新型發(fā)動機挑戰(zhàn)油品發(fā)展
2013-02-19 來源:潤滑油情報網(wǎng)
據(jù)預(yù)測,到2020年,市售新的小轎車中,有50%將配備汽油直噴式(GDI)或渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)技術(shù)的發(fā)動機。這些發(fā)動機具有動力強勁、體積小、集多種功能于一身的特點。
小型渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機的開發(fā),是為了進一步提高發(fā)動機的功效和相關(guān)性能。由于世界各國政府制定的排放和燃油效率法規(guī)變得越來越嚴(yán)格,原始設(shè)備制造商們都在使用渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機技術(shù)。該技術(shù)與燃油噴射技術(shù)相比,可以提高燃油效率,減少二氧化碳排放量,同時保持或提高了動力輸出和其他相關(guān)性能。
然而,汽油直噴式(GDI)或渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)技術(shù)的發(fā)動機也有負面影響——其運行溫度比傳統(tǒng)發(fā)動機要高很多,對潤滑油的要求也非常嚴(yán)格。
較高的溫度,往往伴隨著較高的燃油稀釋,從而會導(dǎo)致氧化、機油變稠、積碳和油泥沉積。研究表明,燃油的品質(zhì)對渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。當(dāng)這些發(fā)動機引進到發(fā)展中國家時,需要特別關(guān)注這個問題。雖然在主要城市地區(qū)的燃料質(zhì)量得到了很好的控制,在許多邊遠地區(qū)的質(zhì)量仍是非常差的,包含大量的所謂的“重組分”和硫元素。與高品質(zhì)的燃料相比,劣質(zhì)燃料中的這些成分將會導(dǎo)致燃料稀釋,并且產(chǎn)生酸性物質(zhì),造成燃料嚴(yán)重降解。
在這樣的操作條件下,發(fā)動機內(nèi)壁由于過熱而引起嚴(yán)重的積碳,比如,那些在渦輪增壓器的軸承室內(nèi)形成的積碳會導(dǎo)致軸承失效。除了這些堅硬的沉積物,還有越來越多的氧化物形成了大量的油泥,導(dǎo)致機油濾清器和油道的堵塞。幸運的是,發(fā)動機油的配方中有很多秘密武器可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
直噴式發(fā)動機的優(yōu)劣
在汽油直噴式(GDI)發(fā)動機中,汽油直接噴射到燃燒室,而不是通過進氣道噴入。這種設(shè)計在動力和功效方面都優(yōu)于傳統(tǒng)燃油噴射方式。將渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用到汽油直噴式發(fā)動機上,極大地提高了發(fā)動機的動力,減少了二氧化碳的排放量,提高了燃油經(jīng)濟性。
然而,采用直接噴射燃油的方式會導(dǎo)致部分燃油不能完全汽化,其結(jié)果是,汽油直噴式(GDI)發(fā)動機的尾氣中非常細的顆粒狀物質(zhì)含量相對高一些。這些顆粒狀物質(zhì)會帶來許多嚴(yán)重后果,基于對健康問題的關(guān)注,政府正在制定法規(guī),嚴(yán)格限制汽油直噴式(GDI)發(fā)動機顆粒物的排放量。
事實上,將要出臺的歐6燃料法規(guī)將限制汽油直噴式(GDI)發(fā)動機顆粒物的排放水平,如同柴油發(fā)動機需要使用顆粒捕集器一樣,汽油發(fā)動機可能也需要。許多原始設(shè)備制造商相信他們通過改善燃燒狀況,將能夠滿足新的立法要求。
即使立法限制得到滿足,環(huán)保團體也呼吁汽油直噴式(GDI)發(fā)動機普遍采用顆粒捕集器。正如柴油發(fā)動機現(xiàn)在遇到的情況一樣,如何處理這些捕集器中的顆粒物將成為一個較難解決的問題,并且需要使用低SAPS的油 ,即低硫酸鹽灰分、低磷和低硫的油品。
第二個問題是,通過竄漏氣體進入油中的微粒增加了發(fā)動機的磨損率。多家OEM廠商將燃油噴射變換為汽油直噴式(GDI)發(fā)動機時,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了凸輪系磨損的問題。
第三個問題是,發(fā)動機的尺寸較小,扭矩很高,不可避免地導(dǎo)致軸承負荷增加。許多OEM廠商正在尋求通過降低潤滑油的粘度,來改善燃油經(jīng)濟性和二氧化碳的排放量。但是,更低的粘度會給這些高負荷的軸承帶來更大的風(fēng)險。通過改進抗磨劑技術(shù),可以使用低粘度發(fā)動機油來滿足這種需要。
有一個讓人困惑的問題是,渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機是低轉(zhuǎn)速預(yù)點火(LSPI)發(fā)動機。這些發(fā)動機在高扭矩和低轉(zhuǎn)速下工作的特點,對于駕駛員來說是很有價值的。但是發(fā)動機在某個轉(zhuǎn)速/負荷區(qū)間運轉(zhuǎn)的時候,就會發(fā)生預(yù)燃。在嚴(yán)重的情況下,低轉(zhuǎn)速預(yù)點火(LSPI)發(fā)動機可能會損壞活塞,降低性能,降低燃油效率和增加排放。
人們正在進行調(diào)查,以確定發(fā)動機油和低轉(zhuǎn)速預(yù)點火(LSPI)現(xiàn)象之間的關(guān)系。一些OEM廠商已經(jīng)表示有興趣參與調(diào)查,并盡量減少低轉(zhuǎn)速預(yù)點火(LSPI)情況,汽車制造商已經(jīng)在提議將其作為ILSAC GF-6汽油發(fā)動機油標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)。
潤滑油面臨的挑戰(zhàn)
針對渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機與潤滑油相關(guān)的問題,進行了大量的調(diào)查研究。在一項研究中,為了測試一個小的渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機如何產(chǎn)生油泥,采用了以前使用的歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)的潤滑油測試程序,類似于M111發(fā)動機產(chǎn)生油泥試驗的測試周期。雖然渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機運行在一個略有不同的測試周期中,但是進氣道燃料噴射發(fā)動機測試周期的苛刻性與本發(fā)動機是相似的,也更適合本發(fā)動機類型。
研究表明,渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機內(nèi)潤滑油發(fā)生氧化反應(yīng)非常嚴(yán)重,粘度迅速增加的時間要比傳統(tǒng)的進氣道燃料噴射發(fā)動機中潤滑油早得多。
從本次測試得出的一個結(jié)論是,行駛同樣距離的道路,潤滑油的狀況對發(fā)動機的影響是致命的。通過使用氧化穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)油和優(yōu)異的添加劑能夠大大改善這種情況。為了驗證這個結(jié)論,測試采用一種低端潤滑油和當(dāng)前的一種高端潤滑油來進行比較試驗。
低端的是API SG級別的潤滑油,這種油在技術(shù)上已經(jīng)過時,但是在發(fā)展中國家的市場上仍然可以找到。當(dāng)試驗進行到約180小時,油的粘度迅速上升,油泥堵塞濾網(wǎng)時,過濾器的旁通閥打開,讓未經(jīng)過濾的發(fā)動機油流過閥通道。當(dāng)發(fā)動機被拆檢時,發(fā)現(xiàn)在油底殼和閥系區(qū)域內(nèi)存在大量的油泥。
高端油是歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)A3/B4級別的潤滑油,加入專用的、適合開發(fā)發(fā)展中國家市場的添加劑,主要是為了解決燃油品質(zhì)不佳的問題。這種油提高了抗氧化劑、清凈劑和分散劑的加量,期望減少油泥的沉積。在測試結(jié)束后,這種高端油產(chǎn)生的油泥評級接近于10,10為清凈級別。
對于軸承室內(nèi)的潤滑油來說,過熱的氣體在渦輪增壓器內(nèi)形成了一個非常惡劣的環(huán)境。這里可能是潤滑油在整個發(fā)動機內(nèi)存在的最苛刻的地方,潤滑油的溫度在短時間內(nèi)就超過了350℃。
在這樣的條件下,低端油會在渦輪軸和軸承上產(chǎn)生堅硬的積碳。這些積碳堆積的地方,導(dǎo)致軸與軸承之間粘連,而且許多硬顆粒跑到了潤滑油中,促進了油泥的形成。
在同樣條件下,高質(zhì)量的潤滑油再次顯示出良好的性能。渦輪增壓器軸和軸承都比較干凈,供油孔也是潔凈的,這樣渦輪軸和軸承出現(xiàn)粘連的可能性就大大降低了。
應(yīng)對品質(zhì)不佳的燃油
渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機原始設(shè)備制造商主要關(guān)注的問題是,在發(fā)展中國家的城郊之間燃料質(zhì)量差異很大。為了評估低質(zhì)燃料在實際道路環(huán)境下所受的影響,某知名潤滑油公司在中國杭州進行了行車試驗,試驗車是一輛中型車,安裝了小型渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機,與測功機試驗中使用的發(fā)動機相同。這條路線包含了城市道路、高速公路和山區(qū)道路。試驗中使用質(zhì)量低劣的燃料,在中國欠發(fā)達地區(qū)具有代表性。特別是,燃料包含了一些已知的重組分,在油底殼上很容易增加較多沉積物,并且可以加速發(fā)動機油的劣質(zhì)化。
在這項試驗中,最重要的目的是確定質(zhì)量差的油變質(zhì)的實際情況與發(fā)動機測功機上預(yù)測的結(jié)果是否相似。
在道路測試中,行駛約6000公里后,粘度開始增加,到了8000公里時,粘度迅速上升。檢測結(jié)果顯示,油質(zhì)已經(jīng)變壞了,在相同的過濾器上出現(xiàn)了堵塞的現(xiàn)象。油泥沉積的深度和廣度與測功機試驗中所看到的情況大致相同。
未來油品的狀況
從這些調(diào)查中所獲得的知識,極大地幫助了潤滑油配方的改進。任何優(yōu)質(zhì)發(fā)動機油配制的關(guān)鍵是正確選擇基礎(chǔ)油。渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機使用的潤滑油包含兩個關(guān)鍵性參數(shù),即高溫下的氧化穩(wěn)定性和揮發(fā)性。
這里需要重點關(guān)注API III類基礎(chǔ)油,因為它們具有出色的成本效益優(yōu)勢,并且在全球范圍內(nèi)的供應(yīng)商都廣泛使用。其性能接近API IV類油-聚α烯烴基礎(chǔ)油。
此外,通過改進添加劑技術(shù)可以解決潤滑油面臨的每個挑戰(zhàn)。例如,抗氧化劑和清凈劑良好地結(jié)合,能顯著降低氧化物沉積的油泥;清凈劑按比例混合,可以降低活塞上沉積物的形成。最后,經(jīng)過優(yōu)化的分散劑可以溶解油泥,防止其從潤滑劑中分離出來。
然而,燃料稀釋量取決于發(fā)動機設(shè)計和燃燒特性,一旦燃料進入潤滑油中,良好的抗磨技術(shù)可以補償燃料的稀釋效應(yīng)。另外,如果遇到燃料質(zhì)量差,抗氧化劑和清凈劑可以保持發(fā)動機的清潔。
如果未來排放法規(guī)和環(huán)境壓力限定了顆粒捕集器的使用,潤滑油中的灰分、磷和硫元素的含量必須限制到歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)C系列油品中所使用的類似水平。
最后,所有的化學(xué)物質(zhì)需要被合并在一個均衡的配方中,包括適合的粘度指數(shù)改進劑。這是配方設(shè)計者配制不同成品油所具備的知識和技能。
發(fā)動機油行業(yè)和OEM動態(tài)
發(fā)動機油的行業(yè)規(guī)范通常要遲于最新采用的發(fā)動機類型在列表中所需的性能測試項目。然而,行業(yè)組織和個別原始設(shè)備制造商正在逐步認(rèn)識到,基于舊發(fā)動機的測試不能保證現(xiàn)代渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機所需的保護。在歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)系列油品中可以找到這樣的一個例子,進行油泥測試使用的渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機是目前正在開發(fā)的產(chǎn)品。此外,一項渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機氧化/沉積物測試已經(jīng)被提出,在渦輪軸承方面的沉積物情況是一個關(guān)鍵的參數(shù)。渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機試驗也已經(jīng)成為北美國家的油品規(guī)范。
個別原始設(shè)備制造商需要保護他們的發(fā)動機版本,幾項渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機試驗近來已經(jīng)出現(xiàn)在OEM油品規(guī)格中。像中國這樣的發(fā)展中市場,國內(nèi)原始設(shè)備制造商通常依賴于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,但他們也正在尋找符合自身特點的規(guī)格,包括他們的渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機技術(shù)的測試。
渦輪增壓、汽油直噴式(TGDI)發(fā)動機有許多優(yōu)點,并且得到廣泛應(yīng)用,特別是在燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放量方面表現(xiàn)得尤其突出,日益發(fā)展成為占主導(dǎo)地位的發(fā)動機。由于將這些發(fā)動機上存在的缺陷壓力轉(zhuǎn)嫁到潤滑油上,因此,高品質(zhì)潤滑油為其提供必要的保護是必須的。潤滑油和添加劑行業(yè)方面的專家與原始設(shè)備制造商密切合作,開發(fā)了下一代發(fā)動機油,來確保為這些高熱、運行狀況苛刻的發(fā)動機提供多年的清潔、高效和可靠的運行。
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