A5/B5 5W-30汽油机油在直喷涡轮增压车型上的适应性应用研究

中国石化润滑油有限公司北京研究院

近十年来,为了满足日益严格的排放法规要求,降低燃油消耗,并同时带来较好的动力体验,国内外汽车厂商纷纷投入大量资源发展高效、节能、环保的发动机--直喷涡轮增压发动机。在市场上,搭载直喷技术与涡轮增压技术的乘用车也越来越受到消费者的欢迎。据知名涡轮增压器供应商霍尼韦尔预测,到2020年,全世界搭载涡轮增压发动机的车辆累计销量将达到2亿辆,到2022年,全球预计一半的新车辆将搭载涡轮增压技术。

发动机采用直喷涡轮增压技术,可以提高进气的混合效率,增加进气量,提高燃烧效率,使发动机响应更快,但会导致发动机更易产生爆燃、发动机温度高等问题,对润滑油也提出了更高的性能要求。

为满足直喷涡轮增压发动机的润滑要求,中国石化润滑油有限公司研制了长城A5/B5 5W-30汽油机油产品。满足欧洲汽车制造协会(ACEA)A5/B5规格的机油产品通过了更严格的理化与台架试验,保证了油品的抗剪切性、燃油经济性、橡胶兼容性、清净性,使用寿命较长［1］,更适用于直喷涡轮增压发动机。

为考察所研制的A5/B5 5W-30汽油机油在直喷涡轮增压新车型上的适应性,本文开展了行车试验应用研究。

试验部分

试验车辆

3台试验车辆发动机参数见表1。

由表1可见,车辆A的发动机在排量较小的情况下,通过涡轮增压等先进技术的加持,使得发动机最大功率与车辆B持平,最大扭矩高于车辆B;车辆C与车辆B在发动机排量相同的情况下,由于进气方式改为涡轮增压,使得最大功率、最大扭矩获得大幅增长。这表明涡轮增压发动机在运行过程中的工作工况要比自然吸气发动机更加严苛,从而使发动机功率得到提高。因此,为其匹配采用新技术的汽油机油是十分必要的。

试验用汽油机油

在欧洲,搭载直喷涡轮增压发动机的车辆应用得最为广泛。1996年以来,欧洲汽车制造协会颁布了多个版本的欧洲车用润滑油规格,即ACEA规格。取决于车辆用途、发动机技术等因素,ACEA规格与美国石油协会API规格有显著区别［2］。演变至今,ACEA规格包含了A/B系列汽油及轻负荷柴油发动机油、C系列兼容尾气处理系列发动机油、E系列重负荷柴油发动机油［3］。

在ACEA A5/B5规格中,油品需要通过VW TDI(直喷发动机清净性与黏环试验)、M111(燃油经济性试验)等多项试验,以便更加适合直喷涡轮增压发动机的润滑需求。本文采用的试验油为长城A5/B5 5W-30汽油机油,其典型数据见表2。

试验过程

每辆试验车行车总里程40 000 km ,使用定点加油站的92号车用汽油。试验路段包括高速公路、国道、市区环路。本行车试验的换油期定为5 000 km。由于换油期设定较短,而油品的预估寿命远远高于5 000 km,因此取样点定为每次换油时取样,即每5 000 km换油时取样。试验开始前,使用长城A5/B5 5W-30汽油机油对发动机进行2遍清洗,然后更换新的机油滤清器,装填新机油。试验开始后,每5 000km换油时不进行清洗。

换油指标

行业内目前尚无ACEA A5/B5规格油品的换油指标,故参考GB/T 8028-2010《汽油机油换油指标》［4］,考虑到实际行车路况,结合已有行车试验的经验,确定了油品的评价项目与换油指标,见表3。

试验数据

运动黏度

对于润滑油来说,运动黏度是最重要的一项理化指标。发动机油运动黏度的上升或下降,能够综合地展示机油的变化情况。导致发动机油运动黏度发生改变的因素有很多,例如：

◇机油中的添加剂、黏度指数改进剂等大分子,在使用过程中会受到较大的剪切作用,会被剪切变成小分子,使得运动黏度下降;

◇油品使用时所处的高温环境下,油品易被氧化,或者油品当中分散了烟炱和油泥时,都会出现运动黏度上升的情况。

发动机油的运动黏度过小,容易造成摩擦副的磨损,运动黏度过大,又可能会带来额外的功率损失。只有确保其运动黏度保持在合适的范围内,才能有效保护发动机,实现最佳的润滑效果。

表1 试验车辆发动机参数

表2 试验油的典型数据

3台试验车的油品的100 ℃运动黏度变化率数据见图1。

由图1可见,3台试验车的油品的100 ℃运动黏度变化率未超过换油指标限值。在行车试验过程中,部分数据点显示运动黏度下降幅度较大。对油品运动黏度变化的主要原因分析详见下个章节“试验结果剖析”。

碱值、酸值

总碱值或总酸值是用来表示石油产品中含有碱性物质或酸性物质总含量的指标。润滑油添加剂中的清净剂组分能够提供碱值,来不断中和燃烧等因素产生的酸性组分。碱值的变化可以反映润滑油的氧化稳定性,以及使用过程中添加剂的消耗情况。“碱值-酸值”(碱值与酸值的差值)的大小,可以用来衡量润滑油中和酸性物质的能力。3台试验车的油品的碱值、“碱值-酸值”数据分别见图2、图3。

表3 油品评价项目及换油指标

图1 行车试验过程中油品的100 ℃运动黏度变化率

从图2、图3可以看出,3台试验车的油品在行车试验换油周期内“碱值-酸值”未超过换油指标限值,同时碱值保持较好,说明尽管油品逐渐氧化生成有机酸,但油品仍具有良好的抗氧化性能与酸中和能力,“碱值-酸值”距离换油指标仍有较大的技术余量。比较图3、图1可见,车辆A、车辆B油品的“碱值-酸值”的变化趋势与运动黏度的变化趋势相符合。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物［5］包括油品氧化、添加剂降解、发动机磨损的金属粉末、灰尘及积炭的总和,主要反映油品的氧化变质及受污染的程度。3台试验车的油品的正戊烷不溶物数据见图4。

由图4可以看出,随着行驶里程的增加,正戊烷不溶物含量并无明显变化,最大值仅为0.14%,说明油品在行驶过程中生成的积炭、油泥较少,被氧化的产物大部分都被良好地分散在机油中,未产生太多的不溶物。

磨损金属含量

不同金属元素的含量变化,反映了发动机在行车试验过程中不同部位的摩擦磨损情况：

◇铝元素来自铝活塞及铝合金轴瓦磨损,机油中铝元素含量过高会造成动力损失大、噪音大;

◇铁元素来源于发动机的缸套、曲轴轴承座处发生的磨损,机油中铁元素含量过高会造成窜气,增大油耗、噪音及动力损失;

图2 行车试验过程中油品的碱值

图3 行车试验过程中油品的“碱值-酸值”

图4 行车试验过程中油品的正戊烷不溶物

◇铜元素来源于轴套磨损,机油中铜元素含量增量过大会造成油压变低、噪音大;

◇硅元素主要来自沙尘及硅抗泡剂,可用于监测磨粒磨损。

对3台试验车所有油样的磨损金属含量进行了分析,铁、铜、硅元素含量均低于1 mg/kg,不作图分析,铝元素含量见图5。

由图5可见,3台试验车虽然均采用了全铝发动机,但所用油品的铝元素最大含量数据为17 mg/kg,远未达到换油指标限值。可判定长城A5/B5 5W-30汽油机油在行车试验中展现出良好的抗摩擦磨损性能,对发动机的各摩擦副提供了极佳的抗磨保护。

试验数据小结

经过对试验油品的运动黏度、碱值、酸值、正戊烷不溶物、磨损金属含量的分析,所有试验数据均在换油指标限值以内,油品的质量可靠,性能稳定,抗磨损效果好,能够为车辆发动机提供极好的润滑保护。

试验结果剖析

图1显示,虽然所有数据点的运动黏度变化率未超过换油指标限值,但车辆A、车辆C的多个数据点的运动黏度变化率超过了10%。

A5/B5 5W-30汽油机油产品在开发时,使用了具有优良的剪切稳定性的高品质黏度指数改进剂。由表2数据可知,油品的100 ℃运动黏度初始值为10.32 mm2/s,经过柴油喷嘴剪切试验后黏度仍保持在10.22 mm2/s,几乎无明显下降,因此判断行车试验油样运动黏度出现明显下降的原因,不仅仅是由于剪切作用大,推测是油品中混入了水分或燃油所致。

水分

汽油的主要成分是烃类,在发动机内燃烧时会生成水,同时油箱上有通风孔,可能会将一些水汽吸入后送入燃烧室。水分会对发动机造成腐蚀,机油中水分含量过高时,会出现乳化,润滑效果变差。如果发动机润滑系统与冷却系统存在缺陷,也可能出现冷却液与机油发生互相污染的情况。经过对3台车所有样品的分析,水分均小于0.03%(质量分数),因此认为不存在冷却液或水分大量混入机油的情况,排除是水分原因造成的运动黏度下降。

燃油稀释

目前,市场上搭载缸内直喷技术的发动机中,由于燃油喷射方式的改变,燃油更容易混入到发动机油当中,比电喷发动机更容易出现机油的燃油稀释现象,会加速活塞环、缸套的磨损,造成油耗增加,容易引发窜气,严重的会引起发动机拉缸等问题［6］。燃油的运动黏度低,越多燃油混入发动机油,则机油的运动黏度下降越明显。3台试验车的油品的燃油稀释数据见图6。

由图6可见,3台试验车的油品的燃油稀释数据并未超过预设的5%限值。其中,车辆C在5 000～30 000 km,车辆A在30 000 km时,燃油稀释接近或达到了3%。

闪点

闪点能够体现油品的馏分组成,可以表征油品的安全性能,在一定程度上可以印证燃油稀释的数据可靠性。3台试验车的油品的闪点(闭口)数据见图7。

图5 行车试验过程中油品的铝元素含量

图6 行车试验过程中油品的燃油稀释

比较图6、图7可见,闪点(闭口)的变化趋势与燃油稀释相匹配,由此判定燃油稀释是黏度下降的一个重要影响因素。

由于燃油中存在较多的不饱和烃,容易造成机油的氧化,使机油变稠、黏度增加、碱值下降。由图1可知,在车辆30 000～40 000 km时,机油运动黏度出现了上升的趋势,与闪点及燃油稀释数据的变化是相匹配的。进一步通过氧化值、硝化值数据分析了油品理化性质的变化情况。

氧化值、硝化值

发动机油发生氧化后,会生成有机酸等化合物,造成发动机的腐蚀,氧化产物进一步会缩合成大分子胶状物质,使油品运动黏度上升;油品中的硝化物,则是发动机油泥的一种主要成分。3台试验车的油品的氧化值、硝化值［7］数据见图8、图9。

由图8、图9可见,在每个5 000 km的换油期内,机油的氧化值、硝化值均未超过规定限值,油品寿命仍有剩余。整体来看,采用了涡轮增压技术的试验车,因发动机运行温度更高,机油更易老化。

车辆C在30 000 km之后,油品的氧化值出现上升,造成了机油运动黏度上升,与图1的运动黏度变化趋势相匹配。

结论

☆行车试验结果表明,长城A5/B5 5W-30汽油机油能很好地满足搭载直喷技术、涡轮增压技术的先进发动机的用油需求。

图8 行车试验过程中油品的氧化值

图9 行车试验过程中油品的硝化值

☆直喷涡轮增压发动机独特的运行工况,使得机油更容易出现燃油稀释、氧化等问题。直喷涡轮增压发动机的油品选用仍然要保持谨慎,仍需相关的试验论证后才可进行搭载与使用。

[1]许金山，雷凌. ACEA发动机油规格发展及A3/B4 0W-40/10W-40产品开发[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，卢文彤. 欧洲车用润滑油ACEA规格的发展[J]. 润滑油，2017，32（2）:58-64.

[4]中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB/T 8028—2010汽油机油换油指标[S].2010.

[5]中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB/T 8926—2012在用的润滑油不溶物测定法[S].2012.

[6]金理力，李桂云，张丙伍. 燃油稀释对润滑油的性能影响研究[J]. 润滑油，2013，28（6）:21-28.

[7]冯心凭，戴月菊，周毅. 用差示红外光谱法测定旧汽油机油中氧化值和硝化值[J]. 石油与天然气化工，2002，（3）:154-155.