發(fā)動機(jī)油熱區(qū)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證的探索與研究

孫阿英，楊東陽

(北京汽車研究總院有限公司越野車研究院，北京 101300)

0 引言

發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，發(fā)動機(jī)油被譽(yù)為發(fā)動機(jī)血液，對發(fā)動機(jī)起到潤滑、清潔、冷卻、密封、減磨、防銹防蝕等作用，因此發(fā)動機(jī)油質(zhì)量和性能的優(yōu)劣對發(fā)動機(jī)性能以及零部件的工作狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。在汽車運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)油適應(yīng)性好與壞將對發(fā)動機(jī)的可靠性、耐久性產(chǎn)生顯著影響，確定機(jī)油的適應(yīng)性需考慮發(fā)動機(jī)搭載整車后的運(yùn)行工況和實(shí)際使用環(huán)境的多樣性，僅通過實(shí)驗(yàn)室臺架驗(yàn)證試驗(yàn)無法有效評估實(shí)際情況，因此選擇搭載試驗(yàn)車輛在熱區(qū)路試的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方案策劃

1.1 試驗(yàn)環(huán)境

(1)濕熱環(huán)境：北京→景洪→昆明→成都(第一階段)；

(2)高原環(huán)境：成都→拉薩→喀什(第二階段)；

(3)干熱、沙漠、草原環(huán)境：喀什→吐魯番→阿拉善→烏蘭浩特→北京(第三階段)。

1.2 試驗(yàn)對象

發(fā)動機(jī)油規(guī)格型號：SN-5W30。

搭載車輛要求：2輛車況較好，行駛狀況基本穩(wěn)定，確保樣品采集滿足一定的環(huán)境行程。

1.3 發(fā)動機(jī)油的考察參數(shù)選擇及采樣體積

參考發(fā)動機(jī)油技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 11121-2006和GB/T 8028-2010，確定了對路試機(jī)油的考察參數(shù)，即：運(yùn)動黏度、水分、閃點(diǎn)(閉口)、戊烷不溶物、酸值、堿值、紅外定量分析、磨損元素等參數(shù)作為檢測項(xiàng)目。依據(jù)各個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定樣品的采集體積為200 mL。

1.4 樣品采集里程間隔及樣品數(shù)量

考慮到此次熱區(qū)試驗(yàn)不同環(huán)境的里程，為確保真實(shí)再現(xiàn)各環(huán)境階段發(fā)動機(jī)油的工作狀態(tài)，特制定如下的油品采集間隔，即：濕熱環(huán)境：10 000 km，采集5個(gè)樣品；高原環(huán)境：8 000 km，采集4個(gè)樣品；干熱、沙漠、草原環(huán)境：14 000 km，采集7個(gè)樣品。2輛試驗(yàn)車合計(jì)32個(gè)樣品。

2 方案實(shí)施

2.1 樣品采集

按照既定策劃方案沿規(guī)劃路線歷時(shí)3個(gè)月，完成熱區(qū)不同環(huán)境條件下的樣品采集，樣品信息詳見表1。

表1 不同環(huán)境路況下的試驗(yàn)樣品采集統(tǒng)計(jì)表

2.2 樣品檢測

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效，特送CNAS認(rèn)可的油品第三方檢測機(jī)構(gòu)，按照國標(biāo)測試，1、2號試驗(yàn)車測試結(jié)果如表2—7所示。

表2 1號試驗(yàn)車濕熱環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色黑色)

表3 1號試驗(yàn)車高原環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表4 1號試驗(yàn)車干熱、沙漠、草原環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表5 2號試驗(yàn)車濕熱環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色黑色)

表6 2號試驗(yàn)車高原環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

表7 2號試驗(yàn)車干熱、沙漠、草原環(huán)境發(fā)動機(jī)油測試結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)列表(樣品SN-5W30，樣品顏色棕色)

3 數(shù)據(jù)分析

為更清楚再現(xiàn)該發(fā)動機(jī)油在熱區(qū)三個(gè)階段的變化狀態(tài)，對所有的樣品數(shù)據(jù)作了處理。詳解如下：

3.1 三個(gè)環(huán)境階段1號試驗(yàn)車各性能參數(shù)變化及數(shù)據(jù)分析

3.1.1 運(yùn)動黏度

三個(gè)階段黏度變化較平穩(wěn)，基本都呈先降后升的態(tài)勢，最大變化率為8.8%，最小為1.0%，均在預(yù)警值范圍內(nèi)(運(yùn)動黏度變化超過新油±20%)，且滿足新油指標(biāo)要求，說明三個(gè)階段行車試驗(yàn)過程中，油品抗剪切性能正常，無異常氧化變稠。

3.1.2 水分

油品水分最高的為第三階段32 156 km(試驗(yàn)里程為12 125 km)，為982 mg/kg，三個(gè)階段各油品水分在400～1 000 mg/kg間波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)警值(水分>2 000 mg/kg)，說明油品未受到明顯的冷卻水污染。

3.1.3 閃點(diǎn)

三個(gè)階段的閃點(diǎn)在120～185 ℃之間波動，其中第二階段20 031 km(試驗(yàn)里程為5 770 km)的閃點(diǎn)降幅度最大，為33.3%，換油后第三階段油品的閃點(diǎn)降幅最小，為20.6%。三個(gè)階段油品閃點(diǎn)均高于預(yù)警值(閃點(diǎn)<100 ℃)，說明油品未受到持續(xù)增加的燃油污染，表明無異常串燃油現(xiàn)象。

3.1.4 戊烷不溶物

三個(gè)階段的不溶物大都在0.1%左右，其中第二階段的不溶物含量最低，可能換油時(shí)舊油放凈更徹底，三個(gè)階段的戊烷不溶物均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)警值(戊烷不溶物>0.5%)，說明油品未異常氧化變質(zhì)，機(jī)械雜質(zhì)也較少。

3.1.5 堿值

三個(gè)階段在相同里程時(shí)堿值下降幅度基本相當(dāng)，第三階段結(jié)束樣因?yàn)槔锍虜?shù)最長，所以堿值降幅最大，降為新油的58%，仍在預(yù)警值正常范圍內(nèi)(堿值降至新油30%以下)，說明近1.5×104km時(shí)油品仍保持了一定的酸中和能力。

3.1.6 酸值

三個(gè)階段的酸值基本都呈上升趨勢，其中第一階段增幅最大，但總體來說，三個(gè)階段的酸值仍在預(yù)警值正常范圍內(nèi)(酸值增加超過新油2 mg/g)，需結(jié)合氧化度和硝化度等綜合判定油品是否異常氧化變質(zhì)。

3.1.7 乙二醇

三個(gè)階段的乙二醇不同程度超預(yù)警值(乙二醇>0.2%)，但扣除油品0公里樣品的基礎(chǔ)值后，三個(gè)階段最后一個(gè)樣品的乙二醇含量均未超預(yù)警值，因此無明顯冷卻水污染機(jī)油現(xiàn)象。

3.1.8 積碳、氧化度、硝化度、硫化值

三個(gè)階段的積碳水平基本與油品0公里持平，氧化度、硝化度持續(xù)增加，第三階段的硝化度最終達(dá)24 A/cm，表明油品有一定程度氧化，但尚未超預(yù)警值(積碳、氧化度、硝化度、硫化值均大于25 A/cm)。

3.1.9 磨損金屬

各階段的磨損金屬元素都呈上升趨勢，三個(gè)階段的元素含量均未超警戒值(Fe>50 mg/kg，Cu>30 mg/kg，Pb>20 mg/kg，Cr>10 mg/kg，Sn>15 mg/kg，Al、Ni、Mn視情)，表明設(shè)備磨損狀態(tài)正常。

3.1.10 污染元素

第一階段末次樣品的Si含量與油品0公里相比略有上升，第二、三階段的Si含量明顯上升，第三階段末次樣品的Si含量超過警戒值(Si>30 mg/kg，K、Na視情)，說明粉塵污染一直在持續(xù)，且穩(wěn)步緩慢增加。

3.1.11 添加劑元素

如表8所示，各階段添加劑B元素持續(xù)下降，但主要添加劑元素Ca、P、Zn含量均保持得較好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)警值。

表8 添加劑元素變化 mg·kg-1

3.2 三個(gè)環(huán)境階段2號試驗(yàn)車各性能參數(shù)變化及數(shù)據(jù)分析

3.2.1 運(yùn)動黏度

三個(gè)階段黏度變化較平穩(wěn)，基本都呈先降后升的態(tài)勢，與油品0公里相比總體為下降，降幅最大為11.8%，升幅最大為2.0%，均在預(yù)警值正常范圍內(nèi)(運(yùn)動黏度變化超過新油±20%)，且都滿足新油指標(biāo)要求，說明在三個(gè)階段行車試驗(yàn)過程中，油品抗剪切性能正常，也未異常氧化變稠。

3.2.2 水分

油品水分最高的為第三階段34 996 km(試驗(yàn)里程為12 006 km)，為1 090 mg/kg，仍低于預(yù)警值(水分>2 000 mg/kg)，三個(gè)階段各油品水分在350～1 050 mg/kg間波動，低于預(yù)警值，說明油品未受到異常水污染。

3.2.3 閃點(diǎn)

三個(gè)階段的閃點(diǎn)在130～190 ℃之間波動，其中第三階段34 996 km(試驗(yàn)里程為12 006 km)的閃點(diǎn)降幅度最大，為32.6%，但末次樣閃點(diǎn)有回升，可能與取樣后補(bǔ)過新油有關(guān)。三個(gè)階段閃點(diǎn)均高于預(yù)警值(閃點(diǎn)<100 ℃)，說明油品未受到持續(xù)增加的燃油污染，表明無異常串燃油現(xiàn)象。

3.2.4 戊烷不溶物

第一階段的不溶物初始值較高，之后略有上升；第二階段初始值較低，變化也較平穩(wěn)；第三階段不溶物呈穩(wěn)步上升趨勢，但仍低于預(yù)警值(戊烷不溶物>0.5%)，表明油泥或機(jī)械雜質(zhì)未見異常。

3.2.5 堿值

三個(gè)階段在相同里程時(shí)堿值下降幅度基本相當(dāng)，第三階段結(jié)束樣因?yàn)槔锍虜?shù)最長，所以堿值降幅最大，降為新油的59%，仍在預(yù)警值正常范圍內(nèi)(堿值降至新油30%以下)，說明近1.5×104km時(shí)油品仍保持了一定的酸中和能力。

3.2.6 酸值

三個(gè)階段的酸值基本都呈上升趨勢，其中第三階段末次樣的酸值增值超過預(yù)警值(酸值增加超過新油2 mg/g)，表明油品在1.5×104km時(shí)出現(xiàn)較明顯氧化，需結(jié)合氧化度和硝化度等判定油品氧化程度。

3.2.7 乙二醇

除第三階段的乙二醇未超預(yù)警值外，其余有不同程度的超預(yù)警值，第二階段的初始值較高，但以油品0公里樣品為基準(zhǔn)樣比較，三個(gè)階段最后一個(gè)樣品均在正常范圍內(nèi)(乙本醇>0.2%)，無明顯冷卻水污染機(jī)油現(xiàn)象。

3.2.8 積碳、氧化度、硝化度、硫化值

三個(gè)階段的積碳水平基本與油品0公里持平，第一階段和第三階段的氧化度、硝化度持續(xù)增加，第二階段最平穩(wěn)，第三階段1.2×104km樣的硝化度尚未超預(yù)警值(積碳、氧化度、硝化度、硫化值均大于25 A/cm)，但末次1.5×104km樣硝化度最終達(dá)29 A/cm，超過了預(yù)警值，表明油品有異常氧化跡象。

3.2.9 磨損金屬元素

各階段的磨損金屬元素都呈上升趨勢，三個(gè)階段的元素含量均未超警戒值(Fe>50 mg/kg，Cu>30 mg/kg，Pb>20 mg/kg，Cr>10 mg/kg，Sn>15 mg/kg，Al、Ni、Mn視情)，表明設(shè)備磨損狀態(tài)正常。

3.2.10 污染元素

三個(gè)階段的Si均穩(wěn)步上升，其中第一階段Si初始值較高，因此，之后的樣均超過警戒值，第二階段Si未超警戒值，第三階段Si從31 023 km(試驗(yàn)里程8 033 km)起均超過警戒值(Si>30 mg/kg，K、Na視情)，說明粉塵污染一直在持續(xù)，可能與路況或車輛的空濾有關(guān)。

3.2.11 添加劑

如表9所示，添加劑元素Mo和B持續(xù)下降，第三階段的Mo和B下降程度較大，但主要添加元素Ca、Zn、P保持得較好，與預(yù)警值相比有較大富余量。

表9 添加劑元素變化 mg·kg-1

4 結(jié)論

(1)黏度和閃點(diǎn)主要反映油品的剪切、氧化和燃油稀釋情況。

三個(gè)階段的油品黏度變化平穩(wěn)，試驗(yàn)?zāi)┐螛羽ざ热栽谛掠椭笜?biāo)范圍內(nèi)，閃點(diǎn)均高于預(yù)警值，說明油品無異常剪切及氧化變稠現(xiàn)象，也無明顯的燃油稀釋現(xiàn)象，能確保車輛在行駛過程中保持穩(wěn)定的油壓和油膜。

(2)堿值反映油品的酸中和能力。

三個(gè)階段的堿值均在預(yù)警值正常范圍內(nèi)，說明各階段的油品仍保持了一定的酸中和能力。

(3)酸值和不溶物主要反映油品氧化程度。

1號試驗(yàn)車：三個(gè)階段的油品酸值均在預(yù)警值正常范圍內(nèi)，戊烷不溶物也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)警值；試驗(yàn)過程中氧化度、硝化度雖持續(xù)增加，但尚未超預(yù)警值，表明油品有一定程度氧化，但仍可繼續(xù)使用。

2號試驗(yàn)車：第三階段不溶物雖低于預(yù)警值，但末次樣酸值增值超過預(yù)警值，表明油品1.5×104km有明顯氧化跡象，結(jié)合第三階段硝化度超預(yù)警值，進(jìn)一步表明該里程的油品已異常氧化，繼續(xù)使用會增加風(fēng)險(xiǎn)。

(4)三個(gè)階段的水分均在正常范圍內(nèi)，未見冷卻水污染引起的異常變化。

(5)三個(gè)階段的磨損元素均處于較低水平，說明發(fā)動機(jī)磨損狀態(tài)良好；主要污染元素Si含量呈上升趨勢，第三階段的末次樣品超過警戒值，說明粉塵污染持續(xù)增加，可能由于發(fā)動機(jī)空濾效果不理想；添加劑元素除B含量下降程度較大外，主要添加劑元素Ca、P、Zn含量均保持得較好。

兩輛試驗(yàn)車前兩個(gè)階段的路試油樣理化分析數(shù)據(jù)正常，油品無異常氧化現(xiàn)象，主要添加劑水平正常，發(fā)動機(jī)未出現(xiàn)異常磨損。第三階段污染元素Si含量明顯偏高，可能與試驗(yàn)路況及空濾有效性有關(guān)，檢查清潔空濾，必要時(shí)更換，以免引起磨料磨損。鑒于2號試驗(yàn)車第三階段1.5×104km樣品出現(xiàn)異常氧化，考慮縮短換油期。

總之，以上發(fā)動機(jī)油搭載試驗(yàn)的熱區(qū)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證各參

數(shù)指標(biāo)，全方位數(shù)據(jù)化監(jiān)控了發(fā)動機(jī)熱區(qū)工作環(huán)境狀態(tài)及油品的劣化趨勢，數(shù)據(jù)分析也清晰地展示了該潤滑油對熱區(qū)工況環(huán)境的適應(yīng)性良好效果。鑒于1.5×104km的異常氧化現(xiàn)象，對照之前5 000～7 000 km的換油周期，可以考慮保守延長至10 000～12 000 km。

伴隨中國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，越野車正以驚人的速度進(jìn)入千家萬戶，從而發(fā)動機(jī)油的消費(fèi)將迅速增長，發(fā)動機(jī)油的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證效果越來越多地被人們普遍關(guān)注，換油周期的延長具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)該領(lǐng)域的探索與研究對節(jié)約資源降低消耗以及凈化周邊環(huán)境意義重大，不容忽視。