0W-20機(jī)油對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的影響研究

寧李譜 丁月蕾

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

主題詞：汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 機(jī)油 低粘度 摩擦 磨損

0 引言

隨著排放法規(guī)和油耗限制要求的日益嚴(yán)格，節(jié)能減排成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力。為了降低乘用車的燃油消耗，高效燃燒、高壓噴油等技術(shù)以及許多低摩擦技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)為整車油耗的改進(jìn)做出重要貢獻(xiàn)，而研發(fā)設(shè)計(jì)人員還希望借助使用節(jié)能效果更好的發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)一步提升燃油經(jīng)濟(jì)性[1-4]。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，不同的摩擦副可能處于不同的潤滑狀態(tài)，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)擁有可靠的耐久性能，需要綜合考慮潤滑油的粘度特性與摩擦特性。綜合性能好的潤滑油有助于摩擦副表面形成潤滑油膜，改善潤滑狀態(tài)，提升汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。不同粘度級(jí)別的機(jī)油在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)上會(huì)有不同的摩擦損失和燃油消耗表現(xiàn)[5-9]。近些年，已有眾多汽車主機(jī)廠（Original Equipment Manufacturer,OEM）開始廣泛使用粘度級(jí)別為0W-20的機(jī)油，甚至研發(fā)出更低粘度級(jí)別的機(jī)油，例如，使用0W-16級(jí)別[10]和0W-8級(jí)別的機(jī)油。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和油品技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)有越來越多的高性能、低油耗表現(xiàn)的機(jī)油被開發(fā)出來，可以為各個(gè)汽車OEM提供更多、更好的選擇[11-12]。機(jī)油質(zhì)量等級(jí)的不斷提升，使得低粘度的機(jī)油既能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久要求，還能減少機(jī)械損失，降低燃油消耗[13-15]。

本文調(diào)配了4種0W-20粘度級(jí)別的機(jī)油，借助摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，考察并對(duì)比4種0W-20粘度級(jí)別的機(jī)油對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦性能的影響。

1 試驗(yàn)用油

本文使用的參比機(jī)油為5W-30粘度級(jí)別的機(jī)油，將粘度相對(duì)較低的0W-20機(jī)油定義為低粘度機(jī)油，試驗(yàn)用油的典型理化數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 試驗(yàn)用油的典型理化數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)某個(gè)摩擦副上的摩擦磨損特性進(jìn)行測試，試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。本文考查了發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦磨損情況，通過對(duì)比摩擦系數(shù)，分析幾種試驗(yàn)機(jī)油的潤滑效果。

圖1 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖臺(tái)架

試驗(yàn)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為泛亞自主開發(fā)的1.0 L渦輪增壓汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見表2。發(fā)動(dòng)機(jī)通過扭矩法蘭與測功機(jī)連接，在不點(diǎn)火的狀態(tài)下用電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)測試不同工況下的摩擦扭矩值。發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖測試臺(tái)架如圖2所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 摩擦磨損試驗(yàn)

往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)的模擬試驗(yàn)條件為：沖程7 mm，頻率5 Hz，載荷400 N，溫度100°C和活塞環(huán)材料SP-2鋼，表面為類金剛石涂層（Diamond-Like Carbon,DLC），維氏硬度510～550 HV(0.1)，缸體材料為鋁合金，缸套的材質(zhì)為HT 250。用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)5W-30粘度級(jí)別的參比機(jī)油和試驗(yàn)油品為LV1、LV2、LV3、LV4的4種0W-20粘度級(jí)別的試驗(yàn)機(jī)油分別進(jìn)行測試，試驗(yàn)時(shí)間15 min，保證機(jī)油供應(yīng)，確保摩擦副在流體潤滑狀態(tài)。摩擦系數(shù)的結(jié)果見表3。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖測試臺(tái)架

表3 摩擦系數(shù)測量結(jié)果

從表3的結(jié)果可以看出，在降低摩擦系數(shù)方面，LV1機(jī)油表現(xiàn)較好，表明LV1機(jī)油具有較好的減摩效果和潤滑性能。這是因?yàn)長V1機(jī)油的粘度指數(shù)較大（參見表1），表示機(jī)油粘度受溫度的影響較以及100°C運(yùn)動(dòng)粘度相對(duì)較低（參見表1）的緣故。說明粘度穩(wěn)定性好，100°C運(yùn)動(dòng)粘度較低的機(jī)油更有利于降低摩擦系數(shù)。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖臺(tái)架上對(duì)參比機(jī)油、LV1機(jī)油、LV2機(jī)油、LV3機(jī)油和LV4機(jī)油分別進(jìn)行倒拖摩擦扭矩測試，考察測試不同類型低粘度機(jī)油的摩擦性能。在測試時(shí)，設(shè)定溫度和轉(zhuǎn)速，測試參比機(jī)油的摩擦扭矩（摩擦扭矩為F1），然后用試驗(yàn)機(jī)油（分別為LV1、LV2、LV3和LV4）進(jìn)行沖洗，并在相同工況下測定每種試驗(yàn)油的摩擦扭矩，最后再測試參比機(jī)油的摩擦扭矩（摩擦扭矩為F2），保證摩擦扭矩為F1和F2時(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不能有太大差別，否則就需要重新進(jìn)行上述試驗(yàn)過程。取參比機(jī)油摩擦扭矩F1和摩擦扭矩F2的平均值與試驗(yàn)機(jī)油的摩擦扭矩值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出兩者的扭矩差（扭矩差為參比機(jī)油摩擦扭矩的平均值與試驗(yàn)機(jī)油的摩擦扭矩之差），同時(shí)摩擦扭矩減小比例也可以計(jì)算出來。最后用新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle,NEDC）測試溫度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對(duì)摩擦扭矩結(jié)果進(jìn)行修正，即可計(jì)算出LV1機(jī)油、LV2機(jī)油、LV3機(jī)油和LV4機(jī)油對(duì)應(yīng)的摩擦扭矩減小百分比。按照上述方法分別測試了LV1機(jī)油，LV2機(jī)油，LV3機(jī)油和LV4機(jī)油的摩擦扭矩，并計(jì)算得到不同溫度和不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下參比機(jī)油與試驗(yàn)機(jī)油的摩擦扭矩減小比例，如圖3～圖5所示。

圖3 60°C時(shí)摩擦扭矩減小比例對(duì)比

圖4 80°C時(shí)摩擦扭矩減小比例對(duì)比

圖5 100°C摩擦扭矩減小比例對(duì)比

摩擦扭矩減小比例越大，說明試驗(yàn)機(jī)油在降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩的能力越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性也越好。從圖3～圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，LVl機(jī)油的減摩能力較突出，特別是中低溫低速工況下和高溫高速工況下降低扭矩比較明顯，在中低溫低速工況下，說明機(jī)油中的有一定量的Mo對(duì)減摩有一定幫助，但是要和粘度特性綜合考慮。在高溫高速工況下，油品之間的粘度差異也相應(yīng)減小，此時(shí)KV100占主導(dǎo)作用[15-16]。

根據(jù)整車在進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)大致分布情況，確定了NEDC循環(huán)試驗(yàn)的工況條件，即：機(jī)油溫度分別為60°C、80°C和100°C；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 600 r/min、2 000 r/min、2 400 r/min和2 800 r/min。通過模擬計(jì)算，將倒拖摩擦扭矩減小比例轉(zhuǎn)化為NEDC循環(huán)試驗(yàn)節(jié)油比例，分別得到參比機(jī)油、LVl機(jī)油、LV2機(jī)油、LV3機(jī)油和LV4機(jī)油的NEDC循環(huán)模擬結(jié)果，不同機(jī)油的NEDC循環(huán)模擬結(jié)果如表4所示。

表4 不同機(jī)油的NEDC循環(huán)模擬結(jié)果

從表4的結(jié)果可以看出，LVl機(jī)油的減摩能力較好，對(duì)應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)較好。LV1機(jī)油的100°C運(yùn)動(dòng)粘度較小，VI粘度指數(shù)較高（100°C運(yùn)動(dòng)粘度為7.95 mm2/s，VI為207，參見表1)，在高溫高剪切粘度相同的條件下，調(diào)配的LVl機(jī)油的100°C運(yùn)動(dòng)粘度較小，更有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。通過幾種低粘度0W-20機(jī)油的摩擦扭矩測量結(jié)果，篩選出調(diào)配的LVl機(jī)油為適合本機(jī)型的低粘度機(jī)油，在ISP的整車轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上進(jìn)行了油耗測試，進(jìn)行整車NEDC試驗(yàn)，綜合考慮整車市區(qū)及市郊工況，所得數(shù)據(jù)和參比機(jī)油的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，LVl機(jī)油相對(duì)于參比機(jī)油節(jié)油效果大約為1.5%，整車基本信息如表5所示，整車油耗測試結(jié)果如表6所示。

表5 整車基本信息

表6 整車油耗測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)低粘度機(jī)油0W-20具有一定的節(jié)油效果，在摩擦磨損試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖臺(tái)架上都有降低摩擦的效果，減摩效果最好的一款0W-20機(jī)油在整車NEDC油耗測試中，節(jié)油效果約為1.5%；

(2)不同類型的0W-20機(jī)油，100°C運(yùn)動(dòng)粘度越小，同時(shí)含有一定量的Mo，節(jié)油效果越明顯。

低粘度機(jī)油的適用性和耐久性還需進(jìn)行低粘度機(jī)油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久測試、整車耐久試驗(yàn)和機(jī)油消耗試驗(yàn)等測試，并在試驗(yàn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，對(duì)摩擦副的摩擦狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文的研究成果為低粘度機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用提供了支持和幫助。