低粘度潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及可靠性影響的研究

柳國(guó)立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

低粘度潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及可靠性影響的研究

柳國(guó)立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

從燃油經(jīng)濟(jì)性及可靠性兩方面詳細(xì)研究了匹配低粘度潤(rùn)滑油對(duì)CA4GA5發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的影響。燃油經(jīng)濟(jì)性主要通過(guò)臺(tái)架反拖測(cè)量摩擦功及整車NEDC循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)驗(yàn)證證明采用低粘度潤(rùn)滑油具備1%～2%的節(jié)油空間；通過(guò)對(duì)整機(jī)性能、潤(rùn)滑油壓力、漏氣量、潤(rùn)滑油消耗量及軸承磨損等進(jìn)行評(píng)價(jià)，用于確定采用低粘度潤(rùn)滑油對(duì)整機(jī)可靠性的影響。

1 前言

隨著第3階段乘用車油耗法規(guī)實(shí)施的日益臨近，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，其中通過(guò)降低整機(jī)摩擦功而實(shí)現(xiàn)節(jié)油受到了越來(lái)越多的重視，而采用低粘度潤(rùn)滑油[1]能夠?qū)档驼麢C(jī)摩擦功起到立竿見影的效果。然而，潤(rùn)滑油粘度對(duì)整機(jī)可靠性起著至關(guān)重要的作用，因此如何在不影響可靠性的前提下最大限度的優(yōu)化潤(rùn)滑油粘度成為需要研究的重要內(nèi)容。

本文通過(guò)對(duì)CA4GA5發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑油粘度對(duì)燃油消耗量及可靠性影響的相關(guān)研究與試驗(yàn)，對(duì)整機(jī)潤(rùn)滑油匹配工作進(jìn)行初步探索。

2 潤(rùn)滑油粘度選擇的基本依據(jù)

Stribeck曲線[2]是一個(gè)被廣泛熟知的摩擦理論，如圖1所示。潤(rùn)滑狀態(tài)分為壓力潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑及邊界潤(rùn)滑3種形式。當(dāng)施加的力（F）和相對(duì)速度（V）保持一定時(shí)，隨著潤(rùn)滑油粘度（η）的降低，潤(rùn)滑狀態(tài)的變化順序由壓力潤(rùn)滑（Ⅲ）到混合潤(rùn)滑（Ⅱ）再到邊界潤(rùn)滑（Ⅰ）。

圖1也表達(dá)了摩擦系數(shù)隨潤(rùn)滑狀態(tài)的變化趨勢(shì)。在壓力潤(rùn)滑情況下，摩擦系數(shù)隨著粘度的降低而減小，這也是應(yīng)用低粘度潤(rùn)滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據(jù)；當(dāng)粘度降低到一個(gè)臨界點(diǎn)后，潤(rùn)滑狀態(tài)變?yōu)榛旌蠞?rùn)滑或者邊界潤(rùn)滑，從而使摩擦系數(shù)迅速增大，此時(shí)不僅不會(huì)降低摩擦功，反而會(huì)造成運(yùn)動(dòng)件磨損加劇，最終導(dǎo)致整機(jī)可靠性無(wú)法保證等問(wèn)題。

結(jié)合圖1，可知發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件所處的潤(rùn)滑狀態(tài)如下：

a.主軸承、連桿軸承、凸輪軸承均處于壓力潤(rùn)滑范圍內(nèi)；

b.缸筒、活塞環(huán)組成的摩擦副則介于壓力潤(rùn)滑與混合潤(rùn)滑之間；

c.鏈條、凸輪以及閥系則介于混合潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑之間。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油來(lái)講，低粘度和摩擦改進(jìn)劑（FM）是獲取燃油經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

通過(guò)上述分析，得出采用低粘度潤(rùn)滑油需要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

a.軸承磨損。由于降低潤(rùn)滑油粘度可能造成軸承油膜厚度降低，因此必須驗(yàn)證軸承是否會(huì)出現(xiàn)異常磨損；

b.潤(rùn)滑油消耗量增加。因?yàn)榈驼扯葷?rùn)滑油包含更多的小分子，所以揮發(fā)量更多，因此隨著潤(rùn)滑油消耗量的增加，需要特別關(guān)注該問(wèn)題；

c.加工精度。由于國(guó)內(nèi)部件加工精度較差，因此需要驗(yàn)證低粘度潤(rùn)滑油是否能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)加工精度。

3 低粘度潤(rùn)滑油對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)搭載的是型號(hào)為CA4GA5的發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表1所列。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

3.2 臺(tái)架反拖摩擦功試驗(yàn)

3.2.1 臺(tái)架反拖摩擦功測(cè)試方法

臺(tái)架測(cè)量整機(jī)摩擦功主要是通過(guò)電力測(cè)功機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)的方法進(jìn)行的。

需要注意的是，在試驗(yàn)時(shí)，不允許增加潤(rùn)滑油輔助循環(huán)系統(tǒng)，所以試驗(yàn)前在增加潤(rùn)滑油加熱裝置時(shí)，一定要確定油面的變化不會(huì)影響整機(jī)摩擦功。

3.2.2 潤(rùn)滑油主參數(shù)

試驗(yàn)主要對(duì)比的是現(xiàn)生產(chǎn)采用的SL級(jí)10 W-30和SM級(jí)0 W-20兩種潤(rùn)滑油，油樣的元素含量對(duì)比見表2，粘溫曲線如圖2所示。

表2 不同油樣元素含量對(duì)比μg/g

從兩組油樣元素含量以及粘溫曲線對(duì)比結(jié)果可以看出，除了粘度等級(jí)不同外，SM級(jí)0W-20機(jī)油還添加了以鉬化合物為主的摩擦改進(jìn)劑，用于優(yōu)化處于混合潤(rùn)滑以及邊界潤(rùn)滑時(shí)摩擦表面的摩擦系數(shù)。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)臺(tái)架反拖摩擦功試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、不同潤(rùn)滑油溫度工況下（通過(guò)外接水恒溫裝置，將水溫控制在85±5℃范圍內(nèi)），采用0W-20潤(rùn)滑油均能夠降低整機(jī)摩擦功，尤其在1 000～3 000 r/min（乘用車常用工況）時(shí)降幅尤為明顯，可達(dá)到2.7%～5.9%。

3.3 整車NEDC循環(huán)試驗(yàn)

在完成整機(jī)摩擦功試驗(yàn)后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證整車節(jié)能情況，通過(guò)A130整車搭載CA4GA5發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，采用0 W-20潤(rùn)滑油后，整車NEDC循環(huán)下的油耗能夠降低1.5%～2%，從而證明低粘度潤(rùn)滑油有助于改善油耗。

4 低粘度潤(rùn)滑油對(duì)可靠性的影響

4.1 軸瓦油膜厚度校核

5．藥敏紙片試驗(yàn)結(jié)果見表2。藥敏紙片試驗(yàn)結(jié)果表明敏感的藥物依次是：頭孢菌素、環(huán)丙沙星；中度敏感的依次是：青霉素和卡那霉素；而對(duì)土霉素、鏈霉素、慶大霉素具有抗藥性。

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)前，首先針對(duì)不同粘度潤(rùn)滑油對(duì)軸瓦油膜厚度進(jìn)行校核，校核結(jié)果如圖5、圖6所示。

通過(guò)分析結(jié)果可以看出，采用低粘度潤(rùn)滑油后，無(wú)論主軸承還是連桿軸承，油膜厚度都明顯減小，接近評(píng)價(jià)指標(biāo)，但需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 可靠性試驗(yàn)邊界條件控制

低粘度潤(rùn)滑油對(duì)可靠性影響主要通過(guò)搭載本公司標(biāo)準(zhǔn)可靠性臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)評(píng)價(jià)整機(jī)性能、油壓、漏氣量、機(jī)油消耗量以及軸瓦磨損來(lái)判定試驗(yàn)是否通過(guò)。

為了能夠準(zhǔn)確的驗(yàn)證潤(rùn)滑油對(duì)可靠性的影響，需要對(duì)試驗(yàn)時(shí)的潤(rùn)滑油加注量、油溫、換油周期、功率、扭矩、水溫以及外循環(huán)進(jìn)行設(shè)定，具體見表3。

表3 可靠性試驗(yàn)邊界條件

4.3 可靠性試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 整機(jī)性能影響

針對(duì)不同油品進(jìn)行功率及油耗對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8所示。從對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用0 W-20潤(rùn)滑油后，整機(jī)功率、油耗基本無(wú)變化，其主要與試驗(yàn)工況有關(guān)，在進(jìn)行外特性數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，一般都是在水溫85℃、油溫100℃邊界下（與NEDC工況有較大差異）進(jìn)行，此時(shí)通過(guò)采用低粘度潤(rùn)滑油降低的摩擦功相對(duì)較小，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于全負(fù)荷工況，摩擦功所占的比例相對(duì)于整車NEDC工況（發(fā)動(dòng)機(jī)主要工況為部分負(fù)荷）下要小很多，因此此時(shí)節(jié)油效果幾乎體現(xiàn)不出來(lái)。

4.3.2 潤(rùn)滑油壓力試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)前、后分別進(jìn)行潤(rùn)滑油壓力及漏氣量的試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)整機(jī)磨損對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，可靠性試驗(yàn)后潤(rùn)滑油壓力降低、漏氣量明顯增加，說(shuō)明整機(jī)產(chǎn)生一定程度的磨損，但潤(rùn)滑油壓力、漏氣量均未達(dá)到試驗(yàn)規(guī)范中限值的要求。

4.3.3 潤(rùn)滑油消耗量試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的同時(shí)，檢測(cè)整機(jī)潤(rùn)滑油消耗量的變化，并通過(guò)與參比油對(duì)比，評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油消耗量是否滿足要求。潤(rùn)滑油消耗量試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用低粘度潤(rùn)滑油后其消耗量有一定增加，但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的潤(rùn)滑油消耗量?jī)H為0.53‰，遠(yuǎn)小于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)3‰的要求。

4.3.4 軸瓦磨損試驗(yàn)結(jié)果

可靠性試驗(yàn)前、后分別測(cè)量主軸瓦、連桿軸瓦的質(zhì)量，以此來(lái)評(píng)價(jià)降低粘度后油膜厚度是否能夠滿足軸瓦工作要求。

主軸瓦、連桿軸瓦失重對(duì)比如圖14、圖15所示，可以看出，相對(duì)于SL級(jí)10W-30機(jī)油，采用SM級(jí)0W-20潤(rùn)滑油后主軸瓦、連桿軸瓦失重雖然有一定增加，但處于正常范圍內(nèi)，因此降低粘度后的油膜厚度仍滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭載CA4GA5發(fā)動(dòng)機(jī)及A130整車進(jìn)行低粘度潤(rùn)滑油燃油對(duì)經(jīng)濟(jì)性及整機(jī)可靠性驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

a.采用低粘度潤(rùn)滑油后，整機(jī)摩擦功有明顯改善，在1000～3000r/min時(shí)降幅更為明顯，達(dá)到2.7%～5.9%；在NEDC工況下，整車燃油消耗量降低1%～2%。

b.采用0W～20潤(rùn)滑油相對(duì)于現(xiàn)生產(chǎn)10W～30潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能影響不大，可靠性試驗(yàn)結(jié)束后，主要指標(biāo)（性能、油壓、漏氣量）均滿足要求。

c.采用低粘度潤(rùn)滑油后，潤(rùn)滑油消耗增加量在正常范圍內(nèi)。

d.采用低粘度潤(rùn)滑油后，不會(huì)出現(xiàn)由于油膜厚度降低而導(dǎo)致軸瓦異常磨損的現(xiàn)象。

通過(guò)本次研究可以證明，0 W-20粘度的潤(rùn)滑油完全能夠滿足一汽集團(tuán)自主研發(fā)的TA1系列自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

1Kobayashi N.，Suzuki T.，karmoka R.，etal.Study of Future Engine Oil(First Report):Future Engine Oil Scenario.SAE Technical Paper，2007-01-1997.

2Yosuke Okuyama，Daichi Shimokoji，Takayuki Sakurai，etal. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability.SAE，2011-01-1247.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Impact Study of Low Viscosity Lubricating Oil on Engine Fuel Economy and Reliability

Liu Guoli，Han Junnan，Tao Chunsheng，He Zhanzhong，Tan Shaobo
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

This article studies in details the effect of low-viscosity lubricating oil on fuel efficiency and reliability of engine CA4GA5.The fuel economy is mainly evaluated through the reverse-drag friction work measurement and NEDC test.The results prove that low-viscosity engine oil contributes to oil-saving of about 1%～2%.The engine performance，oil pressure，gas leakage，lubricant oil consumption and bearing wear are evaluated to confirm the effect of low-viscosity oil on engine reliability.

Low viscosity lubricating oil,Fuel economy,Reliability

低粘度潤(rùn)滑油燃油經(jīng)濟(jì)性可靠性

U461.8

：A

：1000-3703(2014)01-0054-04