劉團結(jié)，王兆遠，葉 輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司發(fā)動機公司，安徽 合肥 230601）

前言

機油是發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，其規(guī)格影響發(fā)動機的經(jīng)濟性、可靠性。機油需要定期保養(yǎng)，以保證良好的潤滑油效果。合適的保養(yǎng)周期既能保證發(fā)動機質(zhì)量可靠，也能會客戶帶來良好的使用體驗，實現(xiàn)能源合理使用。因此，機油換油周期的評價、對換油周期的設(shè)定至關(guān)重要。

機油是否需要更換，需要從機油品質(zhì)、發(fā)動機表征進行評價，當(dāng)前的機油品質(zhì)評價方式為對老化后機油進行理化檢測，評價其酸堿值、黏度、金屬元素含量等變化幅度，超過一定指標，機油需要更換；評價發(fā)動機運動副的磨損、發(fā)動機機械性能、動力性能變化，超過一定幅度需要更換機油。但目前對于機油換油周期的評價，大多以實際道路行車試驗為主，存在周期長、評價延遲等情況；或采用全速全負荷、交變負荷、熱沖擊等一般可靠性試驗搭載評價，臺架可靠性試驗過程的機油更換周期設(shè)定、臺架試驗時長與整車里程的對應(yīng)關(guān)系多樣，對機油老化評價的針對性不足，不利于機油同發(fā)動機的同步開發(fā)。

本文研究整車工況特點，整車工況的發(fā)動機臺架映射，設(shè)計模擬整車工況的發(fā)臺架潤滑油評價方法，并進行實際評價、比對。

1 發(fā)動機油的老化評價

發(fā)動機油在發(fā)動機內(nèi)不斷使用后逐漸老化，到達一定程度后不能滿足潤滑效果，以柴油機油為例，按照GB/T 7607—2010柴油機油換油指標，相關(guān)理化參數(shù)達到以下指標后需要更換潤滑油。

表1 柴油機油換油指標

對潤滑油進行老化評價，應(yīng)能代表其使用環(huán)境的較普遍特性，影響其老化的邊界條件應(yīng)全面、苛刻度合適。如：試驗時發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩等工況，應(yīng)能代表、覆蓋客戶使用情況，機油溫度應(yīng)能體現(xiàn)其實際使用時的溫度震蕩區(qū)間，各工況占比、機油溫度停留時間占比，應(yīng)能夠既符合實際情況，又能有一定的安全系數(shù)。

臺架一般可靠性試驗可以實現(xiàn)對機油的搭載驗證，但受限于一般可靠性試驗的工況單一性、臺架試驗時長與整車里程的對應(yīng)關(guān)系不明確等因素影響，臺架一般可靠性試驗對機油換油周期評價難以作為參考。

如圖1所示，同一機油在發(fā)動機臺架全速全負荷試驗搭載驗證，同時在所匹配整車進行實際道路試驗，從機油老化速度老看，設(shè)定的全速全負荷試驗每小時對應(yīng)的整車里程不同，機油老化速度差異較大，且同實際整車道路試驗的老化情況的關(guān)聯(lián)性較差。

圖1 發(fā)動機全速全負荷試驗與實際道路試驗機油老化情況比對

因此，機油換油周期的發(fā)動機臺架評價，在映射整車使用工況時，還要對常用工況、機油隨發(fā)動機工況變化帶來的載荷變化進行考核，針對性增加安全裕度評價工況，在工況切換、工況循環(huán)方面，結(jié)合整車使用及發(fā)動機臺架情況設(shè)計[1]。

2 車輛使用情況研究

國家油耗、排放標準的測試方法部分，有標準工況循環(huán)，其工況占比具有廣泛代表性。以“GB T27840—2011重型商用車輛燃料消耗量測量方法”中的C-WTVC循環(huán)為參考，其工況分布如下：

表2 C-WTVC循環(huán)工況分布

進行工況設(shè)計時，主旨思想是車速（映射到發(fā)動機工況）具有代表性，范圍具有覆蓋性，設(shè)計一定的苛刻度（最高車速）。試驗時長對應(yīng)車輛行駛里程。

3 試驗工況設(shè)定

選取各檔位常用、典型車速/工況，映射到發(fā)動機臺架工況，選取典型車速及設(shè)定循環(huán)內(nèi)對應(yīng)時長如表3所示。

表3 發(fā)動機油換油周期評價試驗工況

將每一車速工況映射到發(fā)動機工況，某發(fā)動機對應(yīng)的臺架工況如表4所示。

表4 發(fā)動機油換油周期評價試驗工況

考慮實際使用道路及加速需要，對每工況負荷進行強化[2]，每工況對應(yīng)的發(fā)動機扭矩提升至1.5倍（超出當(dāng)前轉(zhuǎn)速全負荷下扭矩，擴展至此轉(zhuǎn)速下全負荷工況），考慮實際行車及臺架控制一致性，工況間的轉(zhuǎn)換時間設(shè)定為5秒。工況變化如圖2所示：

圖2 發(fā)動機油換油周期評價試驗工況

按此工況，市區(qū)占比33%，公路占比25%，高速占比42%。每循環(huán)60分鐘，平均車速80 km/h，可根據(jù)機油設(shè)計的換油周期進行試驗時長設(shè)定。本試驗方法設(shè)計時針對某款換油周期4萬公里機油，按照1.2倍安全系數(shù)，按模擬整車行駛4.8萬公里，試驗時長600小時。

基于相同的設(shè)計思路，汽油機參照NEDC等標準循環(huán)等，可以進行臺架模擬整車工況的設(shè)計、實踐。

4 試驗方法實施驗證

使用此試驗方法分別在某款2.7 L柴油發(fā)動機、1.5 L汽油發(fā)動機上進行機油老化評價，同時與兩款發(fā)動機匹配整車所進行的實際道路試驗（多路況）進行比對，確認機油的老化情況、老化速度，評價此試驗方法的有效性。

4.1 柴油機油老化評價效果

在某款2.7 L發(fā)動機上進行了某款CI-4 15W-40柴油機油的臺架模擬整車工況試驗評價，從試驗過程記錄數(shù)據(jù)可以確認，試驗方法過渡時間、穩(wěn)定時間、工況設(shè)定合理，可以正常實現(xiàn)。試驗過程中工況變化符合預(yù)期，機油溫度、機油壓力震蕩符合預(yù)期。

運行600小時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩轉(zhuǎn)換良好，達到了模擬整車多工況行車，較頻繁切換車速的目的，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩的切換，達到了對機油承受載荷變化的目的。發(fā)動機扭矩在0～330 Nm切換，達到了機油在較大負荷下運行老化的目的。

圖3 發(fā)動機油換油周期評價工況變化

圖4 發(fā)動機油換油周期評價機油溫度、壓力變化

運行600小時，大部分時間機油溫度在80～110 ℃之間震蕩，符合常用溫度區(qū)間狀態(tài)（停機保養(yǎng)、檢查等正常狀態(tài)下，機油溫度會降低到環(huán)境溫度，與實際車輛使用時停機再啟動到行駛狀態(tài)、溫度上升到常用區(qū)間，較符合）。機油壓力穩(wěn)定在設(shè)計區(qū)間高位，間接表征機油承受較大載荷，機油具備600小時模擬整車道路試驗的持續(xù)評價。

試驗后對機油進行理化分析，確認機油老化情況，同時比對實際道路行車試驗的機油老化情況，衡量機油的壽命，同時對臺架模擬試驗方法進行有效性評價[3]。

機油堿值間接表征機油內(nèi)添加劑的消耗情況，隨著機油內(nèi)添加劑的不斷消耗，堿值表征為持續(xù)下降，下降到一定幅度，機油的清凈分散性能、抗磨損性能等下降到一定幅度，需要更換。

圖5可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的變化趨勢，臺架試驗具有更好的苛刻度。機油通過600小時試驗、模擬行駛4.8萬公里，經(jīng)過4.2萬公里實際道路試驗，堿值下降幅度均小于50%，仍具備較好的使用性能，表明此款發(fā)動機所開發(fā)評定的機油能夠滿足發(fā)動機使用要求，4萬公里換油周期的設(shè)定較合理。

圖5 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油堿值

機油黏度是形成流體潤滑的關(guān)鍵指標，機油因使用時受剪切載荷作用，黏度會下降，同時受氧化等因素影響，黏度會增加。機油黏度在機油使用過程中，一般會出現(xiàn)先迅速下降、逐漸平穩(wěn)緩慢下降的趨勢。一般認為機油黏度變化幅度超過20%，機油性能衰減嚴重，需要更換。

從圖6可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的黏度變化趨勢，機油黏度下降幅度均未超過20%。同時因臺架試驗進行了苛刻度加權(quán)，機油的下降速度、最終黏度下降幅度，相對整車試驗均較苛刻，表明臺架模擬整車試驗方法具有工程應(yīng)用條件。

圖6 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油黏度

機油使用效果的評價還需要立足于發(fā)動機的磨損、性能變化。機油在使用過程中會攜帶運動副表面的金屬元素，機油內(nèi)金屬元素的含量，在一定程度上表征了發(fā)動機的磨損。一般認為機油內(nèi)鐵、鋁、銅等元素含量增加大某一限值，發(fā)動機的磨損速度及機油地承載能力達到要求，需要更換。

從圖7可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的 金屬元素含量變化趨勢，同時因臺架試驗進行了苛刻度加權(quán)，臺架試驗機油內(nèi)的金屬元素含量稍多，表明臺架模擬整車試驗方法具有工程應(yīng)用條件。

圖7 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油內(nèi)金屬元素含量

4.2 汽油機油老化評價效果

在某款1.5L發(fā)動機上進行了某款SN 5W-30汽油機油的臺架模擬整車工況試驗評價，從試驗過程、試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)比對分析，此臺架模擬整車道路評價方法，同樣具有很好的符合性。

圖8 某汽油機臺架模擬試驗、道路行車試驗機油 老化趨勢比對－機油內(nèi)堿值、鐵元素含量

5 結(jié)論

機油與發(fā)動機的同步開發(fā)至關(guān)重要，專用機油、自主標準機油的開發(fā)、針對性試驗方法的開發(fā)逐漸在業(yè)內(nèi)形成共識。使用發(fā)動機臺架試驗方法對機油進行評價，優(yōu)勢明顯，通過工程實踐比對的方法更有指導(dǎo)意義。機油的老化因素較多，在臺架試驗時可以通過對機油溫度變化、發(fā)動機工況變化、發(fā)動機負荷轉(zhuǎn)化速度、循環(huán)內(nèi)工況順序及切換方式等進行設(shè)計調(diào)整，達到實際評定效果。在機油壽命周期評價方法建設(shè)中，可以針對以上因素進行方法研究設(shè)計及實際評價比對，不斷更新優(yōu)化自主試驗方法。