發動機油換油周期評價試驗方法的設計應用 -模擬整車工況

劉團結，王兆遠，葉 輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司發動機公司，安徽 合肥 230601）

前言

機油是發動機的關鍵零部件，其規格影響發動機的經濟性、可靠性。機油需要定期保養，以保證良好的潤滑油效果。合適的保養周期既能保證發動機質量可靠，也能會客戶帶來良好的使用體驗，實現能源合理使用。因此，機油換油周期的評價、對換油周期的設定至關重要。

機油是否需要更換，需要從機油品質、發動機表征進行評價，當前的機油品質評價方式為對老化后機油進行理化檢測，評價其酸堿值、黏度、金屬元素含量等變化幅度，超過一定指標，機油需要更換；評價發動機運動副的磨損、發動機機械性能、動力性能變化，超過一定幅度需要更換機油。但目前對于機油換油周期的評價，大多以實際道路行車試驗為主，存在周期長、評價延遲等情況；或采用全速全負荷、交變負荷、熱沖擊等一般可靠性試驗搭載評價，臺架可靠性試驗過程的機油更換周期設定、臺架試驗時長與整車里程的對應關系多樣，對機油老化評價的針對性不足，不利于機油同發動機的同步開發。

本文研究整車工況特點，整車工況的發動機臺架映射，設計模擬整車工況的發臺架潤滑油評價方法，并進行實際評價、比對。

1 發動機油的老化評價

發動機油在發動機內不斷使用后逐漸老化，到達一定程度后不能滿足潤滑效果，以柴油機油為例，按照GB/T 7607—2010柴油機油換油指標，相關理化參數達到以下指標后需要更換潤滑油。

表1 柴油機油換油指標

對潤滑油進行老化評價，應能代表其使用環境的較普遍特性，影響其老化的邊界條件應全面、苛刻度合適。如：試驗時發動機轉速、扭矩等工況，應能代表、覆蓋客戶使用情況，機油溫度應能體現其實際使用時的溫度震蕩區間，各工況占比、機油溫度停留時間占比，應能夠既符合實際情況，又能有一定的安全系數。

臺架一般可靠性試驗可以實現對機油的搭載驗證，但受限于一般可靠性試驗的工況單一性、臺架試驗時長與整車里程的對應關系不明確等因素影響，臺架一般可靠性試驗對機油換油周期評價難以作為參考。

如圖1所示，同一機油在發動機臺架全速全負荷試驗搭載驗證，同時在所匹配整車進行實際道路試驗，從機油老化速度老看，設定的全速全負荷試驗每小時對應的整車里程不同，機油老化速度差異較大，且同實際整車道路試驗的老化情況的關聯性較差。

圖1 發動機全速全負荷試驗與實際道路試驗機油老化情況比對

因此，機油換油周期的發動機臺架評價，在映射整車使用工況時，還要對常用工況、機油隨發動機工況變化帶來的載荷變化進行考核，針對性增加安全裕度評價工況，在工況切換、工況循環方面，結合整車使用及發動機臺架情況設計[1]。

2 車輛使用情況研究

國家油耗、排放標準的測試方法部分，有標準工況循環，其工況占比具有廣泛代表性。以“GB T27840—2011重型商用車輛燃料消耗量測量方法”中的C-WTVC循環為參考，其工況分布如下：

表2 C-WTVC循環工況分布

進行工況設計時，主旨思想是車速（映射到發動機工況）具有代表性，范圍具有覆蓋性，設計一定的苛刻度（最高車速）。試驗時長對應車輛行駛里程。

3 試驗工況設定

選取各檔位常用、典型車速/工況，映射到發動機臺架工況，選取典型車速及設定循環內對應時長如表3所示。

表3 發動機油換油周期評價試驗工況

將每一車速工況映射到發動機工況，某發動機對應的臺架工況如表4所示。

表4 發動機油換油周期評價試驗工況

考慮實際使用道路及加速需要，對每工況負荷進行強化[2]，每工況對應的發動機扭矩提升至1.5倍（超出當前轉速全負荷下扭矩，擴展至此轉速下全負荷工況），考慮實際行車及臺架控制一致性，工況間的轉換時間設定為5秒。工況變化如圖2所示：

圖2 發動機油換油周期評價試驗工況

按此工況，市區占比33%，公路占比25%，高速占比42%。每循環60分鐘，平均車速80 km/h，可根據機油設計的換油周期進行試驗時長設定。本試驗方法設計時針對某款換油周期4萬公里機油，按照1.2倍安全系數，按模擬整車行駛4.8萬公里，試驗時長600小時。

基于相同的設計思路，汽油機參照NEDC等標準循環等，可以進行臺架模擬整車工況的設計、實踐。

4 試驗方法實施驗證

使用此試驗方法分別在某款2.7 L柴油發動機、1.5 L汽油發動機上進行機油老化評價，同時與兩款發動機匹配整車所進行的實際道路試驗（多路況）進行比對，確認機油的老化情況、老化速度，評價此試驗方法的有效性。

4.1 柴油機油老化評價效果

在某款2.7 L發動機上進行了某款CI-4 15W-40柴油機油的臺架模擬整車工況試驗評價，從試驗過程記錄數據可以確認，試驗方法過渡時間、穩定時間、工況設定合理，可以正常實現。試驗過程中工況變化符合預期，機油溫度、機油壓力震蕩符合預期。

運行600小時，發動機轉速、扭矩轉換良好，達到了模擬整車多工況行車，較頻繁切換車速的目的，發動機轉速、扭矩的切換，達到了對機油承受載荷變化的目的。發動機扭矩在0～330 Nm切換，達到了機油在較大負荷下運行老化的目的。

圖3 發動機油換油周期評價工況變化

圖4 發動機油換油周期評價機油溫度、壓力變化

運行600小時，大部分時間機油溫度在80～110 ℃之間震蕩，符合常用溫度區間狀態（停機保養、檢查等正常狀態下，機油溫度會降低到環境溫度，與實際車輛使用時停機再啟動到行駛狀態、溫度上升到常用區間，較符合）。機油壓力穩定在設計區間高位，間接表征機油承受較大載荷，機油具備600小時模擬整車道路試驗的持續評價。

試驗后對機油進行理化分析，確認機油老化情況，同時比對實際道路行車試驗的機油老化情況，衡量機油的壽命，同時對臺架模擬試驗方法進行有效性評價[3]。

機油堿值間接表征機油內添加劑的消耗情況，隨著機油內添加劑的不斷消耗，堿值表征為持續下降，下降到一定幅度，機油的清凈分散性能、抗磨損性能等下降到一定幅度，需要更換。

圖5可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的變化趨勢，臺架試驗具有更好的苛刻度。機油通過600小時試驗、模擬行駛4.8萬公里，經過4.2萬公里實際道路試驗，堿值下降幅度均小于50%，仍具備較好的使用性能，表明此款發動機所開發評定的機油能夠滿足發動機使用要求，4萬公里換油周期的設定較合理。

圖5 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油堿值

機油黏度是形成流體潤滑的關鍵指標，機油因使用時受剪切載荷作用，黏度會下降，同時受氧化等因素影響，黏度會增加。機油黏度在機油使用過程中，一般會出現先迅速下降、逐漸平穩緩慢下降的趨勢。一般認為機油黏度變化幅度超過20%，機油性能衰減嚴重，需要更換。

從圖6可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的黏度變化趨勢，機油黏度下降幅度均未超過20%。同時因臺架試驗進行了苛刻度加權，機油的下降速度、最終黏度下降幅度，相對整車試驗均較苛刻，表明臺架模擬整車試驗方法具有工程應用條件。

圖6 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油黏度

機油使用效果的評價還需要立足于發動機的磨損、性能變化。機油在使用過程中會攜帶運動副表面的金屬元素，機油內金屬元素的含量，在一定程度上表征了發動機的磨損。一般認為機油內鐵、鋁、銅等元素含量增加大某一限值，發動機的磨損速度及機油地承載能力達到要求，需要更換。

從圖7可以確認，臺架模擬試驗與整車試驗具有相似的 金屬元素含量變化趨勢，同時因臺架試驗進行了苛刻度加權，臺架試驗機油內的金屬元素含量稍多，表明臺架模擬整車試驗方法具有工程應用條件。

圖7 臺架模擬試驗、道路行車試驗機油老化 趨勢比對－機油內金屬元素含量

4.2 汽油機油老化評價效果

在某款1.5L發動機上進行了某款SN 5W-30汽油機油的臺架模擬整車工況試驗評價，從試驗過程、試驗結果的數據比對分析，此臺架模擬整車道路評價方法，同樣具有很好的符合性。

圖8 某汽油機臺架模擬試驗、道路行車試驗機油 老化趨勢比對－機油內堿值、鐵元素含量

5 結論

機油與發動機的同步開發至關重要，專用機油、自主標準機油的開發、針對性試驗方法的開發逐漸在業內形成共識。使用發動機臺架試驗方法對機油進行評價，優勢明顯，通過工程實踐比對的方法更有指導意義。機油的老化因素較多，在臺架試驗時可以通過對機油溫度變化、發動機工況變化、發動機負荷轉化速度、循環內工況順序及切換方式等進行設計調整，達到實際評定效果。在機油壽命周期評價方法建設中，可以針對以上因素進行方法研究設計及實際評價比對，不斷更新優化自主試驗方法。