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(fā)中心，遼寧 大連 116032)

由于受熱和金屬催化的影響內(nèi)燃機(jī)油不斷發(fā)生氧化、裂解、聚合等化學(xué)變化，引起潤滑油黏度增加，并在發(fā)動(dòng)機(jī)金屬表面生成漆膜和積炭，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損和機(jī)件的損壞[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)油基礎(chǔ)油中的環(huán)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(chǎn)物，而且會(huì)促進(jìn)飽和烴氧化產(chǎn)物的縮聚反應(yīng)[3-5]。潤滑油形成沉積物的氧化機(jī)制是較為復(fù)雜的過程，用簡化模型來描述為：當(dāng)潤滑油樣品LA在氧化環(huán)境中受熱時(shí)，它將主要被氧化成LB，同時(shí)部分組分作為LE被蒸發(fā)，而當(dāng)LB進(jìn)一步被氧化聚合成大相對分子質(zhì)量的LP時(shí)，其中的部分組分再次被以LF的形式蒸發(fā)，LP經(jīng)過長時(shí)間的積累后最終生成固態(tài)沉積物L(fēng)D[6]。作為車用潤滑油的重要性能評價(jià)指標(biāo)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的高溫沉積物、黏度增長及環(huán)粘結(jié)的評定一般使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺架進(jìn)行評定。評價(jià)汽油機(jī)油高溫抗氧化和清凈性能的發(fā)動(dòng)機(jī)臺架有API規(guī)格的ⅢF、ⅢG臺架，ACEA規(guī)格的TU5、EP6臺架。2000年API發(fā)布的SL/GF-3汽油機(jī)油規(guī)格采用ⅢF發(fā)動(dòng)機(jī)臺架(ASTM D6984)評定機(jī)油高溫抗氧化性能[7]，其試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為排氣量為3.8 L的通用V-6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)時(shí)間為80 h，機(jī)油溫度為155 ℃，評價(jià)機(jī)油的黏度增長、活塞沉積物、凸輪磨損、環(huán)粘結(jié)及機(jī)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(fā)布了SM/GF-4和SN/GF-5汽油機(jī)油規(guī)格，使用ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)臺架(ASTM D7320)進(jìn)行抗氧化和清凈性能評價(jià)[8]，所用發(fā)動(dòng)機(jī)與ⅢF臺架相同，試驗(yàn)時(shí)間為100 h，機(jī)油溫度為150 ℃，SM/GF-4規(guī)格要求黏度增長不大于150%。在ⅢG發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)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(zhì)進(jìn)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(xié)會(huì)ACEA 2012乘用車潤滑油規(guī)格采用PSA TU5汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺架在高溫和全速全負(fù)荷工況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)油評價(jià)試驗(yàn)[10-12]。

CEC L-88-02方法是歐洲汽車制造協(xié)會(huì)乘用車用潤滑油標(biāo)準(zhǔn)ACEA 2012版中用于評價(jià)A/B和C類規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)油高溫清凈性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，采用PSA TU5JP4汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清凈性評定，評價(jià)ACEA A1/B1，A3/B3，A3/B4，A5/B5，C1，C2，C3，C4規(guī)格油品。本研究使用PSA TU5JP4汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)，建立滿足CEC方法要求的汽油機(jī)油高溫清凈性評定臺架，并使用參考油進(jìn)行臺架標(biāo)定以及重復(fù)性和區(qū)分性試驗(yàn)；在臺架試驗(yàn)過程中考察汽油機(jī)油的黏度增長、活塞沉積物、活塞環(huán)粘結(jié)及機(jī)油消耗等指標(biāo)；評價(jià)試驗(yàn)機(jī)油高溫清凈性及高溫抗氧化性能，分析TU5臺架苛刻性，驗(yàn)證潤滑油氧化機(jī)制模型以及機(jī)油中基礎(chǔ)油消耗與運(yùn)動(dòng)黏度增長的關(guān)系，為高檔潤滑油配方開發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 臺架的建立

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)，其型號及技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架的建立

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水節(jié)溫器，冷卻液出口溫度傳感器安裝在節(jié)溫器殼體上，冷卻液入口溫度傳感器安裝在距發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體水管部件(165±30)mm處。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)油溫控系統(tǒng)需要對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度進(jìn)行測量和控制，拆除機(jī)油濾清器，采用油/水冷卻器和過濾器一體的裝置，對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油溫進(jìn)行準(zhǔn)確控制。油溫和油壓采集點(diǎn)為機(jī)體主油道螺紋孔，油溫傳感器設(shè)置在主油道(33±2)mm處。

1.2.3 油底殼改造臺架試驗(yàn)過程中不補(bǔ)充機(jī)油，試驗(yàn)機(jī)油加入量為4 500 g。需要對TU5發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼進(jìn)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(shí)，油底殼機(jī)油泵入口管相應(yīng)加長60 mm。

圖1 TU5發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼改造示意

1.2.4 測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)為AVL puma系統(tǒng)。測功機(jī)選擇AVL電渦流測功機(jī)，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(tǒng)采用AVL 735S質(zhì)量流量式油耗儀和753C燃油溫度控制系統(tǒng)。AVL735S質(zhì)量流量油耗儀可實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，測量精度為0.12%(FS)，測量范圍為0～125 kgh。根據(jù)TU5臺架試驗(yàn)參數(shù)，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(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)活塞漏氣量，跟蹤試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)工作狀態(tài)。選擇AVL442活塞漏氣量測量儀，測量精度為1%(FS)，滿足TU5發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測量要求。

1.3 燃油

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

表2 RF-83-A-91燃油控制指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)步驟

2.1.1 磨合程序工況新裝配的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行10 h的磨合運(yùn)行，臺架試驗(yàn)?zāi)ズ瞎r條件見表3。

表3 TU5臺架試驗(yàn)?zāi)ズ瞎r條件

2.1.2 沖洗及暖機(jī)程序磨合運(yùn)行結(jié)束后，在1 min內(nèi)停機(jī)，排油15 min進(jìn)行稱重。加入3 000 g機(jī)油按照以下工況運(yùn)轉(zhuǎn)沖洗發(fā)動(dòng)機(jī)15 min：轉(zhuǎn)速3 500 r/min，扭矩130 N·m，冷卻液出口溫度90 ℃，主油道機(jī)油溫度90 ℃。排油15 min，再加入4 500 g試驗(yàn)油，進(jìn)入正式試驗(yàn)工況。

2.1.3 正式試驗(yàn)工況在高溫、高速、高負(fù)荷的極限工況條件下運(yùn)行TU5臺架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，考察活塞高溫沉積物及發(fā)動(dòng)機(jī)油抗高溫氧化性能。正式試驗(yàn)時(shí)長為72 h，共6個(gè)大循環(huán)，每個(gè)大循環(huán)12 h，分為2個(gè)階段：階段一，高溫高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行710 min，從怠速到滿負(fù)荷的爬坡時(shí)間為180 s；階段二，10 min怠速運(yùn)行，從滿負(fù)荷到怠速的下降時(shí)間為30 s。TU5臺架試驗(yàn)的工況條件如表4所示。

表4 TU5臺架試驗(yàn)工況條件

試驗(yàn)結(jié)束后，排油15 min，對機(jī)油稱重，計(jì)算排油量與加入試驗(yàn)油量之差，即為機(jī)油消耗量。

2.2 活塞沉積物評價(jià)規(guī)則

試驗(yàn)結(jié)束后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，取出活塞立即對活塞環(huán)靈活程度進(jìn)行評價(jià)，并對粘環(huán)程度進(jìn)行評分，之后進(jìn)行活塞沉積物評價(jià)。表5為活塞沉積物和漆膜的評分規(guī)則。使用溶劑油沖洗活塞，將活塞按2號環(huán)臺、3號環(huán)臺、1號環(huán)槽、2號環(huán)槽、3號環(huán)槽5個(gè)因素，采用CRC20手冊評分方法進(jìn)行活塞沉積物評分，總分為10分，得分越高，機(jī)油清凈性越好。

表5 活塞沉積物和漆膜的評分規(guī)則

2.3 黏度增長評價(jià)方法

試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)黏度(40 ℃)。

2.4 臺架標(biāo)定

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

表6 參考油RL216的主要理化指標(biāo)

2.4.2 參考油標(biāo)定試驗(yàn)TU5臺架建立后使用參考油RL216進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)方法要求進(jìn)行操作，在階段一每10 min對臺架運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，共采集426組數(shù)據(jù)。對臺架階段一的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總，列于表7。

表7 TU5臺架試驗(yàn)運(yùn)行情況

由表7可以看出，各參數(shù)基本滿足控制指標(biāo)要求，特別是轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)油溫度、冷卻液出口溫度等重要參數(shù)控制點(diǎn)均在誤差允許范圍內(nèi)。表7也給出了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。通過標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值看，對比允差要求，各參數(shù)圍繞平均值離散度很小，臺架運(yùn)行數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

2.4.3 參考油試驗(yàn)結(jié)果對RL216參考油進(jìn)行兩次臺架校機(jī)試驗(yàn)，并拆解發(fā)動(dòng)機(jī)對活塞沉積物及活塞環(huán)粘結(jié)情況進(jìn)行評價(jià)?；钊练e物評分情況如表8所示。由表8可以看出：兩次試驗(yàn)都沒有活塞環(huán)的粘結(jié)，3道環(huán)均為自由環(huán)，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(biāo)準(zhǔn)方法要求RL216參考油活塞沉積物得分應(yīng)在6.2～7.7分之間，而所建TU5臺架兩次試驗(yàn)得分都在此標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，說明試驗(yàn)對油品的清凈性評價(jià)重復(fù)性較好。

表8 RL216參考油試驗(yàn)活塞沉積物評分

在TU5臺架試驗(yàn)中，按方法要求采樣進(jìn)行了RL216參考油40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度分析，考察黏度增長趨勢。經(jīng)過臺架校準(zhǔn)，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(jī)的控制區(qū)間要求(48.6～80.3)。

3 區(qū)分性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)油

臺架建立后，選擇汽油機(jī)油C，D，E，F(xiàn)，G，H作為試驗(yàn)油進(jìn)行區(qū)分性試驗(yàn)。油品黏度等級為5W-30和5W-40。各試驗(yàn)油的典型性質(zhì)如表9所示,其中E、H為同一種機(jī)油的不同批次的油，C為ACEA A3/B4認(rèn)證油。

表9 各試驗(yàn)油的典型性質(zhì)

3.2 活塞沉積物評分

對各試驗(yàn)油進(jìn)行TU5發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，定時(shí)采樣，檢測運(yùn)行數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束后拆解發(fā)動(dòng)機(jī)，對活塞環(huán)進(jìn)行環(huán)粘結(jié)評分，總分為10分。試驗(yàn)油活塞環(huán)粘結(jié)及活塞沉積物評分見表10。

表10 試驗(yàn)油活塞環(huán)粘結(jié)評分及活塞沉積物評分

3.3 抗磨損性能

試驗(yàn)過程中定時(shí)采集機(jī)油樣進(jìn)行鐵含量分析以考察油品的抗磨損性能。圖2為試驗(yàn)過程中試驗(yàn)油E，F(xiàn)，G，H的鐵含量變化趨勢對比。由圖2可以看出：試驗(yàn)過程中幾種試驗(yàn)油的鐵含量呈平緩增長趨勢；試驗(yàn)結(jié)束后，拆機(jī)檢查缸套、凸輪等未發(fā)現(xiàn)異常磨損，油樣鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10～30 μg/g之間，按照GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》[13]要求試驗(yàn)油的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70 μg/g時(shí)方需要更換機(jī)油，說明本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副的磨損均在正常范圍，臺架發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑狀態(tài)良好。

3.4 運(yùn)動(dòng)黏度變化分析

在TU5臺架試驗(yàn)中定期采樣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)黏度分析，考察黏度增長趨勢。試驗(yàn)油運(yùn)動(dòng)黏度隨時(shí)間的變化見圖3。運(yùn)動(dòng)黏度是反映潤滑油內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)，黏度增長趨勢是衡量油品氧化變稠的重要分析指標(biāo)。試驗(yàn)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(shù)改進(jìn)劑、降凝劑等高聚物剪切熱降解的變化。比較試驗(yàn)油運(yùn)動(dòng)黏度增長值的高低，可對比其抗高溫氧化增稠性能的優(yōu)劣。

由圖3可知，試驗(yàn)過程中各試驗(yàn)油運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢不同，但都隨時(shí)間的延長而有所增長，特別是試驗(yàn)油D，F(xiàn)，G在72 h內(nèi)的運(yùn)動(dòng)黏度增長達(dá)到150%以上，而試驗(yàn)油C的運(yùn)動(dòng)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(yàn)進(jìn)行到48 h之前，運(yùn)動(dòng)黏度增長趨勢相對平緩，在48 h至72 h各試驗(yàn)油的運(yùn)動(dòng)黏度增長幅度較大，差異明顯，體現(xiàn)出各試驗(yàn)油抗氧化增稠性能的不同。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞燃燒室附近區(qū)域較高的溫度會(huì)促進(jìn)潤滑油及燃油組分的熱氧化降解反應(yīng)。機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中受到摩擦熱和燃燒熱等熱負(fù)荷作用，以及與空氣、燃料的凝聚物和不完全燃燒產(chǎn)物、凝結(jié)的水蒸氣、進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的灰塵等接觸，并與這些外來物質(zhì)相互作用，從而使油品物理化學(xué)性質(zhì)不斷發(fā)生變化。因此，機(jī)油工作的過程也是不斷被氧化、消耗的過程，在這個(gè)過程中，一部分組分被蒸發(fā)，一部分組分發(fā)生氧化、裂解、聚合等化學(xué)變化，引起潤滑油黏度增加，過高的黏度會(huì)直接影響機(jī)油的潤滑性能和低溫性能，影響傳動(dòng)效率，堵塞濾清器和油路，造成供油不足，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損。

3.5 運(yùn)動(dòng)黏度增長與機(jī)油消耗

對試驗(yàn)油的機(jī)油消耗量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表11所示。試驗(yàn)前加入4 500 g試驗(yàn)油，臺架試驗(yàn)平均機(jī)油消耗量達(dá)到3 078 g，消耗近70%，具有較大的消耗量。試驗(yàn)過程定時(shí)取樣，從理化分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)油在試驗(yàn)過程中的鋅、磷含量明顯上升(如圖4、圖5所示)。試驗(yàn)油E新油的鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 100 μgg，試驗(yàn)結(jié)束油的鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 880 μgg，增加70%。其他試驗(yàn)油的試驗(yàn)結(jié)束油較新油的鋅含量增加了60%～87%。由于TU5的高溫工況，試驗(yàn)油中的基礎(chǔ)油有較大的蒸發(fā)損失[14]。機(jī)油黏度增長與試驗(yàn)油的基礎(chǔ)油蒸發(fā)損失具有一定的相關(guān)性。對試驗(yàn)油的機(jī)油消耗量與運(yùn)動(dòng)黏度增長值進(jìn)行了對比，機(jī)油消耗量越大，其黏度增長值也越大(如圖6所示)。

表11 試驗(yàn)油的機(jī)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(jī)油消耗量與運(yùn)動(dòng)黏度增長值的關(guān)系

TU5臺架試驗(yàn)排溫為860 ℃，機(jī)油溫度為150 ℃，機(jī)油試驗(yàn)溫度較高，熱負(fù)荷較大，TU5臺架試驗(yàn)工況苛刻，加速了油品的氧化增稠。TU5臺架試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)油中的基礎(chǔ)油有較大消耗，與潤滑油形成沉積物的氧化機(jī)制模型結(jié)論一致。試驗(yàn)油在受熱、有氧環(huán)境中，將被氧化和聚合，同時(shí)部分組分被蒸發(fā)，形成沉積物、油泥，使油品增稠。由于TU5臺架用于評價(jià)ACEA A/B和C規(guī)格乘用車汽/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通用型機(jī)油性能，機(jī)油配方需要兼顧汽油機(jī)油高溫抗氧化性能和柴油機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度增長指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低基礎(chǔ)油蒸發(fā)損失，減少機(jī)油消耗量有利于通過臺架評定。按照ACEA 2012規(guī)格A/B和C類發(fā)動(dòng)機(jī)油指標(biāo)要求，TU5臺架試驗(yàn)活塞環(huán)粘結(jié)評分不小于9.0，清凈性得分大于RL216參考油的得分，40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度增長值小于0.8倍的RL216參考油運(yùn)動(dòng)黏度增長值，并報(bào)告機(jī)油消耗量。發(fā)動(dòng)機(jī)臺架的建立可以為我國高檔發(fā)動(dòng)機(jī)油的研制開發(fā)提供臺架支持和評定手段。

4 結(jié) 論

(1)按照歐洲潤滑劑和燃料油性能試驗(yàn)協(xié)調(diào)委員會(huì)CEC L-88-02方法要求，使用PSA TU5發(fā)動(dòng)機(jī)建立了輕負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油評定臺架，進(jìn)行汽油機(jī)油高溫清凈性和環(huán)粘結(jié)測試方法的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：參考油的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果滿足該CEC方法要求；臺架試驗(yàn)重復(fù)性較好，可以考察油品黏度增長、活塞沉積物及活塞環(huán)粘結(jié)、機(jī)油消耗等指標(biāo)，可以較好地區(qū)分不同發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)油基礎(chǔ)油消耗近70%，運(yùn)動(dòng)黏度增長值與機(jī)油消耗量具有一定的相關(guān)性。降低基礎(chǔ)油的蒸發(fā)損失有利于通過TU5臺架評定。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架的建立可以更好地為我國高檔發(fā)動(dòng)機(jī)油的研制開發(fā)提供臺架支持和評定手段。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料、負(fù)載、路況、排放及氣候等特點(diǎn)，開發(fā)適合于國內(nèi)車輛需求的高品質(zhì)潤滑油及臺架評價(jià)方法，逐步完善我國輕負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)用潤滑油的評價(jià)體系。