A5/B5 5W-30汽油機(jī)油在直噴渦輪增壓車型上的適應(yīng)性應(yīng)用研究

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

近十年來,為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,降低燃油消耗,并同時(shí)帶來較好的動(dòng)力體驗(yàn),國內(nèi)外汽車廠商紛紛投入大量資源發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)--直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在市場上,搭載直噴技術(shù)與渦輪增壓技術(shù)的乘用車也越來越受到消費(fèi)者的歡迎。據(jù)知名渦輪增壓器供應(yīng)商霍尼韋爾預(yù)測,到2020年,全世界搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛累計(jì)銷量將達(dá)到2億輛,到2022年,全球預(yù)計(jì)一半的新車輛將搭載渦輪增壓技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用直噴渦輪增壓技術(shù),可以提高進(jìn)氣的混合效率,增加進(jìn)氣量,提高燃燒效率,使發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)更快,但會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)更易產(chǎn)生爆燃、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高等問題,對(duì)潤滑油也提出了更高的性能要求。

為滿足直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑要求,中國石化潤滑油有限公司研制了長城A5/B5 5W-30汽油機(jī)油產(chǎn)品。滿足歐洲汽車制造協(xié)會(huì)(ACEA)A5/B5規(guī)格的機(jī)油產(chǎn)品通過了更嚴(yán)格的理化與臺(tái)架試驗(yàn),保證了油品的抗剪切性、燃油經(jīng)濟(jì)性、橡膠兼容性、清凈性,使用壽命較長［1］,更適用于直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

為考察所研制的A5/B5 5W-30汽油機(jī)油在直噴渦輪增壓新車型上的適應(yīng)性,本文開展了行車試驗(yàn)應(yīng)用研究。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)車輛

3臺(tái)試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

由表1可見,車輛A的發(fā)動(dòng)機(jī)在排量較小的情況下,通過渦輪增壓等先進(jìn)技術(shù)的加持,使得發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率與車輛B持平,最大扭矩高于車輛B;車輛C與車輛B在發(fā)動(dòng)機(jī)排量相同的情況下,由于進(jìn)氣方式改為渦輪增壓,使得最大功率、最大扭矩獲得大幅增長。這表明渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的工作工況要比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)更加嚴(yán)苛,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到提高。因此,為其匹配采用新技術(shù)的汽油機(jī)油是十分必要的。

試驗(yàn)用汽油機(jī)油

在歐洲,搭載直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛應(yīng)用得最為廣泛。1996年以來,歐洲汽車制造協(xié)會(huì)頒布了多個(gè)版本的歐洲車用潤滑油規(guī)格,即ACEA規(guī)格。取決于車輛用途、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等因素,ACEA規(guī)格與美國石油協(xié)會(huì)API規(guī)格有顯著區(qū)別［2］。演變至今,ACEA規(guī)格包含了A/B系列汽油及輕負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油、C系列兼容尾氣處理系列發(fā)動(dòng)機(jī)油、E系列重負(fù)荷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油［3］。

在ACEA A5/B5規(guī)格中,油品需要通過VW TDI(直噴發(fā)動(dòng)機(jī)清凈性與黏環(huán)試驗(yàn))、M111(燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn))等多項(xiàng)試驗(yàn),以便更加適合直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑需求。本文采用的試驗(yàn)油為長城A5/B5 5W-30汽油機(jī)油,其典型數(shù)據(jù)見表2。

試驗(yàn)過程

每輛試驗(yàn)車行車總里程40 000 km ,使用定點(diǎn)加油站的92號(hào)車用汽油。試驗(yàn)路段包括高速公路、國道、市區(qū)環(huán)路。本行車試驗(yàn)的換油期定為5 000 km。由于換油期設(shè)定較短,而油品的預(yù)估壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5 000 km,因此取樣點(diǎn)定為每次換油時(shí)取樣,即每5 000 km換油時(shí)取樣。試驗(yàn)開始前,使用長城A5/B5 5W-30汽油機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行2遍清洗,然后更換新的機(jī)油濾清器,裝填新機(jī)油。試驗(yàn)開始后,每5 000km換油時(shí)不進(jìn)行清洗。

換油指標(biāo)

行業(yè)內(nèi)目前尚無ACEA A5/B5規(guī)格油品的換油指標(biāo),故參考GB/T 8028-2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》［4］,考慮到實(shí)際行車路況,結(jié)合已有行車試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),確定了油品的評(píng)價(jià)項(xiàng)目與換油指標(biāo),見表3。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

運(yùn)動(dòng)黏度

對(duì)于潤滑油來說,運(yùn)動(dòng)黏度是最重要的一項(xiàng)理化指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度的上升或下降,能夠綜合地展示機(jī)油的變化情況。導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度發(fā)生改變的因素有很多,例如：

◇機(jī)油中的添加劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑等大分子,在使用過程中會(huì)受到較大的剪切作用,會(huì)被剪切變成小分子,使得運(yùn)動(dòng)黏度下降;

◇油品使用時(shí)所處的高溫環(huán)境下,油品易被氧化,或者油品當(dāng)中分散了煙炱和油泥時(shí),都會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)黏度上升的情況。

發(fā)動(dòng)機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度過小,容易造成摩擦副的磨損,運(yùn)動(dòng)黏度過大,又可能會(huì)帶來額外的功率損失。只有確保其運(yùn)動(dòng)黏度保持在合適的范圍內(nèi),才能有效保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)最佳的潤滑效果。

表1 試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 試驗(yàn)油的典型數(shù)據(jù)

3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率數(shù)據(jù)見圖1。

由圖1可見,3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率未超過換油指標(biāo)限值。在行車試驗(yàn)過程中,部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)顯示運(yùn)動(dòng)黏度下降幅度較大。對(duì)油品運(yùn)動(dòng)黏度變化的主要原因分析詳見下個(gè)章節(jié)“試驗(yàn)結(jié)果剖析”。

堿值、酸值

總堿值或總酸值是用來表示石油產(chǎn)品中含有堿性物質(zhì)或酸性物質(zhì)總含量的指標(biāo)。潤滑油添加劑中的清凈劑組分能夠提供堿值,來不斷中和燃燒等因素產(chǎn)生的酸性組分。堿值的變化可以反映潤滑油的氧化穩(wěn)定性,以及使用過程中添加劑的消耗情況?！皦A值-酸值”(堿值與酸值的差值)的大小,可以用來衡量潤滑油中和酸性物質(zhì)的能力。3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的堿值、“堿值-酸值”數(shù)據(jù)分別見圖2、圖3。

表3 油品評(píng)價(jià)項(xiàng)目及換油指標(biāo)

圖1 行車試驗(yàn)過程中油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率

從圖2、圖3可以看出,3臺(tái)試驗(yàn)車的油品在行車試驗(yàn)換油周期內(nèi)“堿值-酸值”未超過換油指標(biāo)限值,同時(shí)堿值保持較好,說明盡管油品逐漸氧化生成有機(jī)酸,但油品仍具有良好的抗氧化性能與酸中和能力,“堿值-酸值”距離換油指標(biāo)仍有較大的技術(shù)余量。比較圖3、圖1可見,車輛A、車輛B油品的“堿值-酸值”的變化趨勢與運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢相符合。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物［5］包括油品氧化、添加劑降解、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的金屬粉末、灰塵及積炭的總和,主要反映油品的氧化變質(zhì)及受污染的程度。3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的正戊烷不溶物數(shù)據(jù)見圖4。

由圖4可以看出,隨著行駛里程的增加,正戊烷不溶物含量并無明顯變化,最大值僅為0.14%,說明油品在行駛過程中生成的積炭、油泥較少,被氧化的產(chǎn)物大部分都被良好地分散在機(jī)油中,未產(chǎn)生太多的不溶物。

磨損金屬含量

不同金屬元素的含量變化,反映了發(fā)動(dòng)機(jī)在行車試驗(yàn)過程中不同部位的摩擦磨損情況：

◇鋁元素來自鋁活塞及鋁合金軸瓦磨損,機(jī)油中鋁元素含量過高會(huì)造成動(dòng)力損失大、噪音大;

◇鐵元素來源于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套、曲軸軸承座處發(fā)生的磨損,機(jī)油中鐵元素含量過高會(huì)造成竄氣,增大油耗、噪音及動(dòng)力損失;

圖2 行車試驗(yàn)過程中油品的堿值

圖3 行車試驗(yàn)過程中油品的“堿值-酸值”

圖4 行車試驗(yàn)過程中油品的正戊烷不溶物

◇銅元素來源于軸套磨損,機(jī)油中銅元素含量增量過大會(huì)造成油壓變低、噪音大;

◇硅元素主要來自沙塵及硅抗泡劑,可用于監(jiān)測磨粒磨損。

對(duì)3臺(tái)試驗(yàn)車所有油樣的磨損金屬含量進(jìn)行了分析,鐵、銅、硅元素含量均低于1 mg/kg,不作圖分析,鋁元素含量見圖5。

由圖5可見,3臺(tái)試驗(yàn)車雖然均采用了全鋁發(fā)動(dòng)機(jī),但所用油品的鋁元素最大含量數(shù)據(jù)為17 mg/kg,遠(yuǎn)未達(dá)到換油指標(biāo)限值?？膳卸ㄩL城A5/B5 5W-30汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)中展現(xiàn)出良好的抗摩擦磨損性能,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各摩擦副提供了極佳的抗磨保護(hù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)小結(jié)

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)油品的運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、酸值、正戊烷不溶物、磨損金屬含量的分析,所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在換油指標(biāo)限值以內(nèi),油品的質(zhì)量可靠,性能穩(wěn)定,抗磨損效果好,能夠?yàn)檐囕v發(fā)動(dòng)機(jī)提供極好的潤滑保護(hù)。

試驗(yàn)結(jié)果剖析

圖1顯示,雖然所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)黏度變化率未超過換油指標(biāo)限值,但車輛A、車輛C的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)黏度變化率超過了10%。

A5/B5 5W-30汽油機(jī)油產(chǎn)品在開發(fā)時(shí),使用了具有優(yōu)良的剪切穩(wěn)定性的高品質(zhì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑。由表2數(shù)據(jù)可知,油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度初始值為10.32 mm2/s,經(jīng)過柴油噴嘴剪切試驗(yàn)后黏度仍保持在10.22 mm2/s,幾乎無明顯下降,因此判斷行車試驗(yàn)油樣運(yùn)動(dòng)黏度出現(xiàn)明顯下降的原因,不僅僅是由于剪切作用大,推測是油品中混入了水分或燃油所致。

水分

汽油的主要成分是烴類,在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒時(shí)會(huì)生成水,同時(shí)油箱上有通風(fēng)孔,可能會(huì)將一些水汽吸入后送入燃燒室。水分會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成腐蝕,機(jī)油中水分含量過高時(shí),會(huì)出現(xiàn)乳化,潤滑效果變差。如果發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)存在缺陷,也可能出現(xiàn)冷卻液與機(jī)油發(fā)生互相污染的情況。經(jīng)過對(duì)3臺(tái)車所有樣品的分析,水分均小于0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),因此認(rèn)為不存在冷卻液或水分大量混入機(jī)油的情況,排除是水分原因造成的運(yùn)動(dòng)黏度下降。

燃油稀釋

目前,市場上搭載缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中,由于燃油噴射方式的改變,燃油更容易混入到發(fā)動(dòng)機(jī)油當(dāng)中,比電噴發(fā)動(dòng)機(jī)更容易出現(xiàn)機(jī)油的燃油稀釋現(xiàn)象,會(huì)加速活塞環(huán)、缸套的磨損,造成油耗增加,容易引發(fā)竄氣,嚴(yán)重的會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸等問題［6］。燃油的運(yùn)動(dòng)黏度低,越多燃油混入發(fā)動(dòng)機(jī)油,則機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度下降越明顯。3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的燃油稀釋數(shù)據(jù)見圖6。

由圖6可見,3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的燃油稀釋數(shù)據(jù)并未超過預(yù)設(shè)的5%限值。其中,車輛C在5 000～30 000 km,車輛A在30 000 km時(shí),燃油稀釋接近或達(dá)到了3%。

閃點(diǎn)

閃點(diǎn)能夠體現(xiàn)油品的餾分組成,可以表征油品的安全性能,在一定程度上可以印證燃油稀釋的數(shù)據(jù)可靠性。3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的閃點(diǎn)(閉口)數(shù)據(jù)見圖7。

圖5 行車試驗(yàn)過程中油品的鋁元素含量

圖6 行車試驗(yàn)過程中油品的燃油稀釋

比較圖6、圖7可見,閃點(diǎn)(閉口)的變化趨勢與燃油稀釋相匹配,由此判定燃油稀釋是黏度下降的一個(gè)重要影響因素。

由于燃油中存在較多的不飽和烴,容易造成機(jī)油的氧化,使機(jī)油變稠、黏度增加、堿值下降。由圖1可知,在車輛30 000～40 000 km時(shí),機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度出現(xiàn)了上升的趨勢,與閃點(diǎn)及燃油稀釋數(shù)據(jù)的變化是相匹配的。進(jìn)一步通過氧化值、硝化值數(shù)據(jù)分析了油品理化性質(zhì)的變化情況。

氧化值、硝化值

發(fā)動(dòng)機(jī)油發(fā)生氧化后,會(huì)生成有機(jī)酸等化合物,造成發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕,氧化產(chǎn)物進(jìn)一步會(huì)縮合成大分子膠狀物質(zhì),使油品運(yùn)動(dòng)黏度上升;油品中的硝化物,則是發(fā)動(dòng)機(jī)油泥的一種主要成分。3臺(tái)試驗(yàn)車的油品的氧化值、硝化值［7］數(shù)據(jù)見圖8、圖9。

由圖8、圖9可見,在每個(gè)5 000 km的換油期內(nèi),機(jī)油的氧化值、硝化值均未超過規(guī)定限值,油品壽命仍有剩余。整體來看,采用了渦輪增壓技術(shù)的試驗(yàn)車,因發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度更高,機(jī)油更易老化。

車輛C在30 000 km之后,油品的氧化值出現(xiàn)上升,造成了機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度上升,與圖1的運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢相匹配。

結(jié)論

☆行車試驗(yàn)結(jié)果表明,長城A5/B5 5W-30汽油機(jī)油能很好地滿足搭載直噴技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的用油需求。

圖8 行車試驗(yàn)過程中油品的氧化值

圖9 行車試驗(yàn)過程中油品的硝化值

☆直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的運(yùn)行工況,使得機(jī)油更容易出現(xiàn)燃油稀釋、氧化等問題。直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的油品選用仍然要保持謹(jǐn)慎,仍需相關(guān)的試驗(yàn)論證后才可進(jìn)行搭載與使用。

[1]許金山，雷凌. ACEA發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格發(fā)展及A3/B4 0W-40/10W-40產(chǎn)品開發(fā)[J]. 石油商技，2016，34（4）:10-15.

[2]European Automobile Manufacturers Association. ACEA 2008 Oil Sequences[S]. 2008-12-28.

[3]林磊，盧文彤. 歐洲車用潤滑油ACEA規(guī)格的發(fā)展[J]. 潤滑油，2017，32（2）:58-64.

[4]中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 8028—2010汽油機(jī)油換油指標(biāo)[S].2010.

[5]中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 8926—2012在用的潤滑油不溶物測定法[S].2012.

[6]金理力，李桂云，張丙伍. 燃油稀釋對(duì)潤滑油的性能影響研究[J]. 潤滑油，2013，28（6）:21-28.

[7]馮心憑，戴月菊，周毅. 用差示紅外光譜法測定舊汽油機(jī)油中氧化值和硝化值[J]. 石油與天然氣化工，2002，（3）:154-155.