汽油機油低速早燃性能測試方法編制說明

PAGE6《汽油機油低速早燃性能測試方法》編制說明一、工作簡況1.1任務來源《汽油機油低速早燃性能測試方法》是中國汽車技術研究中心有限公司與中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心共同提出，由中國汽車工程學會批準立項的團體標準，起草文件號為中汽學函【2018】138號，任務號為2018-032。本標準參與起草單位有中國汽車技術研究中心有限公司、中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心、長城汽車股份有限公司、安徽江淮汽車集團股份有限公司、一汽研發(fā)總院、北汽動力總成有限公司、吉利汽車動力研究院、中國石化潤滑油有限公司、殼牌（上海）技術有限公司、雅富頓化工（蘇州）有限公司、潤英聯(lián)（上海）添加劑有限公司、錦州康泰潤滑油添加劑股份有限公司、安徽超美化工科技有限公司、天津索克汽車試驗有限公司共同起草。1.2編制背景與目標隨著我國汽車產銷總量的增長，降低排放和油耗的呼聲越來越高，相關法規(guī)也越來越嚴格。為應對上述問題，發(fā)動機小型化以及直噴增壓等技術被廣泛應用到汽車上。增壓直噴（TGDI）發(fā)動機大幅提高了升功率，降低了氣體污染物的排放量和燃油的消耗量。但與此同時，機油稀釋過高、顆粒物排放增加以及低速早燃問題阻礙著繼續(xù)發(fā)掘TGDI發(fā)動機的潛力，尤其是低速早燃對發(fā)動機造成嚴重的破壞，使得整車廠不得不采用加濃噴射等犧牲經濟性的手段去解決，甚至要通過降低扭矩需求來避免低速早燃的發(fā)生。低速早燃是美國西南研究院識別并命名的，也有其他研究機構稱呼此現(xiàn)象為超級爆震。發(fā)生低速早燃的表現(xiàn)是，在中低轉速下，大負荷或全負荷時，混合氣在點火前燃燒，發(fā)動機發(fā)生連續(xù)或單獨的高強度爆震，燃燒壓力遠遠超過正常值（甚至達到300bar），嚴重時會造成火花塞、活塞及連桿的損壞。低速早燃不同于普通早燃或是普通爆震，其具有偶發(fā)性、隨機性、巨大破壞力等鮮明特點。因此，ECU無法預判低速早燃的發(fā)生，不能通過推遲點火提前角而消除，也不能通過單純加濃混合氣、加強壁面?zhèn)鳠峄虿捎酶咝镣橹灯蛠肀苊?。影響低速早燃發(fā)生的因素有很多，如燃燒室結構、噴油器選型、標定策略、機油配方、燃油成分等。對于不同的發(fā)動機，解決方法也不盡相同，總的說來越是利于燃油霧化，混合氣均勻，燃燒充分，掃氣完全的結構和策略越是能減小低速早燃發(fā)生的頻率。從工程開發(fā)與應用講，發(fā)動機硬件的變更以及標定的更改需要花費巨大的成本，不是最優(yōu)解決方案。國際國內的研究機構展開了大量的驗證試驗，發(fā)生低速早燃時一定有非結構性熱點先于正常點火而點燃了周圍的混合氣，這種早燃與火花塞等固定熱點形成的不正常燃燒不同，它能自行消失，且強度大小不一?，F(xiàn)在業(yè)內主流的觀點之一是機油及機油燃油的混合物在活塞往復運動時甩到燃燒室中，其中的鹽類及長鏈氧化物形成熾熱點，在下一個循環(huán)壓縮沖程時自燃并點燃周圍混合氣。業(yè)內對機油的成分如添加劑、基礎油等做了細致的矩陣對比試驗，發(fā)現(xiàn)不同配方的機油對同一發(fā)動機低速早燃的影響差別巨大，相對于噴油器重新選型以及增加雙噴甚至三噴策略，更換能夠抑制低速早燃的機油的成本優(yōu)勢更明顯。美國西南研究院及其在北美主導的P3聯(lián)盟早在2009年開始對低速早燃的產生機理、解決方案等方面做了深入研究，并開發(fā)出基于FORD和GM兩種發(fā)動機的機油抑制低速早燃的性能測試方法，其中前者（程序IX）作為GF-6采用的標準方法將在2020年全面實施。上述兩種方法作為現(xiàn)今國際上主流的機油抑制低速早燃的性能測試方法，油液公司及車企均比較認可。歐洲和日本的相關組織和企業(yè)在應用上述方法的基礎上，針對本土產品的特點也正在更新或是開發(fā)新的標準。我國目前沒有統(tǒng)一的關于機油抑制低速早燃性能的測試方法。各OEM雖然都有自己的低速早燃測試方法，且在產品開發(fā)階段都設有低速早燃掃點測試試驗，但針對機油作為單一自變量的測試試驗幾乎空白。此外，因為燃油和發(fā)動機等情況與北美差別較大，程序IX的測試結果不能完全代表在國內應用時的表現(xiàn)，油液公司雖然在北美或其他國家已經完成了相關的認證，其仍需按照不同企業(yè)的要求反復測試，不僅浪費了資源，而且因為方法的缺陷很可能造成不同的測試結果。因此，行業(yè)內迫切需要一套具有廣泛適用性的關于汽油機油低速早燃的性能測試方法，滿足我國主機廠的油品升級的試驗需求，這對于制定我國潤滑油評價標準和完善評價體系具有重要推動作用。中汽研索克、中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心與其他參與單位一起，組成了《汽油機油低速早燃性能測試方法》開發(fā)工作組，對早燃的機理、測試及解決方法的展開研究，共同推動國內早燃測試相關技術突破。本方法的開發(fā)思路如下：提煉并綜合國內自主OEM在開展低速早燃試驗時的經驗及成熟方案，在后期開展爭議點驗證，使方法具有普遍代表性。吸收GF-6中成熟、科學的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計歸化方法，借鑒其開發(fā)過程中關鍵的經驗。開展多個油樣的不同試驗室的自測，形成橫向比對，使得方法制定時樣本數(shù)據(jù)更多，加大方法的覆蓋性。以參考目錄或是規(guī)范目錄的形式，列出長城發(fā)動機臺（中汽研索克試驗室）架和江淮發(fā)動機臺架（中石油蘭州試驗室）固定臺架的測試流程。按上述思路開展的方法制定工作，能夠輸出一個通用的汽油機油低速早燃性能測試方法的開發(fā)方法，滿足各OEM在資源充足時自測，又能為行業(yè)提供標準的測試臺架，使機油該項性能的比對驗證成為現(xiàn)實。1.3主要工作過程本標準于2018年3月16日在天津召開標準編制工作組成立會，初步確定了參編單位、項目目標和和方案。本標準于2018年9月17日在蘇州召開二次會議，明確了將中汽研索克和中石油蘭州作為公共臺架測試試驗室，分別使用長城發(fā)動機和江淮發(fā)動機作為測試發(fā)動機。明確了詳細的測試方法和數(shù)據(jù)處理方法，即參照GF-6程序IX的測試流程，自主開發(fā)低速早燃測試方法。明確了參與橫向比對試驗的OEM,北汽動力總成有限公司、一汽研發(fā)總院。明確了測試機油油樣數(shù)量，品牌。明確了本標準的開發(fā)周期和主要輸出物。本標準于2018年10月至2018年11月在中汽研索克完成了基于長城發(fā)動機的試驗方法驗證，2018年12月于2019年3月，一汽研發(fā)總院完成了自有1.4T發(fā)動機對方法的應用以及結果比對。2019年3月8日在上海召開了針對長城發(fā)動機驗證結果評議會。經過會議討論，認為驗證結果的重復性，可區(qū)分性能夠滿足機油低速早燃性能測試的評價，確認了試驗方法的有效性，會上同時提出了部分細節(jié)調整的建議。2019年7月北汽動力總成有限公司完成了自有1.5T發(fā)動機對方法的應用。2019年5月至2019年10月，安徽江淮汽車集團有限公司基于江淮1.5TGDI發(fā)動機完成了試驗臺架的搭建、早燃測試設備的調試以及試驗條件的考察工作，確定了具有區(qū)分性的試驗條件。2019年11月至2019年12月于中石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心完成了基于江淮1.5TGDI發(fā)動機的試驗方法驗證，完成了區(qū)分性和重復性試驗，在GF-6產品開發(fā)中進行應用研究，結果表明與程序IX和GM低速早燃測試具有較好的一致性，并將試驗結果向各參編單位發(fā)送，各單位肯定了試驗的有效性和該方法在此發(fā)動機上的適用性。2020年3月至2020年4月本工作組進行了汽油機油低速早燃性能測試方法的標準文本編制工作。2020年5月進行了針對標準文本的工作組內部討論，整合提出修改意見。2020年XX月，形成征求意見稿并公開征求意見，起草組根據(jù)反饋意見進行修改后，形成標準送審稿。2020年X月，在XX召開標準審查會。二、標準編制原則和主要內容2.1標準制定原則綜合國內OEM在開展低速早燃試驗時成熟方案，借鑒GF-6中數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計歸化方法和開發(fā)經驗，明確試驗工況，運行時間和循環(huán)次數(shù)。使用多個油樣在的不同試驗室不同發(fā)動機測試，形成橫向比對，加大方法的覆蓋性。為了便于不同公司油樣篩選的需求，以參考目錄的形式，列出長城發(fā)動機臺（索克試驗室）架和江淮發(fā)動機臺架（中石油蘭州試驗室）公共臺架的測試流程。2.1.1通用性原則本標準提出的汽油機油低速早燃性能測試方法設計思路，試驗流程，經過了長城、江淮、一汽、北汽發(fā)動機等多家產品實測驗證，方法可靠有效。此方法能夠廣泛應用于不同品牌和型號的增壓直噴汽油機對于機油的篩選，同時該測試方法也適用于固定機油后測試其他變量對發(fā)動機低速早燃的影響，通用性高。本標準列出了基于長城和江淮兩種發(fā)動機的機油低速早燃測試性能臺架流程，廣泛適用于不同配方的機油性能測試。2.1.2指導性原則本標準通用性較高，可指導不同主機廠進行發(fā)動機標準臺架建設，形成企業(yè)內部方法，為主機廠潤滑油配方篩選提供參考，同時可服務于認證部門對抗低速早燃潤滑油進行相關認證。2.1.3協(xié)調性原則當前國內在該方面標準屬于空白，本標準作為汽油機油低速早燃性能測試方法的填補，不存在協(xié)調及交叉問題。2.1.4兼容性原則本標準提出的測試方法充分考慮了當前乘用車潤滑油水平以及國內測試試驗室能力，具有普遍適用性。2.2標準主要技術內容本標準共分為5章，規(guī)定了汽油機油低速早燃性能測試方法的術語和定義、型式與基本參數(shù)、試驗方法，應用建議等，并結合標準編制過程中的驗證情況，形成資料性附錄，描述長城1.3T發(fā)動機及江淮1.5T發(fā)動機的測試工況。2.3關鍵技術問題說明本標準方法涉及的關鍵技術問題介紹如下：2.3.1發(fā)動機試驗工況和運行時間確定測試工況就是將LSPI發(fā)生次數(shù)相對固定的工況篩選出來，甚至人為的增加LSPI次數(shù)以滿足測試需求。合理的LSPI測試工況有助于提高試驗方法的精密性，加大不同機油性能的區(qū)分性，減少試驗過程中發(fā)動機損壞的風險，工況篩選流程詳見圖1。A、高參比油下各種控制手段進行測試B1A、高參比油下各種控制手段進行測試B1、高參比油下達到合理次數(shù)B2、中參比油下達到合理次數(shù)C、兩種高參比油測試結果相近D、兩種中參比油測試結果相近E、方案固化圖1、工況篩選流程B使用已知的高參比油（SN級別），配合發(fā)動機工況、邊界條件、標定參數(shù)控制等確定固定時間內出現(xiàn)合理次數(shù)的LSPI事件數(shù)。使用中參比油（SN+級別）測試，確保上述組合能夠保證高中參比油的區(qū)分性，否則重復本步，直至符合要求。C完成兩種高參比油的完整試驗的比對，結果相近則進行下一步，否則重復A、B步。D完成兩種中參比油的完整試驗的比對，結果相近且與高參比油區(qū)分明顯則進行下一步，否則重復B、C、D步。E固化試驗流程和方法。2.3.2測試流程機油低速早燃性能測試流程主要分為5個步驟，這些操作都是建立在試驗發(fā)動機以及試驗設備均已經正常運行的情況下，流程概況見圖2。本標準潤滑油測試前準備工作包括機油沖洗、測試機油的適應、發(fā)動機狀態(tài)確認，其中發(fā)動機狀態(tài)確認通過判斷固定工況下所有參數(shù)是否在規(guī)定范圍，對試驗樣機狀態(tài)提出了穩(wěn)定性要求；標準規(guī)定了潤滑油路清洗的流程及次數(shù)，包括單次的加注量和更換的部件等；機油沖洗2次機油沖洗2次待測機油適應流程發(fā)動機工況確認測試循環(huán)依次挑選四個循環(huán)，最多試驗八次沖洗流程：1、更換新機油、機濾2、固定工況熱車固定時間3、停機，固定時間放油4、重復適應流程：1、加新機油、機濾2、固定工況熱車固定時間3、測試工況固定時間老化4、停機檢查判斷條件：1、檢查邊界條件與工況2、如在固定時間內滿足，則進行下一步，否則解決問題后重復此步。正式測試流程：1、運行固定時間的測試工況，記錄所有試驗數(shù)據(jù)。判斷結果數(shù)據(jù)處理圖2、測試路程2.3.3數(shù)據(jù)分析方法低速早燃屬于異常燃燒，其表現(xiàn)特點最高燃燒壓力（Pmax）和2%質量燃料燃燒角度（AI02）明顯與當前階段正常燃燒的值不同。判斷低速早燃循環(huán)的本質就是確定合理的閾值來挑選上述兩個參數(shù)的離群值。將發(fā)動機燃燒過程中每個燃燒循環(huán)中的最高燃燒壓力和2%質量燃料燃燒角度兩個參數(shù)作為樣本參數(shù)進行不間斷采集，根據(jù)成熟合適的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法確定閾值，同時滿足上述兩個參數(shù)判斷條件的循環(huán)即為低速早燃循環(huán)。服從正態(tài)分布數(shù)據(jù)的異常值（離群值）的剔除方法有多種，但格拉布斯出錯率最低。GB/T4883-2008格拉布斯檢驗法詳細介紹了方法的原理和應用。一組測量數(shù)據(jù)中，如果個別數(shù)據(jù)偏離平均值很遠，那么這個(這些)數(shù)據(jù)稱作“可疑值”。格拉布斯(Grubbs)法的作用就是判斷“可疑值”是否為“異常值”，如果是，則從此組測量數(shù)據(jù)中剔除。重復比較其他可疑值（異常值不參與平均值的計算），直到沒有新的異常值出現(xiàn)。GB/T4883-2008格拉布斯檢驗法核心是將殘差與標準差的比值與查表所得的格拉布斯臨界值比較。本標準使用4.7作為格拉布斯臨界值以快速篩選符合閾值要求的數(shù)據(jù)，并按如下步驟確定低速早燃事件。針對一缸，計算當段數(shù)據(jù)中Pmax的平均值Mp、方差Sp，篩選出滿足Pmax≥Mp+4.7*Sp條件的循環(huán)。重復此操作，直至沒有符合條件的循環(huán)。針對一缸，計算當段數(shù)據(jù)中AIO2/MFB2的平均值Ma、方差Sa,篩選出滿足AIO2≤Ma-4.7*Sa條件的循環(huán)。重復此操作，直至沒有符合條件的循環(huán)。同時滿足a)、b)兩條件的循環(huán)為一次低速早燃事件。2.3.4試驗用燃油為排除試驗用燃油對測試結果的影響，本標準規(guī)定了對于同一組汽油機油低速早燃性能評價時，需要采用同一批次且滿足國六排放基準燃油的要求。2.4標準主要內容的論據(jù)影響TGDI發(fā)動機低速早燃的因素有很多，燃燒室結構、噴油策略、配氣和點火正時、燃油機油都是重點，只有將其中一項變量之外的所有變量固定，才能科學快速的評估出該變量的真實影響；此外，發(fā)動機的燃燒是復雜的化學過程，哪怕是穩(wěn)態(tài)工況也會有參數(shù)波動的情況。對于低速早燃發(fā)生率不高或是摻雜其他異常燃燒的樣機，挑選甚至刻意放大測試工況，才能做到不同油樣之間影響效果的區(qū)分；由于低速早燃發(fā)生的偶發(fā)性和巨大破壞力，需要通過大量的試驗來確定單次測試所需的合理時間，避免時間太短造成結果波動巨大以及過長時間造成不必要的浪費和破壞；其他方面，標準規(guī)定了發(fā)動機曲軸箱通風系統(tǒng)開路，以減少曲通系統(tǒng)老化引起的機油液滴進入燃燒室量的變化；此外，理論上講，發(fā)動機正常燃燒過程中的缸壓及點火角屬于正態(tài)分布，但因為復雜因素造成參數(shù)有一定偏態(tài)的可能，因此，對發(fā)動機測試工況的穩(wěn)定性進行確認是必要的。2.5標準工作基礎工作組主要成員單位中，中汽研索克具備完備的發(fā)動機及整車軟硬件測試能力，且積累了豐富的關于發(fā)動機能測試的經驗，作為美國西南研究院的子公司，能夠獲得基于低速早燃研究的有效經驗和技術支持。中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心具有多年的臺架引進和開發(fā)經驗，曾先后從美國西南研究院引進多個大型發(fā)動機臺架，起草多個潤滑油行業(yè)標準，利用多年的OEM合作開發(fā)經驗，具備低速早燃試驗方法的開發(fā)基礎。對于工作組成員中，乘用車主機廠提供能夠具有普遍代表性的試驗樣機，同時對發(fā)動機狀態(tài)及測試結果可靠性確認能夠嚴格把控；潤滑油公司及添加劑公司提供了費用和測試潤滑油支持，同時貢獻了以往燃油經濟性相關測試經驗，其技術及數(shù)據(jù)處理團隊對方法建立及驗證過程提供大力支持。基于上述基礎，本標準的提出以及驗證試驗的質量都得到了保證，使得本標準具有一定的先進性、通用性、科學性和可操作性。三、主要試驗（或驗證）情況分析工作組在項目初期對試驗方法進行了充分的討論，借鑒了國內外先進測試經驗，概念性的確定了試驗流程和數(shù)據(jù)分析方法，明確了用于試驗樣機的發(fā)動機和機油樣。在同一的指導方法下，選取了兩臺試驗樣機在兩個試驗室獨立開展試驗，分別為長城1.3T發(fā)動機和江淮1.5T發(fā)動機，分別在天津索克和中石油蘭州完成。試驗的難點主要在于測試工況的篩選，測試工況（必要時要重新標定發(fā)動機）確定后再使用盲樣機油驗證方法的有效性。驗證試驗選取了不同品牌和配方的潤滑油作為試驗樣品，代表了當前和下一代產品水平。其中中石化、中石油和殼牌公司的SN與SN+用做高、中參比油，用來篩選工況，標定測試方法的溫和程度，其他三種盲樣由添加劑公司選送，測試