柴油機油對燃油經(jīng)濟性的影響因素分析

吳章輝,何大禮,趙鵬,姜楊

(東風商用車有限公司技術中心，湖北 十堰 442000)

0 引言

對于重型柴油發(fā)動機，在過去的10至15年里，人們一直著重于減少發(fā)動機廢氣中的顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)，這與發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性相矛盾。在某些情況下，常常以犧牲燃油經(jīng)濟性來優(yōu)化廢氣排放，例如，延遲噴射可以降低顆粒物排放但同時降低了燃油經(jīng)濟性。近年來，在美國、日本和歐洲，大多數(shù)OEM建立了滿足現(xiàn)有排放法規(guī)的標準。全球氣候變化立法和高漲的燃料成本導致了人們減少對二氧化碳排放的興趣，并將重點轉移到燃料經(jīng)濟性的改善上。燃油經(jīng)濟性的改善逐漸成為重型柴油機制造商關注的焦點，發(fā)動機燃燒過程的優(yōu)化、內部摩擦的減少以及傳動系的優(yōu)化都使得燃油經(jīng)濟性在這些年來有了很大的改進。

有研究表明，通過發(fā)動機的技術升級來提髙1%的燃油經(jīng)濟性的成本約為1150美元，采用動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化來提髙1%燃油經(jīng)濟性的成本約為1450美元，而采用節(jié)能型潤滑油來提髙1%燃油經(jīng)濟性的成本約為80美元。由此可見，采用節(jié)能型潤滑油是提升柴油車燃油經(jīng)濟性最經(jīng)濟和最易達到的途徑之一[1]。

目前，國內有關柴油機油的研究更多地關注降低排放和延長換油期，而針對重型商用車節(jié)能型柴油機油的研究幾乎還未見報道。為此，本文通過綜述近期的國內外文獻，分析柴油機油對燃油經(jīng)濟性的影響，為重型商用車提髙燃油經(jīng)濟性提供有力的理論支撐。

1 燃油經(jīng)濟性測試方法

不管在實驗室中還是在實際使用中，商用車的燃油經(jīng)濟性測試一直是一個難點。SAE早在1981年就發(fā)布了一個測試燃油經(jīng)濟性的道路測試標準，即SAE J1321。這是一個實車跑實際道路的測試方法，測試過程中嚴格控制測試條件(車輛、天氣、道路、交通等)。通過采集燃油消耗量等其他數(shù)據(jù)來分析被測油品的燃油經(jīng)濟性。日本采用Hino NO4C 發(fā)動機測試來評價燃油經(jīng)濟性，這個測試是一個穩(wěn)態(tài)測試，共有30個穩(wěn)態(tài)循環(huán)，控制2個機油溫度，機油溫度包含2個級別 60 ℃和90 ℃， 可以評估新油和舊油的燃油經(jīng)濟性[2]。

Volvo卡車將潤滑油對燃油經(jīng)濟性的貢獻加入其潤滑油規(guī)范當中， 建立了Volvo D12D 燃油經(jīng)濟性測試程序。Volvo D12D 燃油經(jīng)濟性測試采用13種工況模式的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)，測量發(fā)動機在各種工作條件下的燃油消耗。為了獲得代表實際狀況的燃油經(jīng)濟性測量方法，Volvo為13種模式的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)開發(fā)了兩套專有的加權因子，即長途公路條件和丘陵條件。圖1顯示了13種模式的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)的定義，發(fā)動機速度被定義為怠速、最大扭矩速度、最大功率速度以及最大扭矩和最大功率點之間的發(fā)動機轉速。發(fā)動機負荷被定義為：怠速狀態(tài)的0%，其他的點是發(fā)動機規(guī)定轉速下的25%、50%、75%和100%。

圖2提供了速度和負載順序的可視化表示，將參考油和候選油在13種模式下的結果進行對比。在這13個模式上，參考油和候選油各跑5次，平均2～5次的測量結果決定每種模式的燃油消耗。這些數(shù)字乘以Volvo專有的加權系數(shù)，然后得出一個綜合加權燃油經(jīng)濟性。

圖113種工況模式的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)

圖2 可視化的速度和負載順序

Volvo D12D燃油經(jīng)濟性試驗是一個重型柴油機燃油經(jīng)濟性的行業(yè)標準。采用Volvo歐Ⅲ發(fā)動機，具體參數(shù)如下：6缸直列配置；12.130 L排量；最大功率338 kW(1800轉)；最大扭矩2200 N·m(1200轉)。使用15W-30作為參考油。

2 燃油經(jīng)濟性影響因素分析

2.1 添加劑的影響

添加劑是柴油機油重要的組成部分，添加劑的種類和含量決定了機油的性能。摩擦行為是影響燃油經(jīng)濟性的直接因素，為了增加添加劑對摩擦影響的認識，研究人員做了一項評價3種最重要的添加劑(分散劑、清凈劑、抗磨劑)對摩擦的影響的研究[3]，見圖3～圖5。在上述3類添加劑中選擇了一些常見的添加劑，用高頻往復試驗機(HFRR)測量了摩擦系數(shù)。結果表明，同一類添加劑之間的摩擦行為存在差異。第二個發(fā)現(xiàn)是，添加劑的摩擦特性和溫度有關，這表明添加劑的表面化學性質可能會影響摩擦。

圖3不同分散劑對摩擦的影響

圖3顯示了不同溫度下各個試驗油的摩擦系數(shù)。試驗在相同的頻率下進行。其中，參考組(Baseline)的配方為沒有任何分散劑的全配方油，剩下配方是分別在Baseline的基礎上添加分散劑A、B、C、D、E。摩擦行為的變化是很明顯的。分散劑B在任何溫度下都增大了摩擦系數(shù)，分散劑A、C、D、E在低溫下降低了摩擦系數(shù)，在80 ℃以上時，分散劑A、C、D、E增加摩擦系數(shù)。值得注意的是，分散劑E在溫度高于120 ℃時會降低摩擦系數(shù)?？梢酝茰y，在低溫時，分散劑對摩擦的影響主要是因為分散劑生成黏性薄膜；在高溫時，分散劑和二硫代磷酸鋅之間的化學作用是影響摩擦的主要因素。

圖4顯示了不同的清凈劑對摩擦的影響。可以看出，大多數(shù)清凈劑都和基線靠的很近，這表明在測試條件下清凈劑對摩擦的影響非常小。值得關注的是，清凈劑B在整個試驗過程中都是增加摩擦的，分散劑F在整個試驗過程中都是降低摩擦的。

圖4清凈劑對摩擦的影響

圖5抗磨劑對摩擦的影響

圖5顯示了抗磨劑對摩擦的影響。3種不同的二硫代磷酸鋅鹽同沒有任何抗磨劑的基線做了對比。數(shù)據(jù)顯示，具有較低活化溫度的抗磨劑A和B在低溫下活躍，能夠形成一層抗磨薄膜，從而增加摩擦。隨著溫度的上升，膜變得更加均勻更加平滑，結果是與基線相比摩擦系數(shù)會降低?？鼓〢用量一半的配方那組，顯示了相類似的結果，但是在低溫時與基線靠的很近高溫時摩擦系數(shù)降的也很低?？鼓〤具有較高的活化溫度，在低溫下，不會干擾摩擦間的接觸，但是隨著溫度的升高，抗磨層開始形成，摩擦增加，溫度沒有達到足夠高，無法形成完整的抗磨層，最后摩擦系數(shù)又將降低。

圖6顯示了發(fā)動機轉速和載荷同燃料消耗改善的關系。相對于沒有摩擦改進劑的5W-30，摩擦改進劑E和摩擦改進劑F兩者都表現(xiàn)出了明顯的燃油消耗改善。值得關注的是，摩擦改進劑F似乎在低速大負荷時更加有效，這表明摩擦改進劑F改善了邊界潤滑。加有摩擦改進劑的5W-30同沒有加摩擦改進劑的15W-40相比，燃油改善從低速大負荷的1 g/kW·h(0.5%的燃油經(jīng)濟性改善)到高速小負荷的5 g/kW·h(2.5%的燃油經(jīng)濟性改善)。這其中，添加劑導致的改善和黏度降低導致的改善比例大概為1∶3。

圖6 在Volvo D12D試驗中摩擦改進劑對燃油經(jīng)濟性的影響

2.2 黏度的影響

在內燃機工作過程中，軸承受到很高的沖擊載荷，發(fā)動機油在軸承處的油膜溫度高達140～160 ℃，受到約106s-1高速率的剪切。如果油膜強度得不到保持，往往會引起軸承各種故障的發(fā)生，嚴重時還可能發(fā)生燒結。HTHS黏度通常被認為是多級發(fā)動機油在缸套活塞組和連桿軸承區(qū)域的真實黏度，對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性有很大的影響。

運動黏度是衡量發(fā)動機油油膜強度、流動性的重要指標之一，可以反映油品內摩擦力的大小。發(fā)動機油運動黏度越大，其油膜強度越高，黏附性越好，但流動性會變差，摩擦阻力也會隨之增大，從而使油耗增加；反之，發(fā)動機油運動黏度越小，其流動性越好，摩擦阻力越小，從而降低油耗，但運動黏度過小可能會造成磨損的增加。

Van Dam[4]等人研究了不同黏度等級的柴油機油的燃油經(jīng)濟性，圖7是不同黏度等級的機油在Volvo D12D燃油經(jīng)濟性測試中的官方結果。測試以15W-30為參考油。由圖7可知，5W-30機油相對于15W-30的機油燃油經(jīng)濟性有0.3%～0.5%的提升，10W-30機油相對于15W-30的機油燃油經(jīng)濟性有0.2%左右的提升。15W-40、10W-40、5W-40相對于15W-30的機油燃油經(jīng)濟性則分別降低0.7%、0.5%和0.3%。X-30的油燃油經(jīng)濟性普遍高于X-40的油。

圖7 不同黏度等級的機油在Volvo D12D燃油

研究人員[5]研究了燃油經(jīng)濟性同低溫動力黏度(CCS)、100 ℃運動黏度以及高溫高剪切黏度的關系，見圖8～圖10。

圖8 燃油經(jīng)濟性提升同-20℃低溫動力黏度的關系

圖8表示的是燃油經(jīng)濟性提升同-20 ℃的低溫動力黏度的關系。擬合的結果顯示，R2的值為0.45,表明低溫動力黏度的大小同燃油經(jīng)濟性關聯(lián)不大。這個結果可以預料，因為在測量燃油消耗之前，發(fā)動機就已經(jīng)進行過預熱，測試中機油的使用溫度超過100 ℃。

圖9 燃油經(jīng)濟性同100℃運動黏度的關系

燃油經(jīng)濟性同100 ℃運動黏度的關系見圖9，相關性R2的值為0.64，表明100 ℃運動黏度同燃油經(jīng)濟性的關聯(lián)程度不大。

圖10 新油的高溫高剪切黏度(HTHS)同燃油經(jīng)濟性的關系

新油的高溫高剪切黏度(HTHS)同燃油經(jīng)濟性的關系見圖6。R2為0.78，同前兩個因素相比，相關性明顯提高。在所述3個黏度參數(shù)中，高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性的關聯(lián)程度最大。在發(fā)動機內部，機油對燃油經(jīng)濟性的影響確實體現(xiàn)在剪切黏度上。關鍵問題是，什么程度的剪切才能恰當?shù)胤从硻C油對燃油經(jīng)濟性的貢獻。HTHS測試方法中，機油經(jīng)過106s-1程度的剪切，這將會造成黏度的暫時損失。Kurt-Ohrban剪切穩(wěn)定性測試(也叫Bosch剪切測試)是比HTHS更加嚴格的剪切測試方法。經(jīng)過Kurt-Ohrban剪切穩(wěn)定性測試后，機油的黏度損失是永久性的。

圖11、圖12顯示的是經(jīng)過90個Kurt-Ohrban剪切穩(wěn)定性測試循環(huán)后的100 ℃運動黏度和高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性的關聯(lián)。R2的值分別為0.91和0.92，表明經(jīng)過永久黏度損失后，100 ℃運動黏度和高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性的關聯(lián)性明顯提升。

圖11 90個Bosch剪切測試循環(huán)后的100℃運動黏度同燃油經(jīng)濟性的關系

圖12 90個Bosch剪切測試循環(huán)后的高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性的關系

Volvo D12D舊油的HTHS同燃油經(jīng)濟性的關系見圖13。R2值為0.87，這個結果同圖8的結果是一致的，進一步說明經(jīng)過永久剪切損失后的黏度同燃油經(jīng)濟性關聯(lián)性最強。

圖13 Volvo D12D試驗舊油的高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性的關系

由圖11、圖12、圖13可知，在一定黏度范圍內，經(jīng)過永久剪切后的黏度越低，燃油經(jīng)濟性越好。

2.3 基礎油的影響

Igarashi[6]等研究了不同類型的基礎油對燃油經(jīng)濟性的影響。結果表明：在相同的運動黏度和高溫高剪切黏度下，采用加氫精制基礎油調合得到的油品，其平均燃油經(jīng)濟性要比溶劑精制基礎油調合所得油品高0.8%左右。高黏度指數(shù)的API Ⅲ類加氫基礎油和Ⅳ類合成基礎油比API Ⅰ類、Ⅱ類基礎油節(jié)能性優(yōu)越。

此外也有不少研究者[7-8]發(fā)現(xiàn)，對于具有相同HTHS黏度的油品，提高其黏度指數(shù)可以改善油品的燃油經(jīng)濟性。這主要是因為提高黏度指數(shù)可以減少軸承的摩擦，其結果是降低了能量損失，有利于燃油經(jīng)濟性的提升。

2.4 溫度的影響

余嘉敏[9]用試驗和回歸分析的方法研究了冷卻水和潤滑油溫度對柴油機燃油經(jīng)濟性的影響。結果表明，冷卻水和潤滑油的溫度對柴油機油耗有較大的影響，當柴油機處于低轉速、部分負荷、低冷卻水與潤滑油的溫度下工作時，其影響更大。

黎謙[10]研究了啟動階段溫度對燃油經(jīng)濟性的影響，試驗結果表明，隨著發(fā)動機潤滑油溫度的升高，整車綜合油耗成線性關系降低，溫度從22.7 ℃升至27.4 ℃，綜合油耗下降2.33%。

3 結論

(1)提升燃油經(jīng)濟性需要使用摩擦改進劑，添加劑包中的其他組分必須是能夠優(yōu)化摩擦的配方。

(2)10W-30、5W-30的柴油機油相比5W-40、10W-40、15W-40具有更好的燃油經(jīng)濟性。高溫高剪切黏度同燃油經(jīng)濟性具有線性關系。

(3)高黏度指數(shù)的API Ⅲ類加氫基礎油和Ⅳ類合成基礎油比Ⅰ類、Ⅱ類基礎油更具有燃油經(jīng)濟性。

(4)潤滑油溫度對燃油經(jīng)濟性也有一定的影響。