煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油行車試驗(yàn)研究*

田育成 韓 偉，2 杜宗罡 馮 弦 趙利華

(1.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所 陜西西安 710100；2.西安航潔化工科技有限責(zé)任公司 陜西西安 710100)

車用潤(rùn)滑油可減少發(fā)動(dòng)機(jī)零部件磨損，帶走行車過程中產(chǎn)生的熱量，且可以清潔發(fā)動(dòng)機(jī)，延長(zhǎng)其使用壽命，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一[1-4]。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，汽車的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，車用潤(rùn)滑油需求量隨之進(jìn)一步增大[5-6]。

目前，我國(guó)潤(rùn)滑油市場(chǎng)仍然保持髙速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，但潤(rùn)滑油的高質(zhì)量發(fā)展較緩慢。根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)，雖然我國(guó)轎車使用的發(fā)動(dòng)機(jī)油級(jí)別達(dá)到SM和SN級(jí)，但許多轎車潤(rùn)滑油更換周期仍然設(shè)定為5 000 km，這與國(guó)外油品存在一定差距[7]。行車試驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)汽油機(jī)油性能的關(guān)鍵方法之一，可為轎車換油周期提供數(shù)據(jù)依據(jù)[8-12]。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者以不同種類基礎(chǔ)油為原料的潤(rùn)滑油車用潤(rùn)滑油進(jìn)行了大量的研究。王慶瑞等[9]在豐田普瑞維亞轎車上對(duì)自主研發(fā)的SN/GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油進(jìn)行5 000和10 000 km的行車試驗(yàn)。結(jié)果表明，SN/GF-5 5W-30生物基汽油機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足車輛的使用要求，換油期可達(dá)10 000 km。黃勝軍等[10]在上汽榮威750轎車上對(duì)石油基SM/GF-4 5W-30汽油機(jī)油進(jìn)行不少于10 000 km的行車試驗(yàn)，并與某國(guó)外知名品牌參比油SN/GF 5W-40汽油機(jī)油進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在10 000 km后兩機(jī)油中的金屬元素含量比較小，堿值和酸值變化明顯，抗磨性能有所降低，但極壓性能穩(wěn)定。譚海港等[11]在北京現(xiàn)代的SONATA車型上對(duì)長(zhǎng)城SJ 5W-30汽油機(jī)油進(jìn)行了20 000 km的行車試驗(yàn)，并與A品牌SJ 5W-30汽油機(jī)油進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，長(zhǎng)城SJ 5W-30汽油機(jī)油與北京現(xiàn)代的SONATA車型有良好的適用性。韋夏等人[12]在“五菱之光”上對(duì)長(zhǎng)城牌SM/GF-4 5W-30汽油機(jī)油進(jìn)行首次15 000 km，并且每隔10 000 km更換新油，總計(jì)80 000 km的行車試驗(yàn)。結(jié)果表明，SM/GF-4 5W-30汽油機(jī)油具有良好的氧化安定性和抗磨性能，滿足“五菱之光”的使用要求，換油周期可達(dá)10 000 km。

潤(rùn)滑油組成中基礎(chǔ)油的選擇是影響潤(rùn)滑油品質(zhì)的關(guān)鍵因素。以上研究的基礎(chǔ)油主要來源為礦物(API Ⅱ類、Ⅲ類基礎(chǔ)油)、石油基和生物質(zhì)，然而根據(jù)API和ILSAC(國(guó)際潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證委員會(huì))制定的汽機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)SN/GF-5，對(duì)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的要求更高，API Ⅱ類、Ⅲ類基礎(chǔ)油屬于不可再生資源，且Ⅱ類基礎(chǔ)油難以滿足高品質(zhì)潤(rùn)滑油的要求。同時(shí)，石油對(duì)外依存度較高，而生物質(zhì)基礎(chǔ)油合成潤(rùn)滑油技術(shù)不成熟。因此，迫切需要尋找替代的、滿足高等級(jí)潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油來源。

隨著我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，結(jié)合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，煤制油產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。煤基基礎(chǔ)油作為潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油具有組成單一，不含芳烴、幾乎不含硫，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99%的優(yōu)勢(shì)。另外還具有高的黏度指數(shù)，較好的低溫性能和更高的清潔環(huán)保性[13]。目前，西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所已成功研制出理化性能均滿足SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的低溫啟動(dòng)性能和抗機(jī)械磨損性能的煤基汽油機(jī)油[14-16]。因此，為進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)自研煤基汽油機(jī)油實(shí)際使用性能，選擇具有代表性、對(duì)汽油機(jī)油品質(zhì)要求更高的帶有渦輪增壓的大眾品牌轎車，對(duì)自研煤基汽油機(jī)油和市售某品牌同級(jí)別汽油機(jī)油進(jìn)行10 000 km行車試驗(yàn)。并依據(jù)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》對(duì)不同行駛里程下的汽油機(jī)油進(jìn)行取樣檢測(cè)和對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 原料及試驗(yàn)車輛參數(shù)

行車試驗(yàn)用油為SN級(jí)5W-30煤基汽油機(jī)油，來源為西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所自研。市售汽油機(jī)油為某知名品牌公司生產(chǎn)，已應(yīng)用于各種車輛。主要理化指標(biāo)見表1。

由表1可知，自研的煤基SN級(jí)汽油機(jī)油各項(xiàng)理化參數(shù)均滿足指標(biāo)要求，且低溫性能較優(yōu)異。與市售汽油機(jī)油各項(xiàng)理化參數(shù)相比，煤基汽油機(jī)油的傾點(diǎn)和低溫動(dòng)力黏度更低，高溫高剪切黏度更高，其他理化參數(shù)相當(dāng)。說明煤基汽油機(jī)油表現(xiàn)出更優(yōu)異的低溫啟動(dòng)性能和抗機(jī)械磨損性能。

由于新車發(fā)動(dòng)機(jī)未經(jīng)磨損，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)驗(yàn)車輛采用10年前(2012年)上海大眾汽車集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的帕薩特六擋手自一體高級(jí)轎車。車輛參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)車輛參數(shù)

該車輛搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸、渦輪增壓、1.8 L缸內(nèi)直噴式供油的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋采用鋁合金材料，缸體采用鑄鐵材料。采用渦輪增壓的方式提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩，這就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在高溫、高轉(zhuǎn)速條件下工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部零部件需承受較高的溫度、更大的撞擊、擠壓和剪切力。因此對(duì)潤(rùn)滑油提出了更高的要求，需抗磨損性能好、耐高溫，且油膜強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好。

1.2 行車試驗(yàn)

為了綜合評(píng)價(jià)2種汽油機(jī)油的性能，行車試驗(yàn)由同一駕駛員完成。路況選定為固定上下班路段的城市和鄉(xiāng)村相結(jié)合的復(fù)雜路況，且忽略環(huán)境溫度影響。

在同一臺(tái)車輛先后開展對(duì)煤基汽油機(jī)油和市售汽油機(jī)油的行車試驗(yàn)，具體步驟如下：

(1)在進(jìn)行行車試驗(yàn)前更換機(jī)油濾清器、燃油濾清器和空氣濾清器，將原裝油放出。

(2)將試驗(yàn)用油加入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱至標(biāo)尺上限附近，并清洗3次，發(fā)動(dòng)機(jī)熱運(yùn)行30 min，放出試驗(yàn)用油，再加入新的汽油機(jī)油至機(jī)油標(biāo)尺上限附近。

(3)在復(fù)雜的路況上進(jìn)行行車試驗(yàn)，每隔1 000 km左右取樣檢測(cè)，取樣量為70～100 mL，并且補(bǔ)充等量的新油，當(dāng)行駛里程至10 000 km左右時(shí)，行車試驗(yàn)結(jié)束，檢測(cè)分析舊油。

在對(duì)2種汽油機(jī)油進(jìn)行行車試驗(yàn)前，均將原裝油放出并添加新的試驗(yàn)油，且更換了3種濾清器，因此2種試驗(yàn)用機(jī)油在同一臺(tái)車輛開展行車試驗(yàn)的先后順序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果影響較小。

1.3 試驗(yàn)油取樣分析

試驗(yàn)油換油指標(biāo)主要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》的技術(shù)要求，具體指標(biāo)要求如表3所示。

表3 汽油機(jī)油換油指標(biāo)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑性能

潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能主要通過運(yùn)動(dòng)黏度來衡量。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一方面，潤(rùn)滑油高溫氧化和輕組分揮發(fā)生成油泥、膠質(zhì)和焦炭等雜質(zhì)，導(dǎo)致其黏度增加。另一方面，潤(rùn)滑油受燃油稀釋和剪切作用，導(dǎo)致其黏度減小。因此，通過對(duì)潤(rùn)滑油在行車試驗(yàn)過程中的運(yùn)動(dòng)黏度變化率監(jiān)控及分析，可反映潤(rùn)滑油的流動(dòng)性變化情況[9]。2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中的運(yùn)動(dòng)黏度變化率如圖1所示。

圖1 不同里程下2種汽油機(jī)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率

由圖1可知，在10 000 km行車試驗(yàn)中，2種汽油機(jī)油的黏度變化率較小，均在±7%以內(nèi)，遠(yuǎn)小于指標(biāo)值±20%，說明2種汽油機(jī)油均具有較好的潤(rùn)滑性能。自研煤基汽油機(jī)油和市售汽油機(jī)油在5 000 km行車試驗(yàn)里程內(nèi)黏度逐漸降低，在5 000～10 000 km行車試驗(yàn)中2種汽油機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度先增加后減少。這是因?yàn)樵? 000 km行車試驗(yàn)里程內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身存在的油泥、積碳等雜質(zhì)，在燃油稀釋和潤(rùn)滑油黏度指數(shù)改進(jìn)劑的作用下，使汽油機(jī)油的黏度降低。隨著行車?yán)锍讨饾u增加，油泥和積碳等雜質(zhì)增加，汽油機(jī)油黏度逐漸增加。行駛里程在6 000 km左右至試驗(yàn)結(jié)束，隨著體系逐漸穩(wěn)定，在潤(rùn)滑油的剪切作用下，油品黏度逐漸下降。綜合分析，2種油品的運(yùn)動(dòng)黏度較穩(wěn)定，抗氧化和抗剪切能力較優(yōu)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

2.2 抗氧化性能

潤(rùn)滑油的抗氧化性能主要由正戊烷不溶物來衡量，此外還可一定程度上說明清凈分散性能的優(yōu)劣。2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中的正戊烷不溶物含量如圖2所示。

圖2 不同里程下2種汽油機(jī)油正戊烷不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖2可知，在10 000 km行車試驗(yàn)中，2種汽油機(jī)油的正戊烷不溶物含量均較小，低于換油指標(biāo)值1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。說明2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)中生成的油泥、膠質(zhì)和積碳等雜質(zhì)較少，具有較好抗氧化性能和清凈分散性能。此外，自研煤基汽油機(jī)油與市售汽油機(jī)油正戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅相差0.02%，說明自研煤基汽油機(jī)油與市售汽油機(jī)油的抗氧化性能和清凈分散性能相當(dāng)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

2.3 抗磨損性能

潤(rùn)滑油的抗磨損性能主要通過監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)油中元素含量變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中Fe主要反映活塞環(huán)、襯墊及一般部位的磨損，Cu和Al主要為軸瓦合金材質(zhì)成分，同時(shí)Al也是活塞及機(jī)體材質(zhì)成分。2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)中的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖3、4所示。

圖3 不同里程下市售汽油機(jī)油元素含量增長(zhǎng)值變化

圖4 不同里程下自研煤基汽油機(jī)油元素含量增長(zhǎng)值變化

由圖3、4可知，在10 000 km行車試驗(yàn)中，2種汽油機(jī)油的鐵含量均增加，但增加量較小，遠(yuǎn)低于70 μg/g的換油指標(biāo)，且自研煤基汽油機(jī)油的鐵含量增加較少。說明自研煤基汽油機(jī)油與市售同級(jí)別汽油機(jī)油相比，具有更優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，且自研煤基汽油機(jī)油對(duì)活塞環(huán)、襯墊及一般部位潤(rùn)滑效果更好。這是因?yàn)樽匝忻夯蜋C(jī)油具有更高的高溫高剪切黏度，因而表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗磨損性能，能更有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損。此外，銅和鋁含量均無(wú)明顯增加，綜合說明自研煤基汽油機(jī)油與市售汽油機(jī)油均具有較優(yōu)異的抗磨損性能，且自研煤基汽油機(jī)油的抗磨損性能更優(yōu)。

2.4 清潔分散性能

潤(rùn)滑油的清潔分散性能主要通過堿值和酸值進(jìn)行評(píng)價(jià)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一方面，潤(rùn)滑油高溫氧化和汽油燃燒均產(chǎn)生酸性物質(zhì)，引起酸值升高。另一方面，潤(rùn)滑油中的添加劑分解引起酸值降低。因此，通過對(duì)潤(rùn)滑油在行車試驗(yàn)過程中酸值增加量和堿值-酸值(堿值與酸值的差值)的監(jiān)控及分析，可反映潤(rùn)滑油衰變、添加劑消耗和添加劑中和酸性物質(zhì)的能力。2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中酸值增加量和堿值-酸值的變化如圖5、6所示。

圖5 不同里程下2種汽油機(jī)油酸值增加值變化

由圖5可知，在10 000 km行車試驗(yàn)中，2種汽油機(jī)油的酸值均逐漸增加，均在指標(biāo)范圍內(nèi)，且自研煤基汽油機(jī)油的酸值增加值較小。說明2種汽油機(jī)油的氧化衰變和添加劑消耗較少，且自研煤基汽油機(jī)油的氧化衰變和添加劑消耗更少。由圖6可知，2種汽油機(jī)油的酸值與堿值的差值隨行駛里程的增加逐漸減小，在10 000 km時(shí)未達(dá)換油指標(biāo)值，堿值均有一定余量，且自研煤基汽油機(jī)油的余量較大。說明自研煤基汽油機(jī)油與市售同級(jí)別汽油機(jī)油的添加劑均具有較優(yōu)異的中和酸的能力，且自研煤基汽油機(jī)油中和酸的能力更優(yōu)異。綜合分析，2種汽油機(jī)油的清潔分散性能均較優(yōu)異，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，且自研煤基汽油機(jī)油的清潔分散性能更優(yōu)。

圖6 不同里程下2種汽油機(jī)油堿值與酸值的差值變化

2.5 外界因素的污染程度

外界因素對(duì)潤(rùn)滑油的污染程度主要通過水含量、燃油稀釋和閃點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。煤基汽油機(jī)油幾乎不含水，在行車試驗(yàn)中，潤(rùn)滑油中的水主要來源于油箱呼吸孔吸入和汽油燃燒產(chǎn)生。水會(huì)引起潤(rùn)滑油乳化，導(dǎo)致其使用性能下降，并造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件腐蝕。因此，需對(duì)潤(rùn)滑油中的水含量進(jìn)行監(jiān)控。水含量分析按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 260，換油指標(biāo)值為>0.2%。

閃點(diǎn)在一定程度上可反映潤(rùn)滑油的餾程，閃點(diǎn)的降低說明機(jī)油可能被燃油稀釋，并且燃油稀釋機(jī)油會(huì)影響潤(rùn)滑效果，引起活塞環(huán)、缸套的磨損加重，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作[16]。而Si主要反映來自空氣中灰塵的污染程度，需對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，并嚴(yán)格控制。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 260，測(cè)量2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中水分的變化，結(jié)果如表4所示?？芍?，在10 000 km行車試驗(yàn)中，2種汽油機(jī)油的水分均為痕量，小于換油指標(biāo)，說明無(wú)較多的水進(jìn)入油品中影響汽油機(jī)油的使用性能。

表4 不同里程下2種汽油機(jī)油水分值

圖7、8分別示出了2種汽油機(jī)油在行車試驗(yàn)過程中硅含量、閃點(diǎn)、燃油稀釋的變化。2種汽油機(jī)油燃油稀釋均增加，但遠(yuǎn)小于換油指標(biāo)值，說明僅有較少的燃油通過活塞壁間隙進(jìn)入汽油機(jī)油中，活塞密封性較好。同時(shí)，2種汽油機(jī)油的燃油稀釋變化規(guī)律與閃點(diǎn)的變化相吻合，燃油稀釋增加，閃點(diǎn)降低。這是因?yàn)殚W點(diǎn)的降低主要由燃油稀釋引起，但閃點(diǎn)均大于換油指標(biāo)值。另外，硅含量均增加緩慢，遠(yuǎn)低于指標(biāo)值，說明2種汽油機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的密封效果較好，沒有明顯的外界污染，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。此外，2種汽油機(jī)油的水分均為痕量，小于換油指標(biāo)，說明無(wú)較多的水進(jìn)入油品中影響汽油機(jī)油的使用性能。綜合分析，自研煤基汽油機(jī)油可達(dá)到與市售汽油機(jī)油相當(dāng)?shù)臐?rùn)滑和密封效果，同時(shí)也驗(yàn)證了其具有較優(yōu)異的清潔分散性能。

圖7 不同里程下自研汽油機(jī)油硅含量、閃點(diǎn)和燃油稀釋值變化

圖8 不同里程下市售汽油機(jī)油硅含量、閃點(diǎn)和燃油稀釋值變化

3 結(jié)論

(1)10 000 km行車試驗(yàn)表明，市售某知名品牌汽油機(jī)油和自研煤基汽油機(jī)油的各項(xiàng)理化性能指標(biāo)均遠(yuǎn)未達(dá)到GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》的技術(shù)要求，且在10 000 km時(shí)有較大余量，表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑、抗氧化、抗磨損和清潔分散性能。

(2)10 000 km行車試驗(yàn)后，2種汽油機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度變化率相差-0.3%、正戊烷不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差0.02%、燃油稀釋相差0.15%和鋁含量相差0.3 μg/g。自研煤基汽油機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均與市售汽油機(jī)油相差較小，且自研煤基汽油機(jī)油鐵含量和酸值增加更小，堿值余量更大，說明自研煤基汽油機(jī)油相比市售汽油機(jī)油的各項(xiàng)使用性能更好，清潔分散性能和抗磨損性能更優(yōu)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。