損主要與機械負荷和油膜強度有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)渦輪增壓汽油機低溫抗磨性臺架評定方法主要模擬車輛在城市交通擁堵情況下車輛停停開開的發(fā)動機低溫低速運行工況或車輛行駛于城市與郊區(qū)之間的發(fā)動機中速運行工況，與行車試驗結(jié)果具有較好的相關(guān)性。

(2)該低溫抗磨性臺架評定方法對相同試驗油具有較好的重復(fù)性，對不同黏度和抗磨劑配方汽油機油的抗磨損水平具有較好的區(qū)分能力。

(3)該臺架適用于開發(fā)和評價xW-30或xW-40黏度等級不同抗磨劑方案的潤滑油，該發(fā)動機設(shè)計和裝配工藝不適合xW-20黏度油品的使用和開發(fā)。

(4)渦輪增壓汽油機相對機械負荷較高，對油品抗磨性的評價比標準臺架的自然吸氣式發(fā)動機苛刻度較高。影響機油抗磨性的因素除與機械負荷有關(guān)外，還與機油工況溫度、油膜強度、抗磨劑選用等有直接關(guān)系。

[1] GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].

[2] CEC L-38-94 Gasoline Engine Valve Train Scuffing Test[S].

[3] CRC Manual No.20[S].

[4] ACEA European Oil Sequences 2012[S].

Research on the Bench Test Method of Wear Resistance for Turbocharging Gasoline Engine Oil

LIU Xiao-long, WANG Long, MA Hong-liang, ZHANG Wei-guang, QU Yue, FU Dai-liang, SUN Shu-bo, WANG Lei

(PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032, China)

With 1.8 L turbocharging gasoline engine, a bench test method of oil wear resistance at low temperature was researched.By the reference oil test, the effects of turbocharging, testing conditions, oil viscosity and antiwear additive on the oil wear resistance were investigated, and the bench test method of oil wear resistance for gasoline engine specially with turbocharging devices was developed.

turbocharging; gasoline engine; wear resistance; bench test

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.012

1002-3119(2017)05-0052-04

TE626.32

A

2017-05-19。

劉小龍，工程師，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，從事潤滑油評定及油品開發(fā)工作。E-mail: liuxiaolong_rhy@petrochina.com.cn