低黏度機油對汽油機摩擦性能的影響

寧李譜 丁月蕾

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208)

0 引言

隨著排放法規和油耗限制要求的日益嚴格，節能減排成為汽車工業發展的主要推動力。為了降低乘用車的燃油消耗，高效燃燒、高壓噴油等技術以及許多低摩擦技術的應用已經為整車油耗的改進做出重要貢獻，而研發設計人員還希望借助使用節能效果更好的發動機油進一步提升燃油經濟性[1-4]。

通常，發動機在運行過程中，不同的摩擦副可能處于不同的潤滑狀態，為了滿足發動機的使用要求，同時確保發動機擁有可靠的耐久性能，需要綜合考慮潤滑油的黏度特性與摩擦特性。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，提升汽油機油的燃油經濟性。不同黏度級別的機油在不同的發動機上會有不同的摩擦損失和燃油消耗表現[5-7]。近些年，已有眾多汽車OEM開始廣泛使用黏度級別為0 W-20的機油，甚至研發出更低黏度級別的機油，例如日本，已開始使用0 W-16級別和0 W-8級別的機油。隨著發動機技術和油品技術的進步，會有越來越多的高性能、低油耗表現的機油被開發出來，可以為各個汽車OEM提供更多、更好的選擇[8-9]。

本文調配了四個0 W-20黏度級別的機油，借助摩擦磨損試驗機和發動機臺架，考察并對比四個0 W-20機油對汽油發動機摩擦性能的影響。

1 試驗用油

本文使用的參比為5 W-30，將黏度相對較低的0 W-20定義為低黏度機油，試驗用油的典型理化數據見表1所示。

表1 試驗用油的典型理化數據

2 試驗設備

2.1 往復式摩擦磨損試驗機

往復式摩擦磨損試驗機可以對機油在發動機某個摩擦副上的摩擦磨損特性進行測試，臺架如圖1所示。本文考察了發動機缸套-活塞環摩擦副的摩擦磨損情況，通過對比摩擦系數，分析幾種試驗機油的潤滑效果。

圖1 往復式摩擦磨損試驗臺架

圖2 發動機倒拖測試臺架

2.2 發動機倒拖臺架

試驗使用的發動機為泛亞自主開發的1.0 L渦輪增壓汽油機，發動機主要性能參數見表2。發動機通過扭矩法蘭與測功機連接，在不點火的狀態下用電機倒拖發動機測試不同工況下的摩擦扭矩值。發動機倒拖測試臺架如圖2所示。

表2 發動機主要性能參數

3 結果與討論

3.1 摩擦磨損試驗

往復摩擦磨損試驗的模擬試驗條件為：沖程7 mm，頻率5 Hz，載荷400 N，溫度100 °C和活塞環材料SP-2鋼，表面為DLC涂層，維氏硬度510～550，缸體材料為鋁合金，缸套的材質為HT250。用摩擦磨損試驗對參比油5W-30和四種試驗油0W-20，LV1、LV2、LV3、LV4分別進行測試，試驗時間15 min，保證機油供應，確保摩擦副在流體潤滑狀態。摩擦系數的結果見表3。

表3 摩擦系數測量結果

從表3的結果可以看出，在降低摩擦系數方面，LV1機油表現較好，表明LV1機油具有較好的減摩效果和潤滑性能。這是因為LV1的黏度指數較大 (參見表1) ，表示機油黏度受溫度的影響較以及100 °C運動黏度相對較低(參見表1)的緣故。說明黏度穩定性好，100 °C運動黏度較低的機油更有利于降低摩擦系數。

3.2 發動機倒拖試驗

在發動機倒拖臺架上對參比油、LV1機油、LV2機油、LV3機油和LV4機油分別進行倒拖摩擦扭矩測試，考察測試不同類型低黏度機油的摩擦性能。在測試時，設定溫度和轉速，測試參比油5 W-30的摩擦扭矩(摩擦扭矩F1)，然后用試驗油(分別為LV1、LV2、LV3和LV4)進行沖洗，并在相同工況下測定每種試驗油的摩擦扭矩，最后再測試參比油5 W-30的摩擦扭矩(摩擦扭矩F2)，保證F1和F2數據穩定，不能有太大差別，否則就需要重新測試上述試驗過程。取參比油摩擦扭矩F1和摩擦扭矩F2的平均值與試驗油的摩擦扭矩值進行對比，計算出兩者的扭矩差 (差=參比油摩擦扭矩的平均值-試驗油的摩擦扭矩)，同時減小比例也可以計算出來。最后用NEDC(New European Driving Cycle)模擬循環測試溫度和轉速數據對摩擦扭矩結果進行修正，即可計算出LV1機油、LV2機油、LV3機油和LV4機油對應的摩擦扭矩減小百分比。按照上述方法分別測試了LV1機油，LV2機油，LV3機油和LV4機油的摩擦扭矩，并計算得到不同溫度和不同發動機轉速下參比油與試驗油的摩擦扭矩減小比例，如圖3～圖5所示。

圖3 60 °C摩擦扭矩減小比例對比

圖4 80 °C摩擦扭矩減小比例對比

圖5 100°C摩擦扭矩減小比例對比

摩擦扭矩減小比例越大，說明試驗油在降低發動機摩擦扭矩的能力越強，對應的燃油經濟性也越好。從圖3～圖5的試驗結果可以看出，LVl機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，說明機油中的一定量的Mo還是對減摩有一定幫助的，但是要和黏度特性綜合考慮。在高溫高速工況下，油品之間的黏度差異也相應減小，此時KV100占主導作用[10-11]。

根據整車在進行NEDC循環試驗的實測數據大致分布情況，確定了NEDC循環試驗的工況條件，即：機油溫度分別為60 °C，80 °C和100 °C；發動機轉速分別為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。通過模擬計算，將倒拖摩擦扭矩減小比例轉化為NEDC循環試驗節油比例，分別得到參比油，LVl機油，LV2機油，LV3機油和LV4機油的NEDC循環模擬結果，見表4。

表4 發動機主要性能參數

從表4的結果看，LVl機油的減摩能力較好，對應的燃油經濟性也會較好。LV1機油的100 °C運動黏度較小，VI黏度指數較高(100 °C運動黏度為7.95 mm2/s，VI為207，參見表1)，在高溫高剪切黏度相同的條件下，調配的LVl機油的100 °C運動黏度較小，更有利于提高燃油經濟性。通過幾種低黏度0W20機油的摩擦扭矩測量結果，篩選出調配的LVl機油為適合本機型的低黏度機油，在ISP的整車轉轂臺架上進行了油耗測試，并和參比油5W30的油耗數據進行對比，LVl機油相對于參比油5W30節油效果大約為1.5%，結果如表5所示。

表5 整車油耗測試結果

4 結論

(1) 低黏度機油0W20具有一定的節油效果，在摩擦磨損試驗和發動機倒拖臺架上都有降低摩擦的效果，減摩效果最好的一款0W20機油在整車NEDC油耗測試中，節油效果約為1.5%；

(2) 不同類型的0W20機油，100 °C運動黏度越小，同時含有一定量的Mo，節油效果越明顯；

低黏度機油的適用性和耐久性還需進行低黏度機油發動機臺架耐久測試、整車耐久試驗和機油消耗試驗等測試，并在試驗后對發動機進行拆解，對摩擦副的摩擦狀態進行評價。本文的研究成果為低黏度機油在發動機上的運用提供了支持和幫助。