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涡轮增压+缸内直喷发动机将是润滑油的巨大挑战

涡轮增压缸内直喷技术(TGDI)可以改善燃油经济性,降低二氧化碳排放的同时,提高动力输出和发动机性能。预计到2020年,全世界新售轿车中大约有50%都会使用缸内直喷(GDI)或者涡轮增压缸内直喷(TGDI)技术。该技术的优点是提高发动机能量密度,缺点是发动机运转温度更高,更加强硬,使得机油需要面对更多的挑战。

高温经常伴随着高汽油稀释,会导致机油氧化,粘度增加,沉淀物和胶质增加的问题。研究表明汽油质量对TGDI发动机的运行非常关键,尤其在发展中国家。城市内汽油质量能得到有效控制,但广大农村地区经常出现高重质成分和高硫汽油,这会导致更多的汽油稀释机油和机油酸化现象。

上图:TGDI发动机对比普通发动机的机油粘度变化

在正常工作条件下,沉淀物会形成为发动机内高温表面,尤其是涡轮增压器内,除了沉淀物之外,氧化产生的胶质会堵塞机油滤清器和油道。幸运的是,机油生产商具有解决这些问题的武器。

GDI的缺点

部分进入气缸的汽油不能充分气化,导致尾气中含有相对较高的细微颗粒物,对健康有害,政府将对GDI发动机要求更严格的排放要求。欧六排放标准中将要求GDI发动机使用颗粒物过滤器,和现在柴油发动机一样。汽车厂商认为,他们可以通过改进燃烧达到排放标准,但环保组织呼吁,即使这些GDI发动机达到排放标准,也必须全部强制配备颗粒物过滤器。如此的话,灰分导致过滤器堵塞又将成为一个新的问题,必须使用低SAPS的润滑油,低硫,低磷和低硫酸盐(ACEA C3 标准),和柴油发动机一样。

另外一个问题是,窜气进入机油后导致的磨损增加。大量的汽车上都应认识到了,切换到GDI发动机后,曲轴-链条的磨损加剧。

第三,高扭矩和小体积的组合不可避免的会增加轴承负荷。汽车厂都在尝试降低机油粘度来提高燃油经济性,但低粘度给高负荷的轴承带来风险。低粘度机油将需要改良过的抗磨损添加技术。

另外一个到目前为止还没完全明白形成机制的问题是TGDI发动机在低转速时容易预燃(LSPI),类似于提前点火。科研人员在试图找出机油和预燃之间的关联。防止预燃能力可能会作为重要指标出现在ILSAC GF-6标准中。

对润滑油的挑战

试验表明,TGDI发动机上的机油氧化速度快于普通自然吸气式发动机,并且出现的更早。因此需要抗氧化能力更强的添加剂和基础油。为了验证这个结论,对比了API SG和 ACEA A3/B4的两种机油,经过180小时发动机台架试验,SG机油产生的胶质堵塞的机滤,使得机滤泄压阀打开,将发动机拆机后拍摄得到以下图片。ACEA A3/B4机油同样条件下测试,胶质沉淀物率得分为满分。

上图:右上SG机油,右下ACEA A3/B4机油

上图:两种机油在涡轮增压器轴承上积碳对比

涡轮增压轴承需要耐受非常高的温度,可能在整个发动机内,是对机油要求最严苛的地方,通常温度可以达到350摄氏度以上。低级别润滑油在这样的温度下会产生坚硬的碳沉淀物,沉淀物将会导致轴承的严重磨损。

TGDI发动机另外一个比较担心的问题是汽油质量,进行了测试,选择使用和上述试验同样的中型车辆进行混合路况条件下的测试,选择使用能代表中国广大落后地区汽油质量的汽油,为了验证低级别润滑油在试验室中表现出的对发动机的影响,在中国的道路测试中也选择了同样级别的润滑油。结果表明,道路行驶6000公里以后机油粘度开始上升,并且在8000公里以后急速上升。检查表明,车内机油已经失效,同样发生了机油滤清器堵塞的情况。发动机内积碳和胶质与实验室测试结果完全吻合。

未来的车用润滑油

从各种实验中获得的数据有助于改良润滑油配方,对于任何润滑油来说,质量首先取决于基础油。适合TGDI发动机的机油有两个重要指标,高温下氧化稳定性和挥发性。

润滑油企业和汽车厂行为

欧洲ACEA标准计划在标准中加入针对TGDI发动机中胶质产生量的测试项目,涡轮增压器轴承区域内氧化/沉淀物测试也已经被起草。北美市场也将采取类似测试。

补充几句,对于使用TGDI技术的车辆,即使1-2万公里的车,我们通常可以在其尾气管中发现大量黑色积碳,用手摸就可以摸到,比如奥迪。并且,在启动发动机的短时间内,会闻到比较难闻的味道。试验证明,TGDI发动机的一氧化碳排放较低,但碳氢化合物HC的排放量较高,部分HC以细小颗粒物的方式排放出来。

有网友说丰田,路虎都使用20级别的机油,为什么他们不烧机油?这个我花了一些时间上网搜了一下,沃尔沃,路虎,丰田和本田都有烧机油的案例。不在这里贴图了,大家自行寻找。

不考虑发动机设计缺陷和零部件缺陷的情况下,在TGDI发动机上使用20和30机油的区别,30机油的保护性更好一些,但燃油经济性不如20机油,德系和法系现在坚守30阵地,日系和美系开始切换到20机油,双方都是在试图寻找一个对自己发动机的最佳点。美,日车系的主要市场是美国,必须想尽办法完成美国政府关于油耗的要求,自然不会放过20机油的优点。而德国和法国车主要市场在本土,只有高端车才出口到美国,即使不能达到美国政府油耗的标准,他们宁愿支付罚款,也不愿意选择可能对他们发动机有风险的20机油。但无论采用哪种油,TGDI发动机的特性是不会改变的,机油消耗过大的风险始终存在,不是用一句日本车不烧机油就能化解掉。

日本车在欧洲的销售情况一直都不理想,并不是因为欧洲人傲慢或者是看不起日本车,而是因为欧洲对汽车征税根据排量来定。日系车原先一直都不采用涡轮增压技术,也就是说,如果日本车2.0排量,只能达到德系车1.8T的功率,税收还要高于带T的车,消费者自然会选择税率低的本土带T的车。日本车采用TGDI技术也是为打开欧洲市场做进一步的准备工作。

 

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