直喷汽油机润滑油行驶适应性试验研究

2019-08-26杜爱民靳争陈垚伊张雅洁朱忠攀

车用发动机 2019年4期

杜爱民,靳争,陈垚伊，张雅洁，朱忠攀

(1.同济大学汽车学院,上海 201804；2.中汽成都配件有限公司，四川成都 610504；3.成都市龙泉驿区委社治委，四川成都 610100)

近年来，汽车保有量的快速增长使汽车润滑油的需求呈现出大幅增长的趋势，而发动机以及汽车排放标准的发展对润滑油的性能指标提出了越来越高的要求[1-2]。所以，润滑油研制与试验的重要性日益突显。润滑油适应性试验的目的,是通过被测试润滑油在试验车上按特定试车程序进行一定时间的试车,尽早暴露被试润滑油对发动机可能的不良影响,确定被试润滑油的使用和检查周期,确保试用过程的安全[3-4]。

本研究结合杭州市某典型城市道路和近郊山区道路工况，以某直喷汽油机车为研究对象，通过行车道路试验，对该车辆机油温度与滤清器前后压力等参数进行实时测量，然后对测量数据进行分析，得到车辆在不同路况上行驶时机油特征分布，为润滑油的研制提供可靠的试验依据。

1 研究现状

1.1 润滑油市场状况

润滑油原油由于产地不同，组成及性质有很大差异，而原油进入炼油厂后，由于加工工艺的差异，基础油的规格品种呈多样化。再者，润滑油添加剂的种类更加繁多，也加剧了目前市场上润滑油品牌繁多杂乱、缺乏清晰产品定位的现象，目前市场上流通较多的润滑油品种有CF-4/SG/SJ、CF/SF/SL、CD/SF/SE和CC/SF/SD系列[5-7]。CF-4/SG/SJ系列产品质量等级最高，但易被不良生产厂家利用低等级的产品冒充，从而获取高额利润；CD/SF/SE系列市场销量大，各生产商均倾向于该系列产品，但是质量问题频繁出现。

由于我国当前区域经济发展不均衡等因素，我国发动机机油市场呈现出各个质量级别油品共存的局面[8-9]，市场集中度处于较低水平，造成机油产品合格率并未随着质量等级的提高而提高。

为了使中国车用润滑油市场向着良性健康的方向发展，对于汽车公司等市场参与者而言，应对发动机润滑油产品的市场需求，开发出符合汽车公司自身技术要求的配套产品，特别是润滑油添加剂的开发要求应随着汽车技术的发展而提高，以此推进汽车工业可持续发展。

1.2 直喷汽油机润滑油要求

润滑油被称为发动机的“血液”，在发动机润滑系统中起着润滑减摩、冷却密封、防锈、抗腐蚀以及清洁等作用，发动机润滑油的质量直接影响到发动机的运转情况，而涡轮增压缸内直喷汽油机对润滑油的要求更加严格[10-11]。

由于涡轮增压发动机缸内燃烧压力显著提高，因此对活塞环气密性也提出了更高的要求。直喷汽油机由喷油器直接将燃油喷入气缸，使得缸内产生积炭可能性加大。积炭不仅加重活塞、活塞环以及气缸壁之间的磨损，而且也会降低火花塞的点火机能，增加汽油机失火的概率，长期运作将会加大活塞与缸壁的磨损。

直喷汽油机润滑油沉积物除积炭外，还包括漆膜与油泥，在行驶适应性试验中，油泥对试验结果的影响更为突出[12-13]。在车辆滑行时，当周围空气压力低于油压时，活塞环间隙增加，燃烧室内的水、不完全燃烧产物、大分子氧化产物以及其他杂质进入曲轴箱内与润滑油混合形成油泥。发动机运行温度对油泥的生成影响尤大，发动机运行温度过低容易产生油泥，如交通拥挤城市中停停开开的小轿车或轻型汽油机货车以及高功率经常短途行驶的汽车都容易生成油泥。随着行驶里程的增加，机油流动性变差，油泥等杂质的产生将影响整个润滑系统的正常运行。曲轴箱内的压力和温度也直接影响到机油的蒸发速率[14-15]。

2 试验设备及方案

2.1 试验目的

温度是影响润滑油黏度的最主要因素之一，润滑油工作温度无论是对润滑油本身还是发动机润滑部分都有至关重要的影响，是试验需要控制的关键因素。润滑油温度不仅影响到发动机的机械磨损、腐蚀和寿命等，而且对燃油消耗率也有一定的影响。发动机润滑油在高温作用下易发生氧化、聚合、缩和等一系列变化，在发动机活塞的顶部、侧面及曲轴中产生积炭、漆膜和油泥。这些沉淀物的产生对发动机的活塞润滑及传热、爆震、点火等影响很大，严重影响润滑油的使用寿命和发动机功率，增大了燃料的消耗。通过对直喷汽油机行驶过程中机油温度进行测量，为后续润滑油的高温清净性研究提供重要的数据支持。

机油压力必须足以克服各管道的阻力，才能将机油可靠地供应到所需地。机油压力对于零件的润滑状况影响较大，过高、过低都会引起配合件，特别是主轴瓦、连杆瓦及各轴承、轴套润滑、冷却不良，造成剧烈磨损，甚至产生烧坏等更严重的事故。

故在试验中，润滑油的温度和机油滤清器前后两处油压是最被关注的焦点。因此本次试验采集了发动机润滑油的实时温度与滤清器前后压力，并对其进行分析。

2.2 试验方案

为了充分检验润滑油的性能，试验路段的选择应充分考虑实际行驶时不同工况等因素。故试验路线包含城市道路、山区道路以及高速道路工况。城市道路总路程为110 km，包含杭州交通流量大的路段,如西湖区、上城区等，城市路段怠速工况较多。高速道路过渡段为52.5 km，往返共105 km。在高速工况下，汽油机润滑油温度将在山区工况下到达高温，以适应山区路段下高负荷工况。山区道路测试地点为杭州某近郊山区，路段中包含试验车达到最大爬坡度的坡道，单次山区路段为7.3 km，往返7次，总长度约为102 km。山区工况下发动机运行状态大多为低速、大负荷或满负荷。总共试验行程为10 981.86 km，其中城市工况下行驶4 567.12 km，山区工况下(包括山区道路及高速道路)行驶6 414.74 km。

为了最大程度达到润滑油测试目的，试验载重方式为满载，采用沙袋负重形式，将沙袋布置于座位及车厢内，载重质量为375 kg，试验车整备质量为1 555 kg，故总质量为1 930 kg。

试验采取的挡位策略为尽量采取低挡高负荷驾驶，并全程保持空调打开状态，以期能更好地达到润滑油试验性能。

2.3 试验设备

试验车辆所装配发动机为1台1.4 L增压直喷汽油机，16气门，标定功率96 kW，标定转速(5 000±200) r/min。

数据采集系统包括行车记录仪、数据采集模块、温度与压力传感器等，其中记录仪可对车辆GPS、CAN参数信息进行保存，传感器将温度压力信号传递至数据采集模块处理后交于记录仪保存。试验所用传感器设备为压力传感器和热电偶，具体型号参数见表1。

表1 测试设备主要参数

为测量发动机机油温度和滤清器前后的机油压力，设计开发了一种用于连接机油滤清器与发动机的测量适配器装置(见图1)，该测试装置安装于试验样车发动机正时罩壳的滤清器口处。

机油由机油泵从发动机油底壳中泵出，经过所述装置的4个分散于出油孔周围的进油孔后输入机油滤清器中过滤，然后从适配器的出油孔流回发动机的工作区域。压力传感器和温度传感器分别通过安装孔实时探测进油孔和出油孔中的压力和温度信息。

1—底座；2—温度传感器安装孔；3—压力传感器安装孔；4—进油孔；5—出油孔；6—压力调节孔；7—密封凸台；8—第一密封面；9—第二密封面；10—定位面。图1 适配器设计示意

适配器的底座为螺纹法兰盘，底座上下设有密封槽，密封槽内设有垫圈，使底座与发动机和机油滤清器密封连接。压力调节孔的顶部表面为定位面，与发动机匹配连接，保证该装置与发动机的结合精度。内设有压力调节阀，该压力调节阀连接机油滤清器，当冷启动发动机或机油滤清器的滤芯堵塞时，机油的压力较高，压力调节阀打开，机油直接进入发动机的工作区域。

该装置有效解决了机油滤清器温度和压力测量困难的问题，同时也避免了对发动机的损伤，可以承受发动机运转过程中机油形成的高温，在类似的发动机测量领域也有着广泛的应用前景。

根据以上试验方案与设备，对该试验车进行适应性试验，并对其进行数据采集，得出不同工况下发动机机油的试验数据，并总结其规律。

3 试验结果与分析

3.1 工况分析

城市工况试验时间为早高峰与平峰时间。通过试验数据分析得到城市平均车速为21.69 km/h，平均行驶车速为31.62 km/h，怠速比例为29.9%。油温平均值为94.77 ℃。

山区工况(包含高速路段)平均车速为31.46 km/h，最大速度为72.2 km/h。油温平均值为97.39 ℃。图2示出各工况数据对比。

图2 工况数据对比

3.2 结果分析

3.2.1温度变化

图3示出温度随行驶里程的变化。在0～8 000 km，滤清器润滑油温度随着行驶里程增加缓慢下降，至8 000 km左右降至最低点，随后温度趋向平稳。整个行驶里程内温度降低幅度较小，为1.34%。

图3 机油温度变化

图4和图5分别示出了城市工况与山区工况下润滑油温度随里程的变化，其中的试验点为每天在不同路况下运行时的润滑油温度平均值二次拟合而来。在试验的初期，里程对润滑油的影响较小，润滑油温度的变化主要受路况和载荷的影响。由于山区工况下载荷较大，导致润滑油的温度远高于城市工况。随着试验的进行，试验里程增加，理论上城市和山区工况下润滑油温度随里程数的变化趋势应该同润滑油温度随总里程变化趋势(见图3)一致。但由于城市道路较为拥挤，车辆状态属于“走走停停”，容易产生油泥，影响润滑油的散热，导致温度逐渐上升。故图4中城市工况下温度呈现随着里程的增加逐渐上升的趋势，由此可见，油泥对润滑油温度有着较大的影响。图4中二次拟合曲线的确定系数R-square为0.618 8，拟合情况稍次，但仍能看出其上升的变化趋势。

图4 城市工况机油温度变化

图5 山区工况机油温度变化

而山区工况下车辆行驶较为畅通，产生较少油泥，润滑油温度在里程初期随里程的增加大幅度下降，到4 500 km左右开始呈现小幅度回升，并趋向于稳定。

每天的试验路线中城市工况和山区工况的行驶里程比约为2∶3，故当总行驶里程在8 000 km时，城市工况下运行约3 000 km，山区工况下为约4 500 km。当总行驶里程约为8 000 km，润滑油的温度降至最低点时，由图4可以看出，受总行驶里程的影响，城市工况下相应点润滑油温度略降，由图5可以看出，山区工况下相应点也为温度最低点。

3.2.2压差变化

滤清器进出油口平均压力见图6。山区工况下进油压力比城市工况高出近100 kPa，出油压力山区工况比城市工况高出60 kPa。

图6 滤清器进出油压力

图7示出滤清器进油口润滑油压力随行驶试验里程的变化。随着行车试验里程的增加，润滑油进油压力随之快速降低，在3 500 km处降至最低点，随后进油压力大幅上升。其原因是试验初期，发动机内的机械剪切作用使得润滑油运动黏度下降，从而使得进油压力大幅下降，而到试验中后期，由于润滑油逐步氧化，机油黏度大大升高，使润滑油进油压力回升。

图7 滤清器进油压力变化

图8示出滤清器出油口润滑油压力随行驶里程的变化。随着行车试验里程的增加，润滑油出油压力在初期表现平稳但随后很快降低。其原因是试验初期，发动机内的润滑油维持在出厂状态，包含杂质较少，滤清器有效去除润滑油中的杂质。而到试验中后期，润滑油中的油泥逐渐增多，滤清器不能有效地过滤其中的杂质，所以出油压力越来越低。

图8 滤清器出油压力变化

图9示出滤清器进出油压差随总行驶里程的变化(与图3相对应)。由图可知，当行车试验里程在8 000 km以内，滤清器进出油口压差基本维持在25 kPa左右，到9 000 km时，压差急剧增加至180 kPa以上，由此可说明在试验前期，润滑油循环流动带来的沉积物等杂质仍能有效地被滤清器滤去，随着试验持续进行，在9 000 km时，油泥等杂质已经大量生成并影响滤清器的过滤功能，导致出油口压力逐渐降低，并且这一过程表现明显急促，变化幅度达到620%。