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。