低黏度潤滑油對汽油機經(jīng)濟性及耐久性能影響研究?

湯春球,尹凱峰,莫易敏,王 駿,雷志丹,李嘉龍

(1.武漢理工大學(xué)機電學(xué)院,武漢 430070； 2.上汽通用五菱股份有限公司,柳州 545007)

前言

隨著乘用車排放和油耗法規(guī)的日益嚴格，目前國內(nèi)各品牌制造商都開展了降低油耗方法的相關(guān)研究，發(fā)動機是汽車的核心部件，其燃油經(jīng)濟性對整車油耗有很大影響。其中通過降低發(fā)動機摩擦功而實現(xiàn)節(jié)油受到了越來越多的重視，而采用低黏度潤滑油能夠?qū)τ行Ы档桶l(fā)動機摩擦功[1]。然而，潤滑油黏度對整機可靠性起著至關(guān)重要的作用，過低的黏度會使油膜厚度和強度不足而使發(fā)動機零件磨損增多，減少發(fā)動機的壽命。因此如何在不影響可靠性的前提下最大限度地優(yōu)化潤滑油黏度成為需要研究的重要內(nèi)容。

目前，低黏化已成為潤滑油發(fā)展的趨勢。歐美已有眾多廠商采用0W20等級的潤滑油[2]，帶來了良好的整車燃油經(jīng)濟性。日本添加劑公司開發(fā)了以鉬元素MoDTC(二烷基二硫代氨基甲酸鉬)為主的減摩劑[3]，在保證潤滑油性能的同時可使黏度進一步下降。針對0W16和0W08黏度進行了臺架試驗與整車試驗驗證，均取得了良好的效果。國內(nèi)主要還在使用5W30和5W40黏度等級的潤滑油，但潤滑油對于整車燃油經(jīng)濟性的重要性正逐漸被各大汽車廠商所認識。越來越多的車企開始與潤滑油公司合作致力開發(fā)低黏度高性能潤滑油，并對潤滑油進行一系列臺架及整車試驗進行驗證。

本文中通過發(fā)動機臺架試驗，測量了測試油SN 0W20和參比油SM 5W30的機械摩擦損失和萬有特性曲線，比較兩種潤滑油對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響。針對低黏度SN 0W20發(fā)動機油進行了耐久試驗，對比分析了發(fā)動機耐久前后性能變化趨勢及潤滑油品質(zhì)的變化，對整機潤滑油匹配工作進行初步探索。

1 試驗用潤滑油和發(fā)動機

為避免干擾，潤滑油均選擇API(美國石油協(xié)會)標準的潤滑油(表1)，試驗將SM 5W30作為參比油，SN 0W20作為測試油，SN 0W20相比SM 5W30黏度更低，黏指系數(shù)(黏度隨溫度變化的程度。黏度指數(shù)越高，表示流體黏度受溫度的影響越小，黏度對溫度越不敏感)更高，如圖1所示。

表1 潤滑油理化指標

圖1 試驗油黏溫特性曲線

SN 0W20黏度隨溫度變化更小，在低溫時黏度更低，且擁有更好的抗氧化性和清凈性。發(fā)動機參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

2 潤滑油對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性影響

測試在發(fā)動機測功機上進行，測試前須對發(fā)動機用參比油在滿載條件下磨合2h。更換機油時需用測試油沖洗2遍，再注入新油進行測試，且每次換油都需更換機油濾清器。潤滑油加注到標尺中刻度線處偏上，為保證每次加注量相同采用量杯進行機油加注，首次加注量為3.6L。

2.1 機械摩擦損失試驗

測量發(fā)動機摩擦功時主要通過測功機電機反拖發(fā)動機進行，測定發(fā)動機在油門全開和全關(guān)狀態(tài)下發(fā)動機的機械摩擦力矩和摩擦功率[4]。選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000～5 600r/min，測量點間隔為400r/min，一共13個測量點，油溫控制在95±2℃。

圖2 油門全開摩擦轉(zhuǎn)矩和功率對比

圖2 和圖3分別表示參比油與測試油在油門全開和全閉狀態(tài)下摩擦轉(zhuǎn)矩和摩擦功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化狀況。可以看出，測試油與參比油摩擦轉(zhuǎn)矩和摩擦功率的變化趨勢基本相同，兩者之間差距均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。油門全開條件下，測試油摩擦轉(zhuǎn)矩比參比油降低0.5～2.5N·m；在全速范圍內(nèi)，測試油摩擦功率比參比油低3.6%～5.4%。在油門全閉狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r/min以下時，測試油摩擦轉(zhuǎn)矩高于參比油；隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，測試油摩擦轉(zhuǎn)矩平均比測試油降低0.7～2.6N·m，測試油摩擦功率較參比油降低3.4%～5.7%。測試油摩擦損失明顯低于參比油。降低黏度能有效降低發(fā)動機的摩擦損失。

圖3 油門全閉摩擦轉(zhuǎn)矩和功率對比

2.2 發(fā)動機萬有特性試驗

發(fā)動機萬有特性曲線是所有負荷特性和速度特性曲線的合成，它可表示發(fā)動機在整個工作范圍內(nèi)主要參數(shù)，包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和燃油消耗率等，通過萬有特性曲線可分析發(fā)動機的使用經(jīng)濟性[5]。分別測定發(fā)動機在參比油與測試油狀態(tài)下的萬有特性曲線，比較兩者燃油經(jīng)濟性的差別，試驗條件控制和換油流程與發(fā)動機機械摩擦損失試驗相同。

圖4為將測試油燃油消耗率與參比油燃油消耗率作差值所得到的萬有特性曲線MAP圖，曲線上數(shù)字為兩者燃油消耗率差值，正數(shù)表示參比油燃油經(jīng)濟性優(yōu)于測試油，負數(shù)表示測試油燃油經(jīng)濟性優(yōu)于參比油，絕對值越大表示兩者燃油經(jīng)濟性差別越大。由圖可見：在大部分工況下測試油燃油經(jīng)濟性均好于參比油；僅在低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩工況下燃油經(jīng)濟性低于參比油，主要是因為在低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的工況下，測試油黏度較低，油膜難以形成造成摩擦損失增大。高速工況節(jié)油性高于低速工況，試驗結(jié)果與潤滑油油膜厚度理論相符合。在轉(zhuǎn)速3 200～4 200r/min、轉(zhuǎn)矩30～80N·m工況下兩者差別最大，測試油燃油消耗率比參比油低11g/(kW·h)；在發(fā)動機常用工況下(轉(zhuǎn)速2 000～3 200r/min，轉(zhuǎn)矩70～140N·m)，測試油燃油消耗率平均降低3～5g/(kW·h)。

圖4 燃油經(jīng)濟性差值MAP圖(測試油 參比油)

3 潤滑油對發(fā)動機耐久性影響

參比油SM 5W30經(jīng)過試驗驗證和整車性能測試能滿足發(fā)動機耐久性能需求，針對低黏度的SN 0W20潤滑油進行發(fā)動機耐久性試驗，驗證低黏度潤滑油在發(fā)動機上運用的可行性，進行耐久試驗前發(fā)動機無需進行磨合。耐久性試驗總時長為505h，每個測試循環(huán)時間長為1h，總共進行505次循環(huán)。換油周期為100h，每100h試驗完成后需檢查發(fā)動機各附件狀態(tài)，然后注入新的潤滑油繼續(xù)進行試驗，換油需清洗2次，不更換機油濾清器。試驗控制發(fā)動機水溫在85±5℃范圍內(nèi)，中冷后氣體溫度控制在30～35℃，采用外接水冷與風冷結(jié)合降溫的方式。試驗完成后須對發(fā)動機進行拆解觀察摩擦副的磨損狀態(tài)并進行評分。

3.1 發(fā)動機耐久性能測試

為研究發(fā)動機性能隨耐久時間的變化情況，每100h耐久試驗完成更換機油前對發(fā)動機性能進行測試，試驗測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000～5 600r/min，油門全開狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率、燃料消耗量隨轉(zhuǎn)速的變化情況。測量點間隔為200r/min，共24個。

圖5～圖7分別為油門全開條件下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率隨耐久時間的變化狀況。從試驗結(jié)果可以看出，隨著耐久時間的增加，發(fā)動機各項性能與初始狀態(tài)差別不大，經(jīng)過505h耐久后，發(fā)動機功率在轉(zhuǎn)速1 500～4 000r/min區(qū)間出現(xiàn)小幅下降趨勢，在3 000r/min時下降幅度最大為9.4%。總體來看，采用低黏度的0W20潤滑油進行耐久試驗，發(fā)動機未出現(xiàn)摩擦副損壞和性能大幅度衰減的現(xiàn)象，說明潤滑油滿足發(fā)動機的耐久性要求。

圖5 發(fā)動機耐久各階段功率對比

圖6 發(fā)動機耐久各階段轉(zhuǎn)矩對比

圖7 發(fā)動機各階段燃油消耗率對比

3.2 機油消耗量試驗

通過發(fā)動機機油消耗量可判定發(fā)動機活塞環(huán)與氣缸之間的磨損狀態(tài)。耐久試驗每進行100h會進行潤滑油的更換，試驗采用放油測質(zhì)量法來確定機油消耗量[6]，測量放出的機油、量杯和漏斗的總質(zhì)量W1，將油倒回發(fā)動機，再測量未能倒凈的機油、量杯和漏斗的總質(zhì)量W2，兩次質(zhì)量之差(W1-W2)，即為加入的機油量Wi。耐久試驗完成后需靜置發(fā)動機1h以上，待潤滑油完全流回油底殼后將油放出，放油時間為15min并進行測量，得到試驗后放出的機油、量杯和漏斗的總質(zhì)量W3，W3與W2之差即為試驗后放出的機油量Wo，機油總消耗量Go＝Wi-Wo，平均機油消耗量為Go/100。測驗結(jié)果如圖8所示。

由圖可見：隨著耐久時長的增加，發(fā)動機機油消耗量逐漸增加，前300h，機油消耗量較小，經(jīng)過400h耐久后，平均機油消耗量超過40g/h，說明此時活塞環(huán)與氣缸壁之間磨損加劇，驗證了此前試驗中505h后發(fā)動機性能出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象。經(jīng)過505h耐久后機油消耗量為43.1g/h，滿足耐久后小于45g/h的性能要求。

圖8 平均機油消耗量

3.3 發(fā)動機外特性曲線

外特性曲線表示在油門全開條件下發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，常用來評價發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性[7]。分別測定耐久前后發(fā)動機的外特性曲線。耐久試驗后測定外特性曲線需用測試油對發(fā)動機沖洗兩遍并更換全新的機油濾清器，再注入測試油進行試驗。試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 耐久前后外特性曲線對比

由圖可見：耐久試驗后，發(fā)動機性能與耐久前相差不大，在4 000r/min轉(zhuǎn)速后，性能出現(xiàn)一定程度的衰減，轉(zhuǎn)速越高，衰減越大，轉(zhuǎn)矩最大降低5.75%，功率最大降低5.4%；當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于5 000r/min后，燃油消耗率快速增加，相較耐久前高出3%～6.5%，耐久試驗后，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速性能小幅下降，與耐久試驗測試結(jié)果相符，下降幅度屬于正常范圍，發(fā)動機可正常運行。

3.4 潤滑油化學(xué)分析

對每100h耐久后試驗用油進行理化指標及元素含量的分析試驗，分析潤滑油各理化指標隨耐久的變化狀況，通過對潤滑油中各元素的含量分析可判斷發(fā)動機各摩擦副的磨損狀態(tài)，元素含量采用電子發(fā)射光譜法進行測量[8]。

表3為每100h耐久完成后試驗用油的分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

(1)經(jīng)過耐久試驗后，發(fā)動機油黏度均有一定程度的下降，下降幅度為7%～10.5%。發(fā)動機油的黏度變化是油品正常氧化、混入輕質(zhì)燃油及進水等因素綜合影響的結(jié)果。

(2)油樣中鐵、銅、鋁等磨損金屬含量正常，發(fā)動機磨損量較小。

(3)鐵元素含量在400h后含量增多表明活塞環(huán)磨損加劇，驗證了發(fā)動機在400h后性能下降與機油消耗量增加的現(xiàn)象。

(4)100h油樣的水分、氯含量偏高，通常與意外進水有關(guān)。油樣中硅含量偏高通常與粉塵等雜質(zhì)進入有關(guān)。

總體看來，在SN 0W20發(fā)動機油耐久試驗過程中，初期使用100h出現(xiàn)進水偏大、混入粉塵等現(xiàn)象。100h更換新油后，在測試油的各項理化指標正常，存在少量進水、混入輕質(zhì)燃油等現(xiàn)象，但不影響正常使用。400h后活塞環(huán)磨損加劇，但磨損量仍在可接受范圍內(nèi)，發(fā)動機潤滑狀態(tài)良好，可繼續(xù)使用。

4 發(fā)動機拆解

耐久試驗完成后，對試驗發(fā)動機進行拆解觀察其主要摩擦副的磨損狀態(tài)和主要易損部件的狀態(tài)，如火花塞、節(jié)溫器、增壓器等，對各部件狀態(tài)進行評分以最終評定耐久試驗結(jié)果。

圖10為經(jīng)過耐久試驗后，發(fā)動機3大摩擦副的磨損狀態(tài)。可以看到，活塞頂部表面有少量積碳，活塞環(huán)與活塞銷孔磨損較小，曲軸連桿頸與主軸頸表面光潔，擦痕深度較淺屬于正常運動副接觸摩擦，主軸瓦表面質(zhì)量良好，凸輪軸表面光亮無明顯擦傷。綜合來看，耐久后發(fā)動機主要摩擦副均無明顯磨損，表明發(fā)動機潤滑狀態(tài)良好，SN 0W20能滿足發(fā)動機耐久性需求。

表3 耐久測試油樣分析

圖10 發(fā)動機主要摩擦副磨損狀態(tài)

5 結(jié)論

通過發(fā)動機臺架試驗，比較了參比油SM 5W30與測試油SN 0W20燃油經(jīng)濟性之間的差別，并對SN 0W20潤滑油進行了耐久性試驗驗證，得到以下結(jié)論：

(1)低黏度SN 0W20潤滑油能有效降低發(fā)動機的摩擦損失，全工況節(jié)油率可達1%～3.5%；

(2)SN 0W20潤滑油相比SM 5W30對發(fā)動機整機性能影響不大，耐久試驗后，主要性能指標(性能、機油消耗量、摩擦副磨損量)均滿足要求，驗證了降低黏度在發(fā)動機上可行性；

(3)潤滑油經(jīng)過耐久后，各理化性能改變屬于正常范圍，性能衰減幅度較小，表明潤滑油的穩(wěn)定性能能滿足耐久性要求，潤滑油壽命能達到發(fā)動機的一般要求；

(4)本文中針對低黏度潤滑油進行了一系列臺架試驗研究，為發(fā)動機潤滑油的低黏化工作提供了參考。