汽油机油的发展及应对措施

李桂云, 汪利平,金理力, 范闯, 徐瑞峰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

汽油机油的发展及应对措施

李桂云, 汪利平,金理力, 范闯, 徐瑞峰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

随着环保要求的提高，涡轮增压直喷技术(TGDI)在汽油机中得到广泛应用，涡轮增压可以提高发动机的热效率和动力性，直喷技术有利于提高压缩比、实现稀薄燃烧和降低发动机油耗改进排放的特点。从2016年中国芯发动机技术评选结果中可以看到，12款发动机中有11款采用了增压或直喷技术；同时TGDI技术的应用也带来低速早燃和正时链磨损新问题，并且在清净性要求上进一步提高；欧6排放规格的实施，对燃油经济性也提出了更加苛刻的要求，为满足新的排放法规，GF-6汽油机油标准正在测试和发展当中。为满足GF-6标准及TGDI发动机的要求，提出在润滑油配方中的应对措施。

GF-6； TGDI ；低速早燃；正时链磨损； 燃油经济性

1 新一代汽油机油的要求

新一代汽油机油规格GF-6从2015年开始进行新实验程序的开发，经过矩阵测试、各指标的限值判定、技术讨论、限值的完成、API等待期等程序，最早可能在2018年底进行认证发放。

同GF-5相比，既有全新的性能要求，也有比GF-5性能有所提升，同时还有保持与GF-5原有性能相当的性能要求，主要变化见表1。GF-6与GF-5发动机台架试验的变化见表2。

表1(续)

表2 GF-6与GF-5发动机台架试验的变化

GF-6 规格中增加了2个新的发动机试验，升级4个发动机试验，另外，除GF-5规格中包含的5个黏度级别外，GF-6增加了低黏度0W-16级别的油品。

新增加的2个发动机试验LSPI低速早燃试验和正时链磨损试验，采用的同为2012款2.0 ECOBOOST涡轮增压直喷发动机，其试验参数见表3、表4，通过限值还在测试发展当中。

表3 LSPI试验参数

表4 正时链磨损试验参数

MS程序ⅢH取代ⅢG，发动机升级为克莱斯勒2015 3.6 L PentaStarV6，试验温度由150 ℃提高到151 ℃，试验时间由100 h缩短为90 h，试验限值40 ℃黏度增长由原来的小于150%降低为小于100%，发动机活塞清净性评分由大于4.0提高至大于5.0，整体试验苛刻度提高50%。

MS程序ⅤH替代ⅤG，测试循环、试验时间与ⅤG相同，但在试验中提高了苛刻度，引入3%的烟炱，燃油稀释10%～15%，试验限值发动机油泥评分由大于8.0提高到大于9.0，摇臂罩油泥评分由大于8.3提高到大于9.0，发动机漆膜评分由大于8.9提高到大于9.2，试验苛刻度提高约25%。

MS程序ⅣB将会取代ⅣA，发动机由NISSAN KA24E升级为TOYOTA 2NR-FE 1.5 L，试验时间由100 h延长至200 h，通过限值不变仍为阀系平均磨损小于90 μm。由于再现性问题，试验仍在测试当中。

MS程序ⅥD会被ⅥE和ⅥF两个程序取代，ⅥE为原来5 个黏度级别油品的测定方法，ⅥF是针对低黏度0W-16油品而开发的方法。测试程序、发动机没有变化，ⅥE 试验时间延长为125 h，ⅥF仍处于矩阵测试中。试验通过限值有较大变化，见表5。

表5 燃油经济性试验通过限值

2 低速早燃的应对

低速早燃现象属于表面自燃着火，是混合气在火花塞点火燃烧之前产生的不正常燃烧 ，一般发生在低转速(<3000 r/min)及高负荷(BMEP>1.0 MPa)的情况下，并且具有极强的随机性和偶发性，也被称为超级爆震, 低速早燃都是发生在燃烧室内排气门或积炭严重处，处于高温炽热状态引起的，早燃产生在压缩行程，早燃比点火提前角大，它的危害较大，能够造成火花塞电极熔断、活塞环断裂、连杆弯曲，严重时可以导致缸体破裂，损害发动机。

缸内直喷结合增压技术(TGDI)是降低发动机油耗的最有前景方案之一，但低速早燃现象比较严重，发生低速早燃主要与发动机设计有关，它与喷油策略、空燃比、最高燃烧压力有很大的关系[1]，通过优化发动机燃烧室结构可以减少因结构热点引起的早燃。润滑油也是影响低速早燃的一个因素之一，对于润滑油影响低速早燃的研究机理，目前还没有一个统一的说法，比较认可的是机油液滴或机油-燃油混合物液滴，和颗粒物可能在燃烧室成为热点，引发早燃[2-3]。

关于润滑油对低速早燃的影响:

文献[4]选用不同类型的发动机油在一台增压直喷汽油机上进行台架试验，分别从基础油、抗氧剂及硫酸盐灰分三方面研究发动机机油对早燃的影响。研究结果表明：发动机油的基础油类型、抗氧剂及硫酸盐灰分含量对增压直喷发动机低速随机早燃的形成具有显著影响，采用合适的基础油、添加抗氧剂或降低硫酸盐灰分含量均有助于减少低速早燃的发生。

文献[5]更换不同机油，改变空燃比及压缩比进行试验，结果表明，高性能机油能够降低早燃频次，加浓空燃比对降低早燃频次影响非常明显，但也会严重影响发动机的油耗和排放水平，早燃频次越小，机油消耗越高。改变压缩比对早燃无影响。如美孚1000和美孚1号对比，美孚1号的早燃现象少，2000 r/min、1800 r/min下两者的早燃频次分别为79和23，139和26，低速下更为明显。 0.95、0.85、0.8、0.75空燃比2000 r/min下早燃频次分别为33、15、10、0，油耗分别为268 g/kW·h、295 g/kW·h、320 g/kW·h、342 g/kW·h。压缩比为9.3 r/min、9.6 r/min、10 r/min，2000 r/min、1800 r/min两者的早燃频次为23、36、38及45、35、32，影响不大。

添加剂对早燃的影响非常明显，清净剂的金属离子是非常重要的影响因素。

2.1 清净剂体系对低速早燃和燃料经济性的影响

文献[6]研究了钙含量对低速早燃的影响,见图1、图2、图3。

图1 金属清净剂对低速早燃的影响

图2 金属清净剂中不同Ca、Mg含量对低速早燃的影响

图1是配方中Ca元素对低速早燃的影响，随着配方中Ca增加，低速早燃趋势明显增大。

图2是钙、镁对低速早燃的影响(油A、B、C、D、E的Ca、Mg含量分别为100，80，60，40，0；0，20，40，60，100)，随着镁含量的提高，低速早燃明显改善，但燃油经济性变差(见图3)。

图3 金属清净剂对燃油经济性的影响

图3是全钙配方A与全镁配方E与燃油经济性的试验结果，全镁配方的燃油经济性只有全钙配方的10%，低速早燃和燃油经济性必须要平衡考虑。

文献[7]在全配方中研究了钙、镁复配体系对低速早燃和BRT锈蚀性能的影响,见表6,表7、图4、图5、图6。试验结果表明，随着钙含量的降低、镁含量的提高，低速早燃倾向降低；镁盐体系的碱值高、金属含量高，其低速早燃倾向低，BRT的灰度也越高，低碱值磺酸钙不能通过BRT试验，配方应同时考虑各性能的平衡。

表6 样品性质

项 目 油D油F油G油H油I油J清净剂类型磺酸钙磺酸镁磺酸钙磺酸镁磺酸钙+磺酸镁水杨酸镁Ca含量/%0.1200.1800.110Mg含量/%00.1100.180.070.18Mo含量/%0.020.020.020.020.020.02Ca+Mg/mmol·kg-1304545745674TBN/mgKOH·g-15.57.57.210.68.811.0

图5 LSPI结果

图6 BRT 结果

文献[8]用GM2.0LI4 TGDI发动机详细研究了高、中、低碱值清净剂对LSPI的影响,见表8、图7，结果表明,降低钙含量可以有效降低低速早燃趋势(BL-LOW、油1、油2)；磺酸镁低速早燃倾向好于水杨酸钙的又好于相同钙含量的烷基酚钙(BL-LOW、油3、油4、油5)；在相同碱值水平下磺酸钙、烷基酚钙复配的低速早燃趋势大于高、中低磺酸钙复配的油品(BL-LOW、油6、油7、油8)；高碱值的磺酸钙、磺酸钠复配低速早燃趋势大于高碱磺酸钙与中低碱值磺酸钠的油品(BL-LOW、油10、油11)。

表8 清净剂体系

表8(续)

图7 清净剂体系对LSPI的影响

2.2 其他添加剂对低速早燃和燃油经济性的影响[6]

改变添加剂的体系，考察其他添加剂对低速早燃性能的影响，见表9、图8、图9。

表9 添加剂的变化

图8 添加剂对低速早燃的影响

图9 添加剂对燃油经济性的影响

表9是添加剂的变化情况，图8是添加剂对低速早燃的影响，图9是添加剂对燃油经济性的影响，可以看出添加剂影响低速早燃性能，对低速早燃和燃油经济性是相反的两种结果，配方必须平衡两种性能的要求。

3 燃油经济性的应对

提高燃油经济性是汽车业和润滑油业永恒的一个主题，改进发动机设计如汽车小型化，阿特金森循环、废气再循环、可变压缩比、稀燃等提高热效率，表面涂层、可变油泵、低摩擦油降低摩擦损失，可变正时、水冷中冷减少泵气损失，先进热管理、电子节温器减少传热损失，涡轮增压、废气能量回收降低排气损失等措施大大提高了经济性。

通过润滑油降低燃油消耗，提高经济性，主要是利用其性能降低摩擦损失发挥作用。

发动机运动部件有三种润滑摩擦形式，一是流体动力润滑，这时运动部件有足够的间隙，润滑液黏度是影响润滑的关键，二是边界润滑，是由液体摩擦过渡到干摩擦(摩擦副表面直接接触)过程之前的临界状态。此时润滑油的总体黏度特性没有发挥作用，这时决定摩擦表面之间摩擦学性质的是润滑剂和表面之间的相互作用及所生成的边界膜的性质。三是混合润滑，这时混合润滑状态是边界润滑、薄膜润滑、流体动力润滑等的共同组合。所以针对不同的润滑形式，润滑液配方在改善燃油经济性方面有不同的对策。

对于MS程序ⅥA讲，发动机试验中85%是流体动力润滑状态，因此油品的黏度是影响燃油经济性的关键因素，降低黏度即可有效的改进燃油经济性。而对于程序ⅥD来讲，流体动力润滑仅占13%，边界润滑占45%，混合润滑占42%，改进边界润滑和薄膜润滑成为关键因素。因此，随着油品质量的升级，苛刻润滑比例提高，添加剂成为解决燃油经济性的重点。

4 结束语

(1)新一代发动机油增加了低速早燃和正时链磨损两项性能评价，并且在氧化稳定性、活塞清净性和燃油经济性等性能上有所提升。

(2)清净剂金属离子、清净剂体系和添加剂组分是影响低速早燃性能的重要因素。

(3)基础油和添加剂影响着燃油经济性，不同的试验有不同的润滑形式，高性能油品边界润滑比例提高，添加剂的影响更加明显。

(4)低速早燃和燃油经济性互为矛盾，复合剂配方要注意平衡两个性能的关系，同时要平衡好与其他性能如BRT的关系。

[1] 白云龙，马为，张小燕,等.增压直喷汽油机喷油策略对低速早燃的影响研究[J].内燃机工程, 2015，36(4)：62-65.

[2] Dahnz C.Investigation on Pre-Ignition in Highly Supercharged SI Engines[J].SAE int,JEngines,2010,3(1):214-224.

[3] Izumi Y.Optical Analysis of Low-Speed Pre-Ignition on Highly Boosted SI Engine[C]. JSAE Annual Congress，20145032：276.

[4] 杨友文，周舟，刘红美,等.发动机油对增压直喷汽油机低速随机早燃的影响[J].内燃机工程, 2015,36(4): 58-61.

[5] 乔佳伟，王义夫，王继波,等.增压直喷汽油发动机早燃现象改善的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2014,43(6)：43-47.

[6] 满足抑制低速早燃要求的油品在燃油经济性方面的表现[C].雅富顿添加剂公司，2016.

[7] Ko Onodera, Tomohiro Kato. Engine Oil Formulation Technology to Prevent Pre-Ignition in Turbocharged Direct Injection Spark ignition Engines[C]. JSAE 20159071,SAE 2015-01-2027.

[8] Kristin A Fletcher, LisaDingwell, Kongsheng Yang ,et al .Engine Oil Additive Impacts on Low Speed Pre-Ignition[C]. SAE Technical paper ,2016-01-2277: 612-620.

Development and Solutions of Gasoline Engine Oil

LI Gui-yun, WANG Li-ping, JIN Li-li, FAN Chuang, XU Rui-feng

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

With the improvement of environmental protection, turbocharged gasoline direct injection (TGDI) technology has been widely used in gasoline engines. The technology of turbo-charge can effectively improve the engine' s thermal efficiency and power performance. In addition, the technology of gasoline direct injection is conducive not only to improve the engine' s compression ratio, but also to realize rarefied combustion and effectively improve fuel efficiency and reduce emissions. According to the results of China top 10 best engine' s technology list for 2016, there are 11 kinds of engines with the TGDI technology in the total 12 engines. Meanwhile，for TGDI engines, some challenging problems are low speed pre-ignition (LSPI), timing chain wear and excellent high temperature cleanliness. The implementation of Euro 6 emission specifications requires engines to meet tighter standards for fuel efficiency. For the new emission regulations, GF-6 gasoline engine oil specification are testing and developing. In order to meet the GF-6 specification and the requirements of TGDI engine, some countermeasures of engine oil formulation are proposed.

GF-6; TGDI; low speed pre-ignition; timing chain wear; fuel efficiency

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.04.001

1002- 3119(2017)04- 0001- 05

TE626.32

A

2017-02-09。

李桂云，高级工程师，1986年毕业于华东理工大学(原华东化工学院)，1999年获石油大学(北京)硕士学位，从事汽油机油研究近30年，发表文章多篇。E-mail：liguiyun_rhy@petrochina.com.cn