0W-20機油對汽油發(fā)動機摩擦損失的影響研究

寧李譜 丁月蕾

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208）

主題詞：汽油發(fā)動機 機油 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格，節(jié)能減排成為汽車工業(yè)發(fā)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(jīng)為整車油耗的改進做出重要貢獻，而研發(fā)設計人員還希望借助使用節(jié)能效果更好的發(fā)動機油進一步提升燃油經(jīng)濟性[1-4]。

通常，發(fā)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(tài)，為了滿足發(fā)動機的使用要求，同時確保發(fā)動機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)，提升汽油機的燃油經(jīng)濟性。不同粘度級別的機油在不同的發(fā)動機上會有不同的摩擦損失和燃油消耗表現(xiàn)[5-9]。近些年，已有眾多汽車主機廠（Original Equipment Manufacturer,OEM）開始廣泛使用粘度級別為0W-20的機油，甚至研發(fā)出更低粘度級別的機油，例如，使用0W-16級別[10]和0W-8級別的機油。隨著發(fā)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(xiàn)的機油被開發(fā)出來，可以為各個汽車OEM提供更多、更好的選擇[11-12]。機油質量等級的不斷提升，使得低粘度的機油既能夠滿足發(fā)動機耐久要求，還能減少機械損失，降低燃油消耗[13-15]。

本文調配了4種0W-20粘度級別的機油，借助摩擦磨損試驗機和發(fā)動機臺架，考察并對比4種0W-20粘度級別的機油對汽油發(fā)動機摩擦性能的影響。

1 試驗用油

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

表1 試驗用油的典型理化數(shù)據(jù)

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(fā)動機某個摩擦副上的摩擦磨損特性進行測試，試驗臺架如圖1所示。本文考查了發(fā)動機缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦磨損情況，通過對比摩擦系數(shù)，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

2.2 發(fā)動機倒拖臺架

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

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(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，缸套的材質為HT 250。用往復式摩擦磨損試驗臺架對5W-30粘度級別的參比機油和試驗油品為LV1、LV2、LV3、LV4的4種0W-20粘度級別的試驗機油分別進行測試，試驗時間15 min，保證機油供應，確保摩擦副在流體潤滑狀態(tài)。摩擦系數(shù)的結果見表3。

表2 發(fā)動機主要性能參數(shù)

圖2 發(fā)動機倒拖測試臺架

表3 摩擦系數(shù)測量結果

從表3的結果可以看出，在降低摩擦系數(shù)方面，LV1機油表現(xiàn)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機油的粘度指數(shù)較大（參見表1），表示機油粘度受溫度的影響較以及100°C運動粘度相對較低（參見表1）的緣故。說明粘度穩(wěn)定性好，100°C運動粘度較低的機油更有利于降低摩擦系數(shù)。

3.2 發(fā)動機倒拖試驗

在發(fā)動機倒拖臺架上對參比機油、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粘度機油的摩擦性能。在測試時，設定溫度和轉速，測試參比機油的摩擦扭矩（摩擦扭矩為F1），然后用試驗機油（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，最后再測試參比機油的摩擦扭矩（摩擦扭矩為F2），保證摩擦扭矩為F1和F2時數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不能有太大差別，否則就需要重新進行上述試驗過程。取參比機油摩擦扭矩F1和摩擦扭矩F2的平均值與試驗機油的摩擦扭矩值進行對比，計算出兩者的扭矩差（扭矩差為參比機油摩擦扭矩的平均值與試驗機油的摩擦扭矩之差），同時摩擦扭矩減小比例也可以計算出來。最后用新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle,NEDC）測試溫度和轉速數(shù)據(jù)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(fā)動機轉速下參比機油與試驗機油的摩擦扭矩減小比例，如圖3～圖5所示。

圖3 60°C時摩擦扭矩減小比例對比

圖4 80°C時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，說明試驗機油在降低發(fā)動機摩擦扭矩的能力越強，對應的燃油經(jīng)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，說明機油中的有一定量的Mo對減摩有一定幫助，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減小，此時KV100占主導作用[15-16]。

根據(jù)整車在進行NEDC循環(huán)試驗的實測數(shù)據(jù)大致分布情況，確定了NEDC循環(huán)試驗的工況條件，即：機油溫度分別為60°C、80°C和100°C；發(fā)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(huán)試驗節(jié)油比例，分別得到參比機油、LVl機油、LV2機油、LV3機油和LV4機油的NEDC循環(huán)模擬結果，不同機油的NEDC循環(huán)模擬結果如表4所示。

表4 不同機油的NEDC循環(huán)模擬結果

從表4的結果可以看出，LVl機油的減摩能力較好，對應的燃油經(jīng)濟性也會較好。LV1機油的100°C運動粘度較小，VI粘度指數(shù)較高（100°C運動粘度為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，調配的LVl機油的100°C運動粘度較小，更有利于提高燃油經(jīng)濟性。通過幾種低粘度0W-20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粘度機油，在ISP的整車轉轂臺架上進行了油耗測試，進行整車NEDC試驗，綜合考慮整車市區(qū)及市郊工況，所得數(shù)據(jù)和參比機油的油耗數(shù)據(jù)進行對比，LVl機油相對于參比機油節(jié)油效果大約為1.5%，整車基本信息如表5所示，整車油耗測試結果如表6所示。

表5 整車基本信息

表6 整車油耗測試結果

4 結論

(1)低粘度機油0W-20具有一定的節(jié)油效果，在摩擦磨損試驗和發(fā)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0W-20機油在整車NEDC油耗測試中，節(jié)油效果約為1.5%；

(2)不同類型的0W-20機油，100°C運動粘度越小，同時含有一定量的Mo，節(jié)油效果越明顯。

低粘度機油的適用性和耐久性還需進行低粘度機油發(fā)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(fā)動機進行拆解，對摩擦副的摩擦狀態(tài)進行評價。本文的研究成果為低粘度機油在發(fā)動機上的運用提供了支持和幫助。