乙醇對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)抗磨損及腐蝕性的試驗(yàn)分析與研究

張　帥　馬瑞瑄　苗波　石濤　劉黎敏（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乙醇對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)抗磨損及腐蝕性的試驗(yàn)分析與研究

張帥1,2馬瑞瑄1,2苗波1,2石濤1,2劉黎敏1,2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乙醇燃料作為一種清潔替代燃料越來(lái)越得到汽車廠家的青睞，但由于乙醇與汽油燃料理化性質(zhì)的不同，乙醇用作車用燃料會(huì)對(duì)普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)零部件造成一定的腐蝕與磨損。通過(guò)對(duì)某四缸增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行局部調(diào)整后，進(jìn)行乙醇燃料400h冷熱交變?cè)囼?yàn)；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的分析及試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)零部件狀態(tài)檢查，初步了解了乙醇燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、腐蝕的程度及影響；通過(guò)對(duì)異常點(diǎn)分析并對(duì)異常零部件制定可行性措施及方案，為后續(xù)乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

乙醇增壓發(fā)動(dòng)機(jī)磨損腐蝕

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，石油資源日益減少，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的供應(yīng)也越來(lái)越緊張，同時(shí)車用汽油、柴油造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。由于乙醇燃料具有來(lái)源廣泛、豐富、抗爆性好的特點(diǎn)已成為最受汽車廠家重視的一種清潔替代燃料。但是由于乙醇與汽油理化性質(zhì)的不同，乙醇用作車用燃料會(huì)對(duì)普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)零部件造成一定的腐蝕與磨損。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外乙醇燃料的研究及應(yīng)用情況[1]，通過(guò)前期乙醇與汽油燃料的理化性質(zhì)分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件進(jìn)行局部調(diào)整后，進(jìn)行乙醇燃料400h交變耐久試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)控分析及結(jié)合試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)零部件狀態(tài)，初步了解了乙醇燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、腐蝕的程度及影響；通過(guò)對(duì)異常點(diǎn)及對(duì)異常零部件分析制定了可行性措施及方案，為后續(xù)乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1　乙醇與汽油理化性質(zhì)分析

乙醇與汽油的理化性質(zhì)差異主要表現(xiàn)見(jiàn)表1。

表1　乙醇與汽油理化性質(zhì)對(duì)比

1）從分子結(jié)構(gòu)上看，乙醇含氧量高，使燃料燃燒更加充分，可極大改善尾氣排放性能，CO和CH化合物平均減少達(dá)30%以上[2]；

2）從抗爆性看，乙醇辛烷值高，抗爆性強(qiáng)，可采用高壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低耗油量，可抵消因熱值低導(dǎo)致耗油量大的不足[3]；

3）乙醇在燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生乙酸，對(duì)汽車燃料系統(tǒng)的許多金屬都有腐蝕性，可以腐蝕銅、鐵、鋁、鉛、鎂、鋅及它們的許多合金，且乙醇含量越高，腐蝕性越大；

4）與材料的適應(yīng)性差。乙醇是一種優(yōu)良的溶劑，易對(duì)汽車密封橡膠及其他合成非金屬材料產(chǎn)生一定的輕微腐蝕、溶漲、軟化或龜裂作用[4]；

5）乙醇能將氣缸和活塞環(huán)等部位的潤(rùn)滑油膜洗掉，加重磨損；乙醇燃燒時(shí)生成乙酸，能直接腐蝕金屬，造成腐蝕磨損，且乙酸還能與潤(rùn)滑油中的抗氧防腐劑發(fā)生反應(yīng)而使其失效，從而增大各摩擦部位的腐蝕與磨損[5]。

通過(guò)以上分析，可以看出，乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)相對(duì)于汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)存在的最大風(fēng)險(xiǎn)就是乙醇對(duì)常規(guī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕與磨損。

2　乙醇400h交變耐久試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)前發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整項(xiàng)目

在進(jìn)行乙醇400h交變耐久試驗(yàn)前，首先針對(duì)乙醇的腐蝕與磨損特性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及評(píng)估，識(shí)別出需重新開(kāi)發(fā)的零部件為進(jìn)氣門座圈、排氣門座圈、火花塞總成及機(jī)油共計(jì)4種。需經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化的為增壓器總成、氣缸蓋、缸蓋墊片、活塞、氣缸套、活塞環(huán)等零部件，具體零部件信息見(jiàn)表2與表3。

表2　風(fēng)險(xiǎn)零部件信息

表3　重新開(kāi)發(fā)零部件信息

2.2 400h交變耐久試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)信息

該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)4G15T型增壓汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)順序燃油噴射、電控機(jī)械式節(jié)氣門等多種先進(jìn)技術(shù)，排放水平達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)特性指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4　發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)信息

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，使用調(diào)整后進(jìn)排氣氣門座圈、火花塞及新規(guī)格的機(jī)油進(jìn)行耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、活塞漏氣量、缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)性能未出現(xiàn)衰減，滿足動(dòng)力要求（最大總功率110±5kW（5600r/min）；最大扭矩210±12N·m（1 700~4 000 r/min）；活塞漏氣量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求（＜53L/min）；任意兩缸壓力差滿足發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求（＜98kPa）。

2.2.3試驗(yàn)過(guò)程異常問(wèn)題分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙每25h進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果為：排氣門間隙存在減小趨勢(shì)，至350h保養(yǎng)時(shí)排氣門間隙累計(jì)變化量為0.08～0.16mm，進(jìn)氣門間隙在正常范圍內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)0.18～0.24mm），主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2　排氣門間隙數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)0.28~0.34mm）

圖3　進(jìn)氣門氣門間隙數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)0.18~0.24mm）

通過(guò)對(duì)比前期汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門間隙變化量數(shù)據(jù)（如圖4所示）最大累計(jì)變化量為0.11，該乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門間隙累計(jì)變化量偏大（最大為0.16），初步分析認(rèn)為，乙醇對(duì)座圈錐面腐蝕，造成氣門下沉，導(dǎo)致氣門間隙減小。

圖4　汽油機(jī)排氣門間隙變化量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后拆機(jī)分析

乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)完成400h交變?cè)囼?yàn)后，為確認(rèn)乙醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕與磨損的程度，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)分析與檢測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中排氣門間隙磨損量偏大問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注與分析。

1）拆機(jī)問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)拆機(jī)零部件的分析及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)零部件的檢測(cè)，乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)后狀態(tài)對(duì)比，主要零部件除機(jī)油與排氣門座圈外，其余零部件均通過(guò)試驗(yàn)考核，存在的主要問(wèn)題如下：

問(wèn)題一：經(jīng)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控及零部件試驗(yàn)后分析評(píng)審，排氣門座圈存在磨損，與試驗(yàn)過(guò)程中排氣門間隙累計(jì)量大問(wèn)題吻合；

問(wèn)題二：對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的機(jī)油油樣進(jìn)行檢測(cè)后，機(jī)油(使用至75h）酸值上升60%，堿值下降36%，通過(guò)分析機(jī)油存在老化風(fēng)險(xiǎn)，如表5所示。

表5　機(jī)油理化指標(biāo)變化情況

2）問(wèn)題解決措施及方案驗(yàn)證

a)解決措施

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)及對(duì)標(biāo)分析，確定問(wèn)題整改措施如下：

排氣門座圈磨損值大問(wèn)題，采取的解決措施為用原材料座圈（V540S）與新材料V540CS（增加耐磨性）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，確定座圈最終方案，見(jiàn)圖5，表6。

圖5　排氣門座圈材料金相圖

表6　原材料與新材料成分對(duì)比

圖6　復(fù)試發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門間隙累計(jì)變化量

試驗(yàn)后機(jī)油老化問(wèn)題，采取的解決措施為進(jìn)行半合成與全合成（增加抗老化性與磨損性）兩種機(jī)油耐久對(duì)比驗(yàn)證，確定其規(guī)格，解決半合成機(jī)油存在的老化風(fēng)險(xiǎn)。

b)方案驗(yàn)證

將應(yīng)用調(diào)整后狀態(tài)的排氣門座圈與機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)重新進(jìn)行400h交變耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如下：

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)排氣門間隙進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，最大變化量為0.06mm，對(duì)比原方案，整改后氣門座圈耐磨損性能優(yōu)勢(shì)明顯，解決了磨損值偏大問(wèn)題，如圖6所示。

同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)新牌號(hào)機(jī)油（5W-30全合成）油樣進(jìn)行檢測(cè)分析，機(jī)油各項(xiàng)指標(biāo)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油存在老化的風(fēng)險(xiǎn),如表7所示。

3　結(jié)論

為了解乙醇燃料對(duì)常規(guī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，進(jìn)行了乙醇燃料400h交變耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)前期首先對(duì)風(fēng)險(xiǎn)零部件進(jìn)行識(shí)別分析，主要對(duì)火花塞、進(jìn)排氣門座圈、機(jī)油等零部件進(jìn)行調(diào)整；試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)除排氣門座圈及機(jī)油外其他零部件通過(guò)試驗(yàn)考核，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性無(wú)明顯劣化（＜5%）。主要存在的問(wèn)題為排氣門座圈磨損異常及機(jī)油存在老化風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)的解決措施為：

表7　新牌號(hào)機(jī)油（5W-30全合成）理化指標(biāo)變化情況

1）針對(duì)排氣門座圈磨損異常問(wèn)題，采用新材料V540CS（增加耐磨性）排氣門座圈，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證后，通過(guò)試驗(yàn)考核，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）針對(duì)試驗(yàn)后機(jī)油老化問(wèn)題，采用全合成機(jī)油進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證機(jī)油各項(xiàng)指標(biāo)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求，消除發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油存在老化的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)本次乙醇耐久試驗(yàn)可以看出，乙醇對(duì)常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕與磨損影響是可控和可以預(yù)防的，現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整應(yīng)用乙醇燃料是可行的。

1崔心存.醇燃料與靈活燃料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010

2杜志良，申江華，朱自航.車用乙醇汽油實(shí)驗(yàn)研究[J].汽車科技，2013(1)：6-9

3劉全根.汽油乙醇的應(yīng)用[J].煉油設(shè)計(jì)，2002(2)：40-43

4楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981

5李永平.乙醇燃料的特點(diǎn)及使用性能分析[J].城市車輛，2007(7)：55-57

Experimental Analysisand Research onWear and Corrosion of Turbocharged Engine Fueled by Ethanol

Zhang Shuai1,2,M a Ruixuan1,2,M iao Bo1,2,Shi Tao1,2,Liu Lim in1,2
1-Technical Center,GreatWallMotorCo.,Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

As a clean alternative fuel,ethanol gets the favor of automanufacturersmore and more.But because of the different physical-chemical propertiesof ethanol and gasoline,ethanol used asa vehicle fuel to regular gasoline engine will lead to corrosion and wear of parts.Based on the local adjustmentof a four cylinder turbocharged gasoline engine,400 h cold-hot alternation load experimentwas carried out on a ethanol engine.According to the analysis of test data and the state of test engine parts after state examination,the influence of ethanol fuel on engine wear and corrosion is preliminarily understood. Through the analysis of abnormal point and abnormal parts,feasibility measures and solution were formulated,providing referenceand guidance for the developmentofethanolengine.

Ethanol,Turbocharged engine,Wear,Corrosion

TK415

A

2095-8234（2016）02-0082-05

2015-10-22）

張帥（1987-），男，助理工程師，主要從事汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與性能開(kāi)發(fā)工作。