市區(qū)工況車用發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量衰變分析

摘 要：針對車輛使用工況的多變性、發(fā)動(dòng)機(jī)油的多樣性、換油周期確定的復(fù)雜性，對同一臺(tái)車兩個(gè)換油周期內(nèi)的運(yùn)行狀況和潤滑油的理化性能同步檢測，探討市區(qū)工況下車用發(fā)動(dòng)機(jī)油的性能衰變規(guī)律，以期為潤滑油的合理使用和更換提供參考。結(jié)果表明：潤滑油的總酸值隨運(yùn)行時(shí)間延長呈線性增長，礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油；潤滑油的運(yùn)動(dòng)粘度、起始氧化溫度隨運(yùn)行時(shí)間延長而逐漸降低，礦物油運(yùn)動(dòng)粘度和起始氧化溫度降低幅度小于半合成油。一臺(tái)車獲得的試驗(yàn)結(jié)果有限，要得到共性規(guī)律，還需加大試驗(yàn)車和試驗(yàn)油的數(shù)量以及拓寬運(yùn)行環(huán)境，為發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量衰變規(guī)律和換油周期的研究提供更為充足、科學(xué)的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)油；運(yùn)行狀況；理化性能；衰變規(guī)律

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）03-0130-05

Abstract： For the variety of vehicle service conditions， the diversity of engine oils and the complexity to determine oil drain intervals， the synchronous detection for operation conditions between two oil drain intervals and physical and chemical properties of lubricating oil of same vehicle was carried out to discuss the performance degradation law of engine oil of vehicle under urban conditions， so as to provide reference for the rational use and replacement of lubricating oil. The results show that the total acid value of the lubricating oil increases linearly with the extension of engine operating time， but the increasing range of total acid value of the mineral oil was more than that of the semi-synthetic oil. While the kinematic viscosity and starting oxidation temperature of lubricating oil decreases with the extension of engine operating time， but compared with the semi-synthetic oil， the mineral oil had less decrease in the kinematic viscosity and starting oxidation temperature. The test results of one vehicle were limited， thus it was still needed to increase the testing vehicles and engine oils and broaden the operating environment to provide more sufficient and scientific reference data for the research of quality degradation and oil drain intervals of the engine oil.

Keywords： engine oil； operating condition； physical and chemical property； degradation law

0 引 言

我國的汽車保有量居世界第二，每5 000 km或者每6個(gè)月?lián)Q一次潤滑油，導(dǎo)致每年更換潤滑油逾百萬噸，造成不容忽視的能源消耗和環(huán)保問題，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。由于車輛使用工況的多變性和發(fā)動(dòng)機(jī)油類型及添加劑的復(fù)雜性，換油周期的確定非常復(fù)雜[1-2]?？蒲泄ぷ髡邔Υ诉M(jìn)行了許多嘗試研究，比如，將粒子濾波方法運(yùn)用于潤滑油液的光譜分析，結(jié)合鐵譜方法，輔助斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)方法，通過觀察發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中磨損元素、污染元素和添加劑元素的變化來預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的剩余壽命[3-6]；利用安裝在汽車上的傳感器監(jiān)測潤滑油性能變化，試圖通過儀表指示值來指導(dǎo)用戶換潤滑油[7-8]等。而發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油性能的變化和使用壽命是與潤滑系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)乃至汽車系統(tǒng)變化密切相關(guān)的，是一個(gè)復(fù)雜的摩擦學(xué)系統(tǒng)問題，依賴于很多參數(shù)[9-11]，現(xiàn)有確定換油周期的方法是否具有科學(xué)性、可靠性和實(shí)效性，需要系統(tǒng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文嘗試通過車載行車記錄儀（OBD）獲得車輛運(yùn)行狀況，并對發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行定期取樣、質(zhì)量檢測，將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與油品性能檢測相結(jié)合，分析汽車運(yùn)行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)油關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的變化規(guī)律，以期為潤滑油合理使用與更換提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用油和試驗(yàn)用車

試驗(yàn)用油為市售的美孚速霸2000車用潤滑油（半合成油，SN 10W40）和東風(fēng)雪鐵龍專用油（礦物油，SL 5W40）（以下描述都以半合成油和礦物油代稱）。試驗(yàn)用車為雪鐵龍凱旋2006款民用轎車，排量為2.0 L，最大扭矩為200 N·m，壓縮比為11。開始試驗(yàn)時(shí)總行駛里程為80 960 km，發(fā)動(dòng)機(jī)油更換為半合成油；總行駛里程為85 615 km時(shí)，更換為礦物油。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)車按照原用途和駕駛習(xí)慣正常使用。試驗(yàn)車上安裝有車載OBD行車記錄儀，通過移動(dòng)數(shù)據(jù)技術(shù)獲取試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)全部行車數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)（起停、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、平均行車速度、怠速狀況、行程、運(yùn)行時(shí)間等等）；定期采集發(fā)動(dòng)機(jī)油油樣（一個(gè)月左右采集一次）；采用ST265-1型運(yùn)動(dòng)粘度測定儀、ST264-1型石油產(chǎn)品酸值測定器和NETZSCH HP204 PDSC等儀器，進(jìn)行油樣理化性能（運(yùn)動(dòng)粘度、總酸值、起始氧化溫度等）分析，通過NICOLET iS10紅外光譜儀（配置紅外專用軟件Thermo Scientific OMNIC Integra）分析發(fā)動(dòng)機(jī)油樣的燃油稀釋和多功能添加劑二硫代磷酸鋅鹽（ZDTP）的消耗情況。以實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和油樣定期取樣檢測相結(jié)合，分析發(fā)動(dòng)機(jī)油在行駛過程中的質(zhì)量衰變規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行狀況

對半合成油和礦物油使用周期內(nèi)的汽車運(yùn)行狀況進(jìn)行了記錄和分析。半合成油使用的運(yùn)行里程共4 655 km，使用時(shí)間約7個(gè)月，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行184.3 h，啟動(dòng)357次；礦物油使用的運(yùn)行里程共3 893 km，使用時(shí)間約5.5月，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行165.7 h，啟動(dòng)327次。雖然運(yùn)行總里程數(shù)和潤滑油使用時(shí)間不同，但是兩組試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間和起停次數(shù)相當(dāng)。

試驗(yàn)車在半合成油和礦物油的使用周期內(nèi)的運(yùn)行狀況，即：怠速比（怠速時(shí)間與非怠速時(shí)間比）、怠速時(shí)間（速度≤5 km/h，轉(zhuǎn)速≤800 r/min）、平均速度、運(yùn)行里程和運(yùn)行時(shí)間的分布情況，如表1所示。

從表可見，試驗(yàn)車運(yùn)行比較正常，怠速時(shí)間<5 min和怠速比<20%的運(yùn)行均在60%左右。試驗(yàn)車主要是典型的城市內(nèi)運(yùn)行，行車速度集中在20 km/h左右，單次運(yùn)行里程大部分小于20 km，對應(yīng)的單次運(yùn)行時(shí)間也小于30 min。

同時(shí)可以看出，兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)車運(yùn)行狀況基本相同，各組運(yùn)行數(shù)據(jù)相差基本低于20%。

2.2 總酸值和運(yùn)動(dòng)粘度分析

總酸值的增加量和運(yùn)動(dòng)粘度的變化率是車用發(fā)動(dòng)機(jī)換油指標(biāo)中最重要的兩項(xiàng)參考數(shù)據(jù)，直接影響油膜形成與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。試驗(yàn)過程中，半合成油和礦物油的總酸值變化趨勢見圖1和圖2。

兩種試驗(yàn)用油在試驗(yàn)周期內(nèi)，總酸值隨著累計(jì)運(yùn)行里程、累計(jì)啟用時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的增加而持續(xù)增長。

累計(jì)運(yùn)行里程和運(yùn)行時(shí)間是對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程的記錄，而累計(jì)啟用時(shí)間是指潤滑油裝入發(fā)動(dòng)機(jī)的累計(jì)時(shí)間，其中包含了發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行的時(shí)間。總酸值與三者間關(guān)系的變化十分相似，基本呈線性增長。

半合成油累計(jì)運(yùn)行里程為4 655 km，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)184.3 h，累計(jì)使用達(dá)到7個(gè)月，發(fā)動(dòng)機(jī)的總酸值從2.88 mgKOH/g增大至4.26 mgKOH/g，增大了1.38 mgKOH/g。礦物油累計(jì)運(yùn)行里程3 893 km，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間165.7 h，累計(jì)使用5.5個(gè)月，其總酸值增加了2.0 mgKOH/g。在市內(nèi)運(yùn)行條件下，試驗(yàn)用礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油。

如圖3所示，為半合成油100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度隨累計(jì)運(yùn)行里程、累計(jì)啟用時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間變化。半合成油在使用過程中，運(yùn)動(dòng)粘度隨累計(jì)運(yùn)行里程、運(yùn)行時(shí)間和使用天數(shù)的變化趨勢基本一致，初期快速降低，然后保持平穩(wěn)，后期略有上升。40 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度的變化趨勢與100 ℃運(yùn)動(dòng)粘度相同。

由圖可見，試驗(yàn)初期粘度下降非常明顯，在第1次采樣時(shí)（1 500 km），100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度從17.5 mm2/s減小至13 mm2/s。紅外檢測證實(shí)，試驗(yàn)用半合成油在整個(gè)使用周期的燃油稀釋值都為零，說明試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不存在密封性問題，沒有明顯的燃油稀釋效應(yīng)。因此，半合成油粘度的初期快速降低是由基礎(chǔ)油分子的熱分解效應(yīng)[12]和摩擦剪切作用引起的。

累計(jì)運(yùn)行里程在1 500～4 000 km范圍內(nèi)，試驗(yàn)用半合成油的運(yùn)動(dòng)粘度基本無變化，主要是由于基礎(chǔ)油分子的熱分解與小分子的熱聚合達(dá)到平衡。而后運(yùn)動(dòng)粘度又增大了10%左右，主要是由于基礎(chǔ)油的小分子的熱聚合形成老化產(chǎn)物導(dǎo)致的。

圖4是礦物油40 ℃和100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度隨累計(jì)運(yùn)行里程、累計(jì)啟用時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的變化，使用過程中礦物油粘度的變化趨勢相對于3種運(yùn)行參數(shù)基本一致。40 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度呈線性降低趨勢，100 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度的變化趨勢稍許不同，2 000 km后其運(yùn)動(dòng)粘度變化幅度減小。

2.3 起始氧化溫度分析

潤滑油的起始氧化溫度的高低說明了其熱氧化安定性能的好壞，反映了潤滑油中抗氧化添加劑的活性，能夠表征車用潤滑油的使用性能。圖5和圖6是半合成油和礦物油的起始氧化溫度隨累計(jì)運(yùn)行里程、運(yùn)行時(shí)間和啟用時(shí)間變化規(guī)律。很明顯，無論是半合成油還是礦物油的起始氧化溫度都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，在發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用初期，起始氧化溫度下降速度非?？?，隨著累計(jì)里程和時(shí)間加長，起始氧化溫度的下降速度變慢。半合成油在累計(jì)運(yùn)行里程達(dá)到4 000 km、使用6個(gè)月或累積運(yùn)行150 h后，其起始氧化溫度下降幅度非常小。礦物油在累計(jì)運(yùn)行里程達(dá)到3 500 km、使用5個(gè)月或累積運(yùn)行150 h后，其起始氧化溫度下降幅度也非常小。

如圖7所示，為每百公里起始氧化溫度變化值與累計(jì)運(yùn)行里程的關(guān)系。初始階段，兩種潤滑油的起始氧化溫度降低幅度都比較大，后期基本相同。半合成油起始降低幅度大，很快趨于穩(wěn)定；礦物油前2 000 km下降幅度較大，隨后趨于平穩(wěn)。

將兩次試驗(yàn)油在各運(yùn)行里程下的運(yùn)動(dòng)粘度、添加劑消耗量和起始氧化溫度進(jìn)行綜合比較（圖8）可見，隨著運(yùn)行里程增加，添加劑消耗量增加，粘度下降，起始氧化溫度降低。半合成油添加劑消耗和粘度降低幅度略大于礦物油；而礦物油最初的起始氧化溫度小于半合成油，降低趨勢與半合成油相似，礦物油的起始氧化溫度降低幅度小于半合成油。

3 結(jié)束語

本文基于對同一輛轎車兩個(gè)換油周期內(nèi)的車輛運(yùn)行狀況、半合成油和礦物油的理化性能變化同步檢測，初步探討了市區(qū)工況下車用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的性能衰變規(guī)律。

1）潤滑油的總酸值、運(yùn)動(dòng)粘度、起始氧化溫度等指標(biāo)隨試驗(yàn)車運(yùn)行參數(shù)（累計(jì)運(yùn)行里程、發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、潤滑油累計(jì)使用時(shí)間）的變化規(guī)律基本一致，說明運(yùn)行參數(shù)是影響潤滑油衰變的主要因素。

2）潤滑油的總酸值隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間延長基本呈線性增大趨勢，礦物油總酸值增大的幅度大于半合成油。

3）試驗(yàn)初始階段，潤滑油的運(yùn)動(dòng)粘度和起始氧化溫度下降速度較快，而后隨著運(yùn)行里程的延長，下降速度減緩；相同發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間條件下，礦物油運(yùn)動(dòng)粘度下降總幅度小于半合成油。

4）車用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油性能衰變規(guī)律是復(fù)雜的，理論上不僅與汽車宏觀運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，還會(huì)受到起停、怠速、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校、密封狀態(tài)等參數(shù)的影響，因此，針對一臺(tái)車、兩種油和典型的市區(qū)路況的試驗(yàn)結(jié)果，僅僅能夠反映個(gè)例現(xiàn)象，要形成共性規(guī)律，還需加大試驗(yàn)車、試驗(yàn)油和拓寬運(yùn)行環(huán)境，為發(fā)動(dòng)機(jī)油質(zhì)量衰變規(guī)律和換油周期的研究提供更為充足、科學(xué)的參考數(shù)據(jù)。

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（編輯：李妮）