渦輪增壓汽油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨性臺(tái)架評(píng)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(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

渦輪增壓汽油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨性臺(tái)架評(píng)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(guó)石油大連潤(rùn)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(dòng)機(jī)，進(jìn)行汽油機(jī)油低溫抗磨性臺(tái)架評(píng)定方法的試驗(yàn)研究。通過參比油試驗(yàn)，考察渦輪增壓、試驗(yàn)工況、機(jī)油黏度及抗磨劑等因素對(duì)機(jī)油抗磨特性的影響，開發(fā)出針對(duì)帶有渦輪增壓裝置汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油抗磨性臺(tái)架評(píng)定方法。

渦輪增壓；汽油機(jī)；抗磨性；臺(tái)架試驗(yàn)

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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作溫度升高，功率密度增大，熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷不斷增強(qiáng)，使得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油抗磨損性能的要求越來越高。另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步提高，對(duì)使用潤(rùn)滑油低黏度化的要求也越來越迫切，這使得機(jī)油需要具備更強(qiáng)的抗磨減摩特性。近幾年在節(jié)能減排的政策推動(dòng)下，渦輪增壓技術(shù)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上全面普及，很多堅(jiān)守自然吸氣陣營(yíng)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(dòng)力的特性，而進(jìn)一步照顧發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷提升的一部分壓力便轉(zhuǎn)嫁到所使用的潤(rùn)滑油性能上來，汽油機(jī)油除了將面臨熱負(fù)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(jī)油一樣應(yīng)對(duì)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(guó)或歐洲規(guī)格一直以來汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)均為自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，都不帶有渦輪增壓或機(jī)械增壓裝置。這些標(biāo)準(zhǔn)汽油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有些技術(shù)卻與當(dāng)前市場(chǎng)上汽油機(jī)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(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及對(duì)應(yīng)各種試驗(yàn)方法亟待開發(fā)。

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱負(fù)荷高和機(jī)械負(fù)荷高的特點(diǎn)，在當(dāng)前節(jié)能趨勢(shì)下更具有市場(chǎng)代表性。渦輪增壓技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用，使其對(duì)潤(rùn)滑油抗磨性的苛刻度相對(duì)提高，特別是在溫度較低的中低速負(fù)荷工況下的磨損會(huì)更加明顯。本研究選用國(guó)產(chǎn)1.8T型渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，通過分析影響潤(rùn)滑油抗磨性的因素，開發(fā)用于渦輪增壓汽油機(jī)油品的低溫抗磨性臺(tái)架評(píng)定方法。

1 試驗(yàn)硬件

1.1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)18K4G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)氣門等多種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，排放水平為歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)外觀及特性指標(biāo)見圖1。

圖1 國(guó)產(chǎn)18K4G型發(fā)動(dòng)機(jī)外觀及特性圖

該發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 18K4G汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

1.2試驗(yàn)部件

在潤(rùn)滑油臺(tái)架試驗(yàn)中，試驗(yàn)件的質(zhì)量將直接影響到試驗(yàn)的評(píng)定結(jié)果，特別是磨損試驗(yàn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)件質(zhì)量的穩(wěn)定性，是保證該試驗(yàn)臺(tái)架開展評(píng)定的一項(xiàng)基礎(chǔ)。每次試驗(yàn)需考察和更換的試驗(yàn)件主要為做功和磨損部件，每次磨損試驗(yàn)前需對(duì)考察點(diǎn)進(jìn)行初值測(cè)量。該汽油機(jī)臺(tái)架所需試驗(yàn)件明細(xì)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件明細(xì)

1.3試驗(yàn)燃料油

為了保證長(zhǎng)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的不確定影響，同時(shí)考慮到試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用指標(biāo)要求，該汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)使用符合GB 17930-2011標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅲ97#汽油(無乙醇)作為臺(tái)架試驗(yàn)用燃料油，燃油典型數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標(biāo)要求見表3。

表3 試驗(yàn)用燃料油主要技術(shù)指標(biāo)要求

1.4試驗(yàn)潤(rùn)滑油

選擇了5種汽油機(jī)油進(jìn)行抗磨損臺(tái)架的相關(guān)試驗(yàn)，即選擇參考油作為臺(tái)架試驗(yàn)的校機(jī)油，完成臺(tái)架的重復(fù)性驗(yàn)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(tái)架的對(duì)比用油，確認(rèn)臺(tái)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(jí)別的5W-40等級(jí)潤(rùn)滑油，其典型數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標(biāo)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(qiáng)化抗磨劑配方的5W-20油技術(shù)方案。

表4 試驗(yàn)用參考油主要技術(shù)指標(biāo)要求

2 試驗(yàn)工況及控制條件

2.1試驗(yàn)程序開發(fā)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪閥系采用液壓挺柱技術(shù)，可自動(dòng)補(bǔ)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(yàn)對(duì)此位置不進(jìn)行間隙測(cè)量和考察。本抗磨性試驗(yàn)主要針對(duì)活塞環(huán)-缸套、連桿軸瓦這兩處摩擦副位置進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)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(xiàng)測(cè)量指標(biāo)。另外機(jī)油中Fe、Al元素含量也需要采樣分析。試驗(yàn)工況及控制條件開發(fā)過程見表5。

表5 低溫抗磨性試驗(yàn)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(yàn)，其中主要指標(biāo)活塞環(huán)開口間隙磨損量三次試驗(yàn)分別為15 μm、16 μm、16 μm，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD=3.7%，重復(fù)性較好。經(jīng)檢測(cè)三次重復(fù)性臺(tái)架試驗(yàn)后機(jī)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(yàn)結(jié)果油樣分析該指標(biāo)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(biāo)與行車試驗(yàn)結(jié)果相比也基本接近(行車試驗(yàn)工況為城市及市郊路況正常交通行駛)。因此，可以認(rèn)為該低溫抗磨性試驗(yàn)與行車試驗(yàn)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(dòng)機(jī)低溫低速運(yùn)行工況或車輛行駛于城市與郊區(qū)之間的發(fā)動(dòng)機(jī)中速運(yùn)行工況。

2.2試驗(yàn)程序

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

表6 低溫抗磨性試驗(yàn)工況及主要控制參數(shù)

注：此為一個(gè)完整試驗(yàn)共計(jì)100h。

正式試驗(yàn)前需更換新的試驗(yàn)件和對(duì)考察點(diǎn)進(jìn)行初始值測(cè)量，即活塞環(huán)、缸套、連桿軸瓦等，并需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行磨合，磨合后放油更換新的機(jī)油濾清器，并加入正式試驗(yàn)用潤(rùn)滑油，然后進(jìn)入正式試驗(yàn)程序。

3 結(jié)果及討論

對(duì)選用的幾種油在該渦輪增壓汽油機(jī)臺(tái)架上按照既定方法進(jìn)行低溫抗磨性試驗(yàn)，主要根據(jù)最終的磨損測(cè)量結(jié)果考察試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)后試驗(yàn)件的各項(xiàng)磨損指標(biāo)均處在同一水平，主要指標(biāo)活塞環(huán)開口間隙磨損測(cè)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(yàn)，試驗(yàn)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(biāo)的差別相對(duì)明顯，表現(xiàn)出臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)機(jī)油不同黏度和抗磨劑感受具有一定的區(qū)分性。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 區(qū)分性試驗(yàn)結(jié)果

從幾種試驗(yàn)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(dòng)機(jī)上磨損區(qū)分不大，市售40黏度油抗磨表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)明顯，市售20黏度油磨損明顯增大，研制20黏度油為驗(yàn)證抗磨劑感受性使配方加劑量過高而不具有產(chǎn)品實(shí)際開發(fā)意義。綜上表明30和40黏度機(jī)油基本可滿足該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)裝配工藝的要求，20黏度機(jī)油因HTHS黏度過低不適合該發(fā)動(dòng)機(jī)使用或在該臺(tái)架進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

該試驗(yàn)臺(tái)架1.8T增壓汽油機(jī)活塞火力岸高度較低僅為3 mm，且活塞內(nèi)腔無機(jī)油噴射冷卻(歐洲標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)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(fù)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(qiáng)度不足以承受邊界潤(rùn)滑的考驗(yàn)，因此磨損主要體現(xiàn)在活塞環(huán)開口間隙。

圖4 該臺(tái)架活塞與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)活塞對(duì)比

圖5 標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架活塞內(nèi)腔機(jī)油噴射冷卻

另外，根據(jù)40 h和100 h試驗(yàn)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(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷較低，但發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)油由于處在較低的控制溫度工作，磨損情況也相對(duì)明顯；后60 h由于渦輪介入使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷提高，機(jī)油溫度和水溫控制也相應(yīng)升高，此階段的磨損主要與機(jī)械負(fù)荷和油膜強(qiáng)度有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)渦輪增壓汽油機(jī)低溫抗磨性臺(tái)架評(píng)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(dòng)機(jī)低溫低速運(yùn)行工況或車輛行駛于城市與郊區(qū)之間的發(fā)動(dòng)機(jī)中速運(yùn)行工況，與行車試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性。

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

(3)該臺(tái)架適用于開發(fā)和評(píng)價(jià)xW-30或xW-40黏度等級(jí)不同抗磨劑方案的潤(rùn)滑油，該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)相對(duì)機(jī)械負(fù)荷較高，對(duì)油品抗磨性的評(píng)價(jià)比標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻度較高。影響機(jī)油抗磨性的因素除與機(jī)械負(fù)荷有關(guān)外，還與機(jī)油工況溫度、油膜強(qiáng)度、抗磨劑選用等有直接關(guān)系。

[1] GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)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(dòng)力工程專業(yè)，從事潤(rùn)滑油評(píng)定及油品開發(fā)工作。E-mail: liuxiaolong_rhy@petrochina.com.cn