汽油機(jī)油的發(fā)展及應(yīng)對措施

李桂云, 汪利平,金理力, 范闖, 徐瑞峰

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

汽油機(jī)油的發(fā)展及應(yīng)對措施

李桂云, 汪利平,金理力, 范闖, 徐瑞峰

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

隨著環(huán)保要求的提高，渦輪增壓直噴技術(shù)(TGDI)在汽油機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，渦輪增壓可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和動(dòng)力性，直噴技術(shù)有利于提高壓縮比、實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒和降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗改進(jìn)排放的特點(diǎn)。從2016年中國芯發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評選結(jié)果中可以看到，12款發(fā)動(dòng)機(jī)中有11款采用了增壓或直噴技術(shù)；同時(shí)TGDI技術(shù)的應(yīng)用也帶來低速早燃和正時(shí)鏈磨損新問題，并且在清凈性要求上進(jìn)一步提高；歐6排放規(guī)格的實(shí)施，對燃油經(jīng)濟(jì)性也提出了更加苛刻的要求，為滿足新的排放法規(guī)，GF-6汽油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)正在測試和發(fā)展當(dāng)中。為滿足GF-6標(biāo)準(zhǔn)及TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，提出在潤滑油配方中的應(yīng)對措施。

GF-6； TGDI ；低速早燃；正時(shí)鏈磨損； 燃油經(jīng)濟(jì)性

1 新一代汽油機(jī)油的要求

新一代汽油機(jī)油規(guī)格GF-6從2015年開始進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)程序的開發(fā)，經(jīng)過矩陣測試、各指標(biāo)的限值判定、技術(shù)討論、限值的完成、API等待期等程序，最早可能在2018年底進(jìn)行認(rèn)證發(fā)放。

同GF-5相比，既有全新的性能要求，也有比GF-5性能有所提升，同時(shí)還有保持與GF-5原有性能相當(dāng)?shù)男阅芤螅饕兓姳?。GF-6與GF-5發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的變化見表2。

表1(續(xù))

表2 GF-6與GF-5發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的變化

GF-6 規(guī)格中增加了2個(gè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，升級4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，另外，除GF-5規(guī)格中包含的5個(gè)黏度級別外，GF-6增加了低黏度0W-16級別的油品。

新增加的2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)LSPI低速早燃試驗(yàn)和正時(shí)鏈磨損試驗(yàn)，采用的同為2012款2.0 ECOBOOST渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其試驗(yàn)參數(shù)見表3、表4，通過限值還在測試發(fā)展當(dāng)中。

表3 LSPI試驗(yàn)參數(shù)

表4 正時(shí)鏈磨損試驗(yàn)參數(shù)

MS程序ⅢH取代ⅢG，發(fā)動(dòng)機(jī)升級為克萊斯勒2015 3.6 L PentaStarV6，試驗(yàn)溫度由150 ℃提高到151 ℃，試驗(yàn)時(shí)間由100 h縮短為90 h，試驗(yàn)限值40 ℃黏度增長由原來的小于150%降低為小于100%，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞清凈性評分由大于4.0提高至大于5.0，整體試驗(yàn)苛刻度提高50%。

MS程序ⅤH替代ⅤG，測試循環(huán)、試驗(yàn)時(shí)間與ⅤG相同，但在試驗(yàn)中提高了苛刻度，引入3%的煙炱，燃油稀釋10%～15%，試驗(yàn)限值發(fā)動(dòng)機(jī)油泥評分由大于8.0提高到大于9.0，搖臂罩油泥評分由大于8.3提高到大于9.0，發(fā)動(dòng)機(jī)漆膜評分由大于8.9提高到大于9.2，試驗(yàn)苛刻度提高約25%。

MS程序ⅣB將會(huì)取代ⅣA，發(fā)動(dòng)機(jī)由NISSAN KA24E升級為TOYOTA 2NR-FE 1.5 L，試驗(yàn)時(shí)間由100 h延長至200 h，通過限值不變?nèi)詾殚y系平均磨損小于90 μm。由于再現(xiàn)性問題，試驗(yàn)仍在測試當(dāng)中。

MS程序ⅥD會(huì)被ⅥE和ⅥF兩個(gè)程序取代，ⅥE為原來5 個(gè)黏度級別油品的測定方法，ⅥF是針對低黏度0W-16油品而開發(fā)的方法。測試程序、發(fā)動(dòng)機(jī)沒有變化，ⅥE 試驗(yàn)時(shí)間延長為125 h，ⅥF仍處于矩陣測試中。試驗(yàn)通過限值有較大變化，見表5。

表5 燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)通過限值

2 低速早燃的應(yīng)對

低速早燃現(xiàn)象屬于表面自燃著火，是混合氣在火花塞點(diǎn)火燃燒之前產(chǎn)生的不正常燃燒 ，一般發(fā)生在低轉(zhuǎn)速(<3000 r/min)及高負(fù)荷(BMEP>1.0 MPa)的情況下，并且具有極強(qiáng)的隨機(jī)性和偶發(fā)性，也被稱為超級爆震, 低速早燃都是發(fā)生在燃燒室內(nèi)排氣門或積炭嚴(yán)重處，處于高溫?zé)霟釥顟B(tài)引起的，早燃產(chǎn)生在壓縮行程，早燃比點(diǎn)火提前角大，它的危害較大，能夠造成火花塞電極熔斷、活塞環(huán)斷裂、連桿彎曲，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致缸體破裂，損害發(fā)動(dòng)機(jī)。

缸內(nèi)直噴結(jié)合增壓技術(shù)(TGDI)是降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的最有前景方案之一，但低速早燃現(xiàn)象比較嚴(yán)重，發(fā)生低速早燃主要與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)，它與噴油策略、空燃比、最高燃燒壓力有很大的關(guān)系[1]，通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)可以減少因結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)引起的早燃。潤滑油也是影響低速早燃的一個(gè)因素之一，對于潤滑油影響低速早燃的研究機(jī)理，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法，比較認(rèn)可的是機(jī)油液滴或機(jī)油-燃油混合物液滴，和顆粒物可能在燃燒室成為熱點(diǎn)，引發(fā)早燃[2-3]。

關(guān)于潤滑油對低速早燃的影響:

文獻(xiàn)[4]選用不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)油在一臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分別從基礎(chǔ)油、抗氧劑及硫酸鹽灰分三方面研究發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油對早燃的影響。研究結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)油的基礎(chǔ)油類型、抗氧劑及硫酸鹽灰分含量對增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)低速隨機(jī)早燃的形成具有顯著影響，采用合適的基礎(chǔ)油、添加抗氧劑或降低硫酸鹽灰分含量均有助于減少低速早燃的發(fā)生。

文獻(xiàn)[5]更換不同機(jī)油，改變空燃比及壓縮比進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，高性能機(jī)油能夠降低早燃頻次，加濃空燃比對降低早燃頻次影響非常明顯，但也會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放水平，早燃頻次越小，機(jī)油消耗越高。改變壓縮比對早燃無影響。如美孚1000和美孚1號對比，美孚1號的早燃現(xiàn)象少，2000 r/min、1800 r/min下兩者的早燃頻次分別為79和23，139和26，低速下更為明顯。 0.95、0.85、0.8、0.75空燃比2000 r/min下早燃頻次分別為33、15、10、0，油耗分別為268 g/kW·h、295 g/kW·h、320 g/kW·h、342 g/kW·h。壓縮比為9.3 r/min、9.6 r/min、10 r/min，2000 r/min、1800 r/min兩者的早燃頻次為23、36、38及45、35、32，影響不大。

添加劑對早燃的影響非常明顯，清凈劑的金屬離子是非常重要的影響因素。

2.1 清凈劑體系對低速早燃和燃料經(jīng)濟(jì)性的影響

文獻(xiàn)[6]研究了鈣含量對低速早燃的影響,見圖1、圖2、圖3。

圖1 金屬清凈劑對低速早燃的影響

圖2 金屬清凈劑中不同Ca、Mg含量對低速早燃的影響

圖1是配方中Ca元素對低速早燃的影響，隨著配方中Ca增加，低速早燃趨勢明顯增大。

圖2是鈣、鎂對低速早燃的影響(油A、B、C、D、E的Ca、Mg含量分別為100，80，60，40，0；0，20，40，60，100)，隨著鎂含量的提高，低速早燃明顯改善，但燃油經(jīng)濟(jì)性變差(見圖3)。

圖3 金屬清凈劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

圖3是全鈣配方A與全鎂配方E與燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)結(jié)果，全鎂配方的燃油經(jīng)濟(jì)性只有全鈣配方的10%，低速早燃和燃油經(jīng)濟(jì)性必須要平衡考慮。

文獻(xiàn)[7]在全配方中研究了鈣、鎂復(fù)配體系對低速早燃和BRT銹蝕性能的影響,見表6,表7、圖4、圖5、圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鈣含量的降低、鎂含量的提高，低速早燃傾向降低；鎂鹽體系的堿值高、金屬含量高，其低速早燃傾向低，BRT的灰度也越高，低堿值磺酸鈣不能通過BRT試驗(yàn)，配方應(yīng)同時(shí)考慮各性能的平衡。

表6 樣品性質(zhì)

項(xiàng) 目 油D油F油G油H油I油J清凈劑類型磺酸鈣磺酸鎂磺酸鈣磺酸鎂磺酸鈣+磺酸鎂水楊酸鎂Ca含量/%0.1200.1800.110Mg含量/%00.1100.180.070.18Mo含量/%0.020.020.020.020.020.02Ca+Mg/mmol·kg-1304545745674TBN/mgKOH·g-15.57.57.210.68.811.0

圖5 LSPI結(jié)果

圖6 BRT 結(jié)果

文獻(xiàn)[8]用GM2.0LI4 TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)研究了高、中、低堿值清凈劑對LSPI的影響,見表8、圖7，結(jié)果表明,降低鈣含量可以有效降低低速早燃趨勢(BL-LOW、油1、油2)；磺酸鎂低速早燃傾向好于水楊酸鈣的又好于相同鈣含量的烷基酚鈣(BL-LOW、油3、油4、油5)；在相同堿值水平下磺酸鈣、烷基酚鈣復(fù)配的低速早燃趨勢大于高、中低磺酸鈣復(fù)配的油品(BL-LOW、油6、油7、油8)；高堿值的磺酸鈣、磺酸鈉復(fù)配低速早燃趨勢大于高堿磺酸鈣與中低堿值磺酸鈉的油品(BL-LOW、油10、油11)。

表8 清凈劑體系

表8(續(xù))

圖7 清凈劑體系對LSPI的影響

2.2 其他添加劑對低速早燃和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響[6]

改變添加劑的體系，考察其他添加劑對低速早燃性能的影響，見表9、圖8、圖9。

表9 添加劑的變化

圖8 添加劑對低速早燃的影響

圖9 添加劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

表9是添加劑的變化情況，圖8是添加劑對低速早燃的影響，圖9是添加劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，可以看出添加劑影響低速早燃性能，對低速早燃和燃油經(jīng)濟(jì)性是相反的兩種結(jié)果，配方必須平衡兩種性能的要求。

3 燃油經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)對

提高燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車業(yè)和潤滑油業(yè)永恒的一個(gè)主題，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)如汽車小型化，阿特金森循環(huán)、廢氣再循環(huán)、可變壓縮比、稀燃等提高熱效率，表面涂層、可變油泵、低摩擦油降低摩擦損失，可變正時(shí)、水冷中冷減少泵氣損失，先進(jìn)熱管理、電子節(jié)溫器減少傳熱損失，渦輪增壓、廢氣能量回收降低排氣損失等措施大大提高了經(jīng)濟(jì)性。

通過潤滑油降低燃油消耗，提高經(jīng)濟(jì)性，主要是利用其性能降低摩擦損失發(fā)揮作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件有三種潤滑摩擦形式，一是流體動(dòng)力潤滑，這時(shí)運(yùn)動(dòng)部件有足夠的間隙，潤滑液黏度是影響潤滑的關(guān)鍵，二是邊界潤滑，是由液體摩擦過渡到干摩擦(摩擦副表面直接接觸)過程之前的臨界狀態(tài)。此時(shí)潤滑油的總體黏度特性沒有發(fā)揮作用，這時(shí)決定摩擦表面之間摩擦學(xué)性質(zhì)的是潤滑劑和表面之間的相互作用及所生成的邊界膜的性質(zhì)。三是混合潤滑，這時(shí)混合潤滑狀態(tài)是邊界潤滑、薄膜潤滑、流體動(dòng)力潤滑等的共同組合。所以針對不同的潤滑形式，潤滑液配方在改善燃油經(jīng)濟(jì)性方面有不同的對策。

對于MS程序ⅥA講，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中85%是流體動(dòng)力潤滑狀態(tài)，因此油品的黏度是影響燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，降低黏度即可有效的改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性。而對于程序ⅥD來講，流體動(dòng)力潤滑僅占13%，邊界潤滑占45%，混合潤滑占42%，改進(jìn)邊界潤滑和薄膜潤滑成為關(guān)鍵因素。因此，隨著油品質(zhì)量的升級，苛刻潤滑比例提高，添加劑成為解決燃油經(jīng)濟(jì)性的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語

(1)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)油增加了低速早燃和正時(shí)鏈磨損兩項(xiàng)性能評價(jià)，并且在氧化穩(wěn)定性、活塞清凈性和燃油經(jīng)濟(jì)性等性能上有所提升。

(2)清凈劑金屬離子、清凈劑體系和添加劑組分是影響低速早燃性能的重要因素。

(3)基礎(chǔ)油和添加劑影響著燃油經(jīng)濟(jì)性，不同的試驗(yàn)有不同的潤滑形式，高性能油品邊界潤滑比例提高，添加劑的影響更加明顯。

(4)低速早燃和燃油經(jīng)濟(jì)性互為矛盾，復(fù)合劑配方要注意平衡兩個(gè)性能的關(guān)系，同時(shí)要平衡好與其他性能如BRT的關(guān)系。

[1] 白云龍，馬為，張小燕,等.增壓直噴汽油機(jī)噴油策略對低速早燃的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 2015，36(4)：62-65.

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Development and Solutions of Gasoline Engine Oil

LI Gui-yun, WANG Li-ping, JIN Li-li, FAN Chuang, XU Rui-feng

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

With the improvement of environmental protection, turbocharged gasoline direct injection (TGDI) technology has been widely used in gasoline engines. The technology of turbo-charge can effectively improve the engine' s thermal efficiency and power performance. In addition, the technology of gasoline direct injection is conducive not only to improve the engine' s compression ratio, but also to realize rarefied combustion and effectively improve fuel efficiency and reduce emissions. According to the results of China top 10 best engine' s technology list for 2016, there are 11 kinds of engines with the TGDI technology in the total 12 engines. Meanwhile，for TGDI engines, some challenging problems are low speed pre-ignition (LSPI), timing chain wear and excellent high temperature cleanliness. The implementation of Euro 6 emission specifications requires engines to meet tighter standards for fuel efficiency. For the new emission regulations, GF-6 gasoline engine oil specification are testing and developing. In order to meet the GF-6 specification and the requirements of TGDI engine, some countermeasures of engine oil formulation are proposed.

GF-6; TGDI; low speed pre-ignition; timing chain wear; fuel efficiency

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.04.001

1002- 3119(2017)04- 0001- 05

TE626.32

A

2017-02-09。

李桂云，高級工程師，1986年畢業(yè)于華東理工大學(xué)(原華東化工學(xué)院)，1999年獲石油大學(xué)(北京)碩士學(xué)位，從事汽油機(jī)油研究近30年，發(fā)表文章多篇。E-mail：liguiyun_rhy@petrochina.com.cn