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(jī)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(yán)格，目前國(guó)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(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，其燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)整車油耗有很大影響。其中通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功而實(shí)現(xiàn)節(jié)油受到了越來(lái)越多的重視，而采用低黏度潤(rùn)滑油能夠?qū)τ行Ы档桶l(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功[1]。然而，潤(rùn)滑油黏度對(duì)整機(jī)可靠性起著至關(guān)重要的作用，過(guò)低的黏度會(huì)使油膜厚度和強(qiáng)度不足而使發(fā)動(dòng)機(jī)零件磨損增多，減少發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)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(rùn)滑油發(fā)展的趨勢(shì)。歐美已有眾多廠商采用0W20等級(jí)的潤(rùn)滑油[2]，帶來(lái)了良好的整車燃油經(jīng)濟(jì)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(rùn)滑油性能的同時(shí)可使黏度進(jìn)一步下降。針對(duì)0W16和0W08黏度進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)驗(yàn)證，均取得了良好的效果。國(guó)內(nèi)主要還在使用5W30和5W40黏度等級(jí)的潤(rùn)滑油，但潤(rùn)滑油對(duì)于整車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要性正逐漸被各大汽車廠商所認(rèn)識(shí)。越來(lái)越多的車企開始與潤(rùn)滑油公司合作致力開發(fā)低黏度高性能潤(rùn)滑油，并對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行一系列臺(tái)架及整車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文中通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量了測(cè)試油SN 0W20和參比油SM 5W30的機(jī)械摩擦損失和萬(wàn)有特性曲線，比較兩種潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。針對(duì)低黏度SN 0W20發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行了耐久試驗(yàn)，對(duì)比分析了發(fā)動(dòng)機(jī)耐久前后性能變化趨勢(shì)及潤(rùn)滑油品質(zhì)的變化，對(duì)整機(jī)潤(rùn)滑油匹配工作進(jìn)行初步探索。

1 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)

為避免干擾，潤(rùn)滑油均選擇API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑油(表1)，試驗(yàn)將SM 5W30作為參比油，SN 0W20作為測(cè)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(duì)溫度越不敏感)更高，如圖1所示。

表1 潤(rùn)滑油理化指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)油黏溫特性曲線

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

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響

測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試前須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用參比油在滿載條件下磨合2h。更換機(jī)油時(shí)需用測(cè)試油沖洗2遍，再注入新油進(jìn)行測(cè)試，且每次換油都需更換機(jī)油濾清器。潤(rùn)滑油加注到標(biāo)尺中刻度線處偏上，為保證每次加注量相同采用量杯進(jìn)行機(jī)油加注，首次加注量為3.6L。

2.1 機(jī)械摩擦損失試驗(yàn)

測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功時(shí)主要通過(guò)測(cè)功機(jī)電機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行，測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)在油門全開和全關(guān)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦力矩和摩擦功率[4]。選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～5 600r/min，測(cè)量點(diǎn)間隔為400r/min，一共13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，油溫控制在95±2℃。

圖2 油門全開摩擦轉(zhuǎn)矩和功率對(duì)比

圖2 和圖3分別表示參比油與測(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化狀況。可以看出，測(cè)試油與參比油摩擦轉(zhuǎn)矩和摩擦功率的變化趨勢(shì)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(cè)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(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000r/min以下時(shí)，測(cè)試油摩擦轉(zhuǎn)矩高于參比油；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，測(cè)試油摩擦轉(zhuǎn)矩平均比測(cè)試油降低0.7～2.6N·m，測(cè)試油摩擦功率較參比油降低3.4%～5.7%。測(cè)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(dòng)機(jī)的摩擦損失。

圖3 油門全閉摩擦轉(zhuǎn)矩和功率對(duì)比

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線是所有負(fù)荷特性和速度特性曲線的合成，它可表示發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作范圍內(nèi)主要參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和燃油消耗率等，通過(guò)萬(wàn)有特性曲線可分析發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性[5]。分別測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)在參比油與測(cè)試油狀態(tài)下的萬(wàn)有特性曲線，比較兩者燃油經(jīng)濟(jì)性的差別，試驗(yàn)條件控制和換油流程與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦損失試驗(yàn)相同。

圖4為將測(cè)試油燃油消耗率與參比油燃油消耗率作差值所得到的萬(wàn)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(jì)性優(yōu)于測(cè)試油，負(fù)數(shù)表示測(cè)試油燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于參比油，絕對(duì)值越大表示兩者燃油經(jīng)濟(jì)性差別越大。由圖可見(jiàn)：在大部分工況下測(cè)試油燃油經(jīng)濟(jì)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(jì)性低于參比油，主要是因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的工況下，測(cè)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(yàn)結(jié)果與潤(rùn)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(cè)試油燃油消耗率比參比油低11g/(kW·h)；在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況下(轉(zhuǎn)速2 000～3 200r/min，轉(zhuǎn)矩70～140N·m)，測(cè)試油燃油消耗率平均降低3～5g/(kW·h)。

圖4 燃油經(jīng)濟(jì)性差值MAP圖(測(cè)試油 參比油)

3 潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性影響

參比油SM 5W30經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和整車性能測(cè)試能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性能需求，針對(duì)低黏度的SN 0W20潤(rùn)滑油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)，驗(yàn)證低黏度潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)用的可行性，進(jìn)行耐久試驗(yàn)前發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需進(jìn)行磨合。耐久性試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為505h，每個(gè)測(cè)試循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)為1h，總共進(jìn)行505次循環(huán)。換油周期為100h，每100h試驗(yàn)完成后需檢查發(fā)動(dòng)機(jī)各附件狀態(tài)，然后注入新的潤(rùn)滑油繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，換油需清洗2次，不更換機(jī)油濾清器。試驗(yàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(fēng)冷結(jié)合降溫的方式。試驗(yàn)完成后須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解觀察摩擦副的磨損狀態(tài)并進(jìn)行評(píng)分。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性能測(cè)試

為研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨耐久時(shí)間的變化情況，每100h耐久試驗(yàn)完成更換機(jī)油前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～5 600r/min，油門全開狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率、燃料消耗量隨轉(zhuǎn)速的變化情況。測(cè)量點(diǎn)間隔為200r/min，共24個(gè)。

圖5～圖7分別為油門全開條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率隨耐久時(shí)間的變化狀況。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著耐久時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能與初始狀態(tài)差別不大，經(jīng)過(guò)505h耐久后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率在轉(zhuǎn)速1 500～4 000r/min區(qū)間出現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，在3 000r/min時(shí)下降幅度最大為9.4%?？傮w來(lái)看，采用低黏度的0W20潤(rùn)滑油進(jìn)行耐久試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)摩擦副損壞和性能大幅度衰減的現(xiàn)象，說(shuō)明潤(rùn)滑油滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性要求。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久各階段功率對(duì)比

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久各階段轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)各階段燃油消耗率對(duì)比

3.2 機(jī)油消耗量試驗(yàn)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量可判定發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)與氣缸之間的磨損狀態(tài)。耐久試驗(yàn)每進(jìn)行100h會(huì)進(jìn)行潤(rùn)滑油的更換，試驗(yàn)采用放油測(cè)質(zhì)量法來(lái)確定機(jī)油消耗量[6]，測(cè)量放出的機(jī)油、量杯和漏斗的總質(zhì)量W1，將油倒回發(fā)動(dòng)機(jī)，再測(cè)量未能倒凈的機(jī)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(jī)油量Wi。耐久試驗(yàn)完成后需靜置發(fā)動(dòng)機(jī)1h以上，待潤(rùn)滑油完全流回油底殼后將油放出，放油時(shí)間為15min并進(jìn)行測(cè)量，得到試驗(yàn)后放出的機(jī)油、量杯和漏斗的總質(zhì)量W3，W3與W2之差即為試驗(yàn)后放出的機(jī)油量Wo，機(jī)油總消耗量Go＝Wi-Wo，平均機(jī)油消耗量為Go/100。測(cè)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖可見(jiàn)：隨著耐久時(shí)長(zhǎng)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量逐漸增加，前300h，機(jī)油消耗量較小，經(jīng)過(guò)400h耐久后，平均機(jī)油消耗量超過(guò)40g/h，說(shuō)明此時(shí)活塞環(huán)與氣缸壁之間磨損加劇，驗(yàn)證了此前試驗(yàn)中505h后發(fā)動(dòng)機(jī)性能出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)505h耐久后機(jī)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(jī)油消耗量

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

外特性曲線表示在油門全開條件下發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，常用來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[7]。分別測(cè)定耐久前后發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線。耐久試驗(yàn)后測(cè)定外特性曲線需用測(cè)試油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖洗兩遍并更換全新的機(jī)油濾清器，再注入測(cè)試油進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 耐久前后外特性曲線對(duì)比

由圖可見(jiàn)：耐久試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速性能小幅下降，與耐久試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相符，下降幅度屬于正常范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)可正常運(yùn)行。

3.4 潤(rùn)滑油化學(xué)分析

對(duì)每100h耐久后試驗(yàn)用油進(jìn)行理化指標(biāo)及元素含量的分析試驗(yàn)，分析潤(rùn)滑油各理化指標(biāo)隨耐久的變化狀況，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油中各元素的含量分析可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行測(cè)量[8]。

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

(1)經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度均有一定程度的下降，下降幅度為7%～10.5%。發(fā)動(dòng)機(jī)油的黏度變化是油品正常氧化、混入輕質(zhì)燃油及進(jìn)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(dòng)機(jī)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(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)在400h后性能下降與機(jī)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(jìn)水有關(guān)。油樣中硅含量偏高通常與粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入有關(guān)。

總體看來(lái)，在SN 0W20發(fā)動(dòng)機(jī)油耐久試驗(yàn)過(guò)程中，初期使用100h出現(xiàn)進(jìn)水偏大、混入粉塵等現(xiàn)象。100h更換新油后，在測(cè)試油的各項(xiàng)理化指標(biāo)正常，存在少量進(jìn)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(dòng)機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)良好，可繼續(xù)使用。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)拆解

耐久試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(duì)各部件狀態(tài)進(jìn)行評(píng)分以最終評(píng)定耐久試驗(yàn)結(jié)果。

圖10為經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)3大摩擦副的磨損狀態(tài)?？梢钥吹?，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(yùn)動(dòng)副接觸摩擦，主軸瓦表面質(zhì)量良好，凸輪軸表面光亮無(wú)明顯擦傷。綜合來(lái)看，耐久后發(fā)動(dòng)機(jī)主要摩擦副均無(wú)明顯磨損，表明發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)良好，SN 0W20能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性需求。

表3 耐久測(cè)試油樣分析

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)主要摩擦副磨損狀態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，比較了參比油SM 5W30與測(cè)試油SN 0W20燃油經(jīng)濟(jì)性之間的差別，并對(duì)SN 0W20潤(rùn)滑油進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)低黏度SN 0W20潤(rùn)滑油能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，全工況節(jié)油率可達(dá)1%～3.5%；

(2)SN 0W20潤(rùn)滑油相比SM 5W30對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能影響不大，耐久試驗(yàn)后，主要性能指標(biāo)(性能、機(jī)油消耗量、摩擦副磨損量)均滿足要求，驗(yàn)證了降低黏度在發(fā)動(dòng)機(jī)上可行性；

(3)潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)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(rùn)滑油的穩(wěn)定性能能滿足耐久性要求，潤(rùn)滑油壽命能達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的一般要求；

(4)本文中針對(duì)低黏度潤(rùn)滑油進(jìn)行了一系列臺(tái)架試驗(yàn)研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的低黏化工作提供了參考。