乙醇对增压发动机抗磨损及腐蚀性的试验分析与研究

张　帅　马瑞瑄　苗波　石涛　刘黎敏（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

乙醇对增压发动机抗磨损及腐蚀性的试验分析与研究

张帅1,2马瑞瑄1,2苗波1,2石涛1,2刘黎敏1,2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

乙醇燃料作为一种清洁替代燃料越来越得到汽车厂家的青睐，但由于乙醇与汽油燃料理化性质的不同，乙醇用作车用燃料会对普通汽油发动机零部件造成一定的腐蚀与磨损。通过对某四缸增压汽油发动机进行局部调整后，进行乙醇燃料400h冷热交变试验；通过对试验过程数据的分析及试验后发动机零部件状态检查，初步了解了乙醇燃料对发动机磨损、腐蚀的程度及影响；通过对异常点分析并对异常零部件制定可行性措施及方案，为后续乙醇发动机的开发提供借鉴和指导。

乙醇增压发动机磨损腐蚀

引言

随着汽车工业的不断发展，石油资源日益减少，发动机燃料的供应也越来越紧张，同时车用汽油、柴油造成的环境污染也日益严重。由于乙醇燃料具有来源广泛、丰富、抗爆性好的特点已成为最受汽车厂家重视的一种清洁替代燃料。但是由于乙醇与汽油理化性质的不同，乙醇用作车用燃料会对普通汽油发动机零部件造成一定的腐蚀与磨损。

本文结合国内外乙醇燃料的研究及应用情况[1]，通过前期乙醇与汽油燃料的理化性质分析，对发动机相关零部件进行局部调整后，进行乙醇燃料400h交变耐久试验。通过对试验过程数据的监控分析及结合试验后发动机零部件状态，初步了解了乙醇燃料对发动机磨损、腐蚀的程度及影响；通过对异常点及对异常零部件分析制定了可行性措施及方案，为后续乙醇发动机的开发提供借鉴和指导。

1　乙醇与汽油理化性质分析

乙醇与汽油的理化性质差异主要表现见表1。

表1　乙醇与汽油理化性质对比

1）从分子结构上看，乙醇含氧量高，使燃料燃烧更加充分，可极大改善尾气排放性能，CO和CH化合物平均减少达30%以上[2]；

2）从抗爆性看，乙醇辛烷值高，抗爆性强，可采用高压缩比，提高发动机功率，降低耗油量，可抵消因热值低导致耗油量大的不足[3]；

3）乙醇在燃烧过程中，会产生乙酸，对汽车燃料系统的许多金属都有腐蚀性，可以腐蚀铜、铁、铝、铅、镁、锌及它们的许多合金，且乙醇含量越高，腐蚀性越大；

4）与材料的适应性差。乙醇是一种优良的溶剂，易对汽车密封橡胶及其他合成非金属材料产生一定的轻微腐蚀、溶涨、软化或龟裂作用[4]；

5）乙醇能将气缸和活塞环等部位的润滑油膜洗掉，加重磨损；乙醇燃烧时生成乙酸，能直接腐蚀金属，造成腐蚀磨损，且乙酸还能与润滑油中的抗氧防腐剂发生反应而使其失效，从而增大各摩擦部位的腐蚀与磨损[5]。

通过以上分析，可以看出，乙醇燃料发动机的开发相对于汽油燃料发动机存在的最大风险就是乙醇对常规汽油发动机的腐蚀与磨损。

2　乙醇400h交变耐久试验

2.1试验前发动机调整项目

在进行乙醇400h交变耐久试验前，首先针对乙醇的腐蚀与磨损特性，对发动机各零部件进行风险识别及评估，识别出需重新开发的零部件为进气门座圈、排气门座圈、火花塞总成及机油共计4种。需经试验验证进行零部件设计优化的为增压器总成、气缸盖、缸盖垫片、活塞、气缸套、活塞环等零部件，具体零部件信息见表2与表3。

表2　风险零部件信息

表3　重新开发零部件信息

2.2 400h交变耐久试验

2.2.1试验发动机信息

该试验发动机为国产4G15T型增压汽油机，该发动机为直列四缸、双顶置凸轮轴结构，采用了废气涡轮增压中冷、多点顺序燃油喷射、电控机械式节气门等多种先进技术，排放水平达到欧V标准。发动机特性指标见表4。

表4　发动机参数信息

2.2.2 试验过程数据分析

试验过程中，使用调整后进排气气门座圈、火花塞及新规格的机油进行耐久试验。试验过程中对发动机功率、扭矩、活塞漏气量、缸压数据进行统计分析，结果如图1所示。

图1　发动机性能参数

发动机各项监控数据中，发动机性能未出现衰减，满足动力要求（最大总功率110±5kW（5600r/min）；最大扭矩210±12N·m（1 700~4 000 r/min）；活塞漏气量满足发动机标准要求（＜53L/min）；任意两缸压力差满足发动机标准要求（＜98kPa）。

2.2.3试验过程异常问题分析

在试验过程中，对发动机气门间隙每25h进行检测，其检测结果为：排气门间隙存在减小趋势，至350h保养时排气门间隙累计变化量为0.08～0.16mm，进气门间隙在正常范围内（标准0.18～0.24mm），主要试验数据如图2、图3所示。

图2　排气门间隙数据（标准0.28~0.34mm）

图3　进气门气门间隙数据（标准0.18~0.24mm）

通过对比前期汽油发动机排气门间隙变化量数据（如图4所示）最大累计变化量为0.11，该乙醇发动机排气门间隙累计变化量偏大（最大为0.16），初步分析认为，乙醇对座圈锥面腐蚀，造成气门下沉，导致气门间隙减小。

图4　汽油机排气门间隙变化量数据统计

2.2.4发动机试验后拆机分析

乙醇燃料发动机完成400h交变试验后，为确认乙醇对发动机腐蚀与磨损的程度，进行发动机拆机分析与检测，并对试验过程中排气门间隙磨损量偏大问题进行重点关注与分析。

1）拆机问题分析

通过对拆机零部件的分析及对风险零部件的检测，乙醇发动机与汽油发动机耐久试验后状态对比，主要零部件除机油与排气门座圈外，其余零部件均通过试验考核，存在的主要问题如下：

问题一：经试验过程数据监控及零部件试验后分析评审，排气门座圈存在磨损，与试验过程中排气门间隙累计量大问题吻合；

问题二：对试验过程中采集的机油油样进行检测后，机油(使用至75h）酸值上升60%，碱值下降36%，通过分析机油存在老化风险，如表5所示。

表5　机油理化指标变化情况

2）问题解决措施及方案验证

a)解决措施

针对发动机试验后出现的两个问题，通过技术及对标分析，确定问题整改措施如下：

排气门座圈磨损值大问题，采取的解决措施为用原材料座圈（V540S）与新材料V540CS（增加耐磨性）进行对比试验验证，确定座圈最终方案，见图5，表6。

图5　排气门座圈材料金相图

表6　原材料与新材料成分对比

图6　复试发动机排气门间隙累计变化量

试验后机油老化问题，采取的解决措施为进行半合成与全合成（增加抗老化性与磨损性）两种机油耐久对比验证，确定其规格，解决半合成机油存在的老化风险。

b)方案验证

将应用调整后状态的排气门座圈与机油的发动机重新进行400h交变耐久试验验证，试验结果如下：

试验过程中，对排气门间隙进行测量统计，最大变化量为0.06mm，对比原方案，整改后气门座圈耐磨损性能优势明显，解决了磨损值偏大问题，如图6所示。

同时在试验过程中对新牌号机油（5W-30全合成）油样进行检测分析，机油各项指标满足发动机使用要求，消除了发动机机油存在老化的风险,如表7所示。

3　结论

为了解乙醇燃料对常规汽油发动机的影响，进行了乙醇燃料400h交变耐久试验，在试验前期首先对风险零部件进行识别分析，主要对火花塞、进排气门座圈、机油等零部件进行调整；试验后发动机除排气门座圈及机油外其他零部件通过试验考核，发动机动力性无明显劣化（＜5%）。主要存在的问题为排气门座圈磨损异常及机油存在老化风险，针对出现的两个问题，发动机的解决措施为：

表7　新牌号机油（5W-30全合成）理化指标变化情况

1）针对排气门座圈磨损异常问题，采用新材料V540CS（增加耐磨性）排气门座圈，经发动机耐久试验验证后，通过试验考核，满足设计要求。

2）针对试验后机油老化问题，采用全合成机油进行耐久试验验证，经验证机油各项指标满足发动机使用要求，消除发动机机油存在老化的风险。

通过本次乙醇耐久试验可以看出，乙醇对常规发动机的腐蚀与磨损影响是可控和可以预防的，现有发动机通过适当调整应用乙醇燃料是可行的。

1崔心存.醇燃料与灵活燃料[M].北京：化学工业出版社，2010

2杜志良，申江华，朱自航.车用乙醇汽油实验研究[J].汽车科技，2013(1)：6-9

3刘全根.汽油乙醇的应用[J].炼油设计，2002(2)：40-43

4杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1981

5李永平.乙醇燃料的特点及使用性能分析[J].城市车辆，2007(7)：55-57

Experimental Analysisand Research onWear and Corrosion of Turbocharged Engine Fueled by Ethanol

Zhang Shuai1,2,M a Ruixuan1,2,M iao Bo1,2,Shi Tao1,2,Liu Lim in1,2
1-Technical Center,GreatWallMotorCo.,Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

As a clean alternative fuel,ethanol gets the favor of automanufacturersmore and more.But because of the different physical-chemical propertiesof ethanol and gasoline,ethanol used asa vehicle fuel to regular gasoline engine will lead to corrosion and wear of parts.Based on the local adjustmentof a four cylinder turbocharged gasoline engine,400 h cold-hot alternation load experimentwas carried out on a ethanol engine.According to the analysis of test data and the state of test engine parts after state examination,the influence of ethanol fuel on engine wear and corrosion is preliminarily understood. Through the analysis of abnormal point and abnormal parts,feasibility measures and solution were formulated,providing referenceand guidance for the developmentofethanolengine.

Ethanol,Turbocharged engine,Wear,Corrosion

TK415

A

2095-8234（2016）02-0082-05

2015-10-22）

张帅（1987-），男，助理工程师，主要从事汽油发动机设计与性能开发工作。