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新型发动机挑战油品发展

2013-02-19   来源:润滑油情报网 网友评论 0

摘要:据预测,到2020年,市售新的小轿车中,有50%将配备汽油直喷式(GDI)或涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)技术的发动机。这些发动机具有动力强劲、体积小、集多种功能于一身的特点...

据预测,到2020年,市售新的小轿车中,有50%将配备汽油直喷式(GDI)或涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)技术的发动机。这些发动机具有动力强劲、体积小、集多种功能于一身的特点。

小型涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机的开发,是为了进一步提高发动机的功效和相关性能。由于世界各国政府制定的排放和燃油效率法规变得越来越严格,原始设备制造商们都在使用涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机技术。该技术与燃油喷射技术相比,可以提高燃油效率,减少二氧化碳排放量,同时保持或提高了动力输出和其他相关性能。

然而,汽油直喷式(GDI)或涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)技术的发动机也有负面影响——其运行温度比传统发动机要高很多,对润滑油的要求也非常严格。

较高的温度,往往伴随着较高的燃油稀释,从而会导致氧化、机油变稠、积碳和油泥沉积。研究表明,燃油的品质对涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机的稳定运行至关重要。当这些发动机引进到发展中国家时,需要特别关注这个问题。虽然在主要城市地区的燃料质量得到了很好的控制,在许多边远地区的质量仍是非常差的,包含大量的所谓的“重组分”和硫元素。与高品质的燃料相比,劣质燃料中的这些成分将会导致燃料稀释,并且产生酸性物质,造成燃料严重降解。

在这样的操作条件下,发动机内壁由于过热而引起严重的积碳,比如,那些在涡轮增压器的轴承室内形成的积碳会导致轴承失效。除了这些坚硬的沉积物,还有越来越多的氧化物形成了大量的油泥,导致机油滤清器和油道的堵塞。幸运的是,发动机油的配方中有很多秘密武器可以应对这些挑战。

 

直喷式发动机的优劣

在汽油直喷式(GDI)发动机中,汽油直接喷射到燃烧室,而不是通过进气道喷入。这种设计在动力和功效方面都优于传统燃油喷射方式。将涡轮增压技术应用到汽油直喷式发动机上,极大地提高了发动机的动力,减少了二氧化碳的排放量,提高了燃油经济性。

然而,采用直接喷射燃油的方式会导致部分燃油不能完全汽化,其结果是,汽油直喷式(GDI)发动机的尾气中非常细的颗粒状物质含量相对高一些。这些颗粒状物质会带来许多严重后果,基于对健康问题的关注,政府正在制定法规,严格限制汽油直喷式(GDI)发动机颗粒物的排放量。

事实上,将要出台的欧6燃料法规将限制汽油直喷式(GDI)发动机颗粒物的排放水平,如同柴油发动机需要使用颗粒捕集器一样,汽油发动机可能也需要。许多原始设备制造商相信他们通过改善燃烧状况,将能够满足新的立法要求。

即使立法限制得到满足,环保团体也呼吁汽油直喷式(GDI)发动机普遍采用颗粒捕集器。正如柴油发动机现在遇到的情况一样,如何处理这些捕集器中的颗粒物将成为一个较难解决的问题,并且需要使用低SAPS的油 ,即低硫酸盐灰分、低磷和低硫的油品。

第二个问题是,通过窜漏气体进入油中的微粒增加了发动机的磨损率。多家OEM厂商将燃油喷射变换为汽油直喷式(GDI)发动机时,已经发现了凸轮系磨损的问题。

第三个问题是,发动机的尺寸较小,扭矩很高,不可避免地导致轴承负荷增加。许多OEM厂商正在寻求通过降低润滑油的粘度,来改善燃油经济性和二氧化碳的排放量。但是,更低的粘度会给这些高负荷的轴承带来更大的风险。通过改进抗磨剂技术,可以使用低粘度发动机油来满足这种需要。

有一个让人困惑的问题是,涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机是低转速预点火(LSPI)发动机。这些发动机在高扭矩和低转速下工作的特点,对于驾驶员来说是很有价值的。但是发动机在某个转速/负荷区间运转的时候,就会发生预燃。在严重的情况下,低转速预点火(LSPI)发动机可能会损坏活塞,降低性能,降低燃油效率和增加排放。

人们正在进行调查,以确定发动机油和低转速预点火(LSPI)现象之间的关系。一些OEM厂商已经表示有兴趣参与调查,并尽量减少低转速预点火(LSPI)情况,汽车制造商已经在提议将其作为ILSAC GF-6汽油发动机油标准的性能参数。

 

润滑油面临的挑战

针对涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机与润滑油相关的问题,进行了大量的调查研究。在一项研究中,为了测试一个小的涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机如何产生油泥,采用了以前使用的欧洲汽车制造商协会(ACEA)的润滑油测试程序,类似于M111发动机产生油泥试验的测试周期。虽然涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机运行在一个略有不同的测试周期中,但是进气道燃料喷射发动机测试周期的苛刻性与本发动机是相似的,也更适合本发动机类型。

研究表明,涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机内润滑油发生氧化反应非常严重,粘度迅速增加的时间要比传统的进气道燃料喷射发动机中润滑油早得多。

从本次测试得出的一个结论是,行驶同样距离的道路,润滑油的状况对发动机的影响是致命的。通过使用氧化稳定性好的基础油和优异的添加剂能够大大改善这种情况。为了验证这个结论,测试采用一种低端润滑油和当前的一种高端润滑油来进行比较试验。

低端的是API SG级别的润滑油,这种油在技术上已经过时,但是在发展中国家的市场上仍然可以找到。当试验进行到约180小时,油的粘度迅速上升,油泥堵塞滤网时,过滤器的旁通阀打开,让未经过滤的发动机油流过阀通道。当发动机被拆检时,发现在油底壳和阀系区域内存在大量的油泥。

高端油是欧洲汽车制造商协会(ACEAA3/B4级别的润滑油,加入专用的、适合开发发展中国家市场的添加剂,主要是为了解决燃油品质不佳的问题。这种油提高了抗氧化剂、清净剂和分散剂的加量,期望减少油泥的沉积。在测试结束后,这种高端油产生的油泥评级接近于1010为清净级别。

对于轴承室内的润滑油来说,过热的气体在涡轮增压器内形成了一个非常恶劣的环境。这里可能是润滑油在整个发动机内存在的最苛刻的地方,润滑油的温度在短时间内就超过了350℃。

在这样的条件下,低端油会在涡轮轴和轴承上产生坚硬的积碳。这些积碳堆积的地方,导致轴与轴承之间粘连,而且许多硬颗粒跑到了润滑油中,促进了油泥的形成。

在同样条件下,高质量的润滑油再次显示出良好的性能。涡轮增压器轴和轴承都比较干净,供油孔也是洁净的,这样涡轮轴和轴承出现粘连的可能性就大大降低了。

 

应对品质不佳的燃油

涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机原始设备制造商主要关注的问题是,在发展中国家的城郊之间燃料质量差异很大。为了评估低质燃料在实际道路环境下所受的影响,某知名润滑油公司在中国杭州进行了行车试验,试验车是一辆中型车,安装了小型涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机,与测功机试验中使用的发动机相同。这条路线包含了城市道路、高速公路和山区道路。试验中使用质量低劣的燃料,在中国欠发达地区具有代表性。特别是,燃料包含了一些已知的重组分,在油底壳上很容易增加较多沉积物,并且可以加速发动机油的劣质化。

在这项试验中,最重要的目的是确定质量差的油变质的实际情况与发动机测功机上预测的结果是否相似。

在道路测试中,行驶约6000公里后,粘度开始增加,到了8000公里时,粘度迅速上升。检测结果显示,油质已经变坏了,在相同的过滤器上出现了堵塞的现象。油泥沉积的深度和广度与测功机试验中所看到的情况大致相同。

 

未来油品的状况

从这些调查中所获得的知识,极大地帮助了润滑油配方的改进。任何优质发动机油配制的关键是正确选择基础油。涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机使用的润滑油包含两个关键性参数,即高温下的氧化稳定性和挥发性。

这里需要重点关注API III类基础油,因为它们具有出色的成本效益优势,并且在全球范围内的供应商都广泛使用。其性能接近API IV类油-聚α烯烃基础油。

此外,通过改进添加剂技术可以解决润滑油面临的每个挑战。例如,抗氧化剂和清净剂良好地结合,能显著降低氧化物沉积的油泥;清净剂按比例混合,可以降低活塞上沉积物的形成。最后,经过优化的分散剂可以溶解油泥,防止其从润滑剂中分离出来。

然而,燃料稀释量取决于发动机设计和燃烧特性,一旦燃料进入润滑油中,良好的抗磨技术可以补偿燃料的稀释效应。另外,如果遇到燃料质量差,抗氧化剂和清净剂可以保持发动机的清洁。

如果未来排放法规和环境压力限定了颗粒捕集器的使用,润滑油中的灰分、磷和硫元素的含量必须限制到欧洲汽车制造商协会(ACEAC系列油品中所使用的类似水平。

最后,所有的化学物质需要被合并在一个均衡的配方中,包括适合的粘度指数改进剂。这是配方设计者配制不同成品油所具备的知识和技能。

 

发动机油行业和OEM动态

发动机油的行业规范通常要迟于最新采用的发动机类型在列表中所需的性能测试项目。然而,行业组织和个别原始设备制造商正在逐步认识到,基于旧发动机的测试不能保证现代涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机所需的保护。在欧洲汽车制造商协会(ACEA)系列油品中可以找到这样的一个例子,进行油泥测试使用的涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机是目前正在开发的产品。此外,一项涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机氧化/沉积物测试已经被提出,在涡轮轴承方面的沉积物情况是一个关键的参数。涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机试验也已经成为北美国家的油品规范。

个别原始设备制造商需要保护他们的发动机版本,几项涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机试验近来已经出现在OEM油品规格中。像中国这样的发展中市场,国内原始设备制造商通常依赖于行业标准规范,但他们也正在寻找符合自身特点的规格,包括他们的涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机技术的测试。

 

涡轮增压、汽油直喷式(TGDI)发动机有许多优点,并且得到广泛应用,特别是在燃油经济性和二氧化碳排放量方面表现得尤其突出,日益发展成为占主导地位的发动机。由于将这些发动机上存在的缺陷压力转嫁到润滑油上,因此,高品质润滑油为其提供必要的保护是必须的。润滑油和添加剂行业方面的专家与原始设备制造商密切合作,开发了下一代发动机油,来确保为这些高热、运行状况苛刻的发动机提供多年的清洁、高效和可靠的运行。


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