低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的影響研究

周 正 孔祥馗 張 鴻

（1.廣西交投物流集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)和乘用車第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始實(shí)施，眾多主機(jī)廠（Original Equipment Manufacturer，OEM）開展了大量節(jié)能降耗的研究。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車關(guān)鍵部件，其燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)整車油耗的影響尤為重要。許多OEM采用了高效燃燒、高壓噴油等技術(shù)來降低油耗，而研發(fā)設(shè)計(jì)人員還希望借助使用節(jié)能機(jī)油來進(jìn)一步提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中借助機(jī)油來實(shí)現(xiàn)減摩潤(rùn)滑的目的，減少磨損，提高效率。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副正常潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低機(jī)油黏度，尤其是高溫高剪切黏度，可以減少流體潤(rùn)滑狀態(tài)下部件的摩擦損失，如發(fā)動(dòng)機(jī)軸承和缸套-活塞組，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和油品質(zhì)量的提高以及新型添加劑的開發(fā)，低黏度的機(jī)油既能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久要求，還能減少機(jī)械損失，降低燃油消耗。低黏度機(jī)油會(huì)添加專用的減摩抗磨劑如MoDTC和鉬胺化合物等，通過形成化學(xué)反應(yīng)膜或物理吸附膜來保證關(guān)鍵摩擦副的潤(rùn)滑，減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。通常，不同的摩擦副處于不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)擁有可靠的耐久性能，需要綜合考慮潤(rùn)滑油的黏度特性與摩擦特性。綜合性能好的潤(rùn)滑油有助于摩擦副表面形成潤(rùn)滑油膜，改善潤(rùn)滑狀態(tài)，提升汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

因此，該文選配4種0W20低黏度機(jī)油，通過四球試驗(yàn)和SRV摩擦試驗(yàn)，篩選出摩擦學(xué)性能較好的低黏度機(jī)油，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)，在油門全開與全關(guān)兩種狀態(tài)下，比較低黏度機(jī)油與參比油發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦力矩與摩擦功率損失，研究低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性提升程度。

1 試驗(yàn)用油

該文使用SM5W-30的機(jī)油作為參比油，配制4種0W20低黏度機(jī)油，各試驗(yàn)油樣的理化性質(zhì)見表1。由理化參數(shù)可知，與參比油相比，低黏度機(jī)油具有更低的黏度和更高的黏度指數(shù)，在低溫條件下，機(jī)油的黏度低，可以更快地泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副，起到良好的潤(rùn)滑作用，在高溫條件下，由于黏度指數(shù)較高，可以保證油膜厚度，起到良好的潤(rùn)滑保護(hù)作用。

表1 試驗(yàn)油樣的理化性質(zhì)

2 摩擦試驗(yàn)

2.1 四球摩擦試驗(yàn)

該文采用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)評(píng)定各機(jī)油的承載能力和抗極壓性能。試驗(yàn)將4個(gè)測(cè)試鋼球按等邊四面體排布，下三球用油盤固定在一起靜止不動(dòng)，上球由主軸帶動(dòng)，以1400 r/min~1500 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，通過杠桿或液壓系統(tǒng)由下而上對(duì)試驗(yàn)球組施壓。試驗(yàn)過程中鋼球之間的接觸點(diǎn)均浸沒于潤(rùn)滑油中4個(gè)鋼球之間，在點(diǎn)接觸的壓力下，測(cè)量各試驗(yàn)機(jī)油的最大無卡咬負(fù)荷、燒結(jié)負(fù)荷、綜合磨損值。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T3142-82《潤(rùn)滑劑承載力測(cè)定法（四球法）》進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備采用FalexF1519四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)原理如圖1所示。試驗(yàn)采用的鋼球材料為GCR15，直徑為12.7mm，其洛氏硬度為64~67。

圖1 四球摩擦模擬試驗(yàn)示意圖

2.2 四球摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得各機(jī)油的最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷，如圖2所示。四款試驗(yàn)油的值均高于參比油，其中，試驗(yàn)油2#和3#略高于參比油，試驗(yàn)油4#和1#的值相對(duì)更高。最大無卡咬負(fù)荷為試驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷，代表潤(rùn)滑油膜的強(qiáng)度，這表明低黏度油樣使用新型添加劑可以在降低黏度的同時(shí)提供更高的油膜強(qiáng)度。比較各機(jī)油的燒結(jié)負(fù)荷值，只有試驗(yàn)油2#與參比油持平，其余三款試驗(yàn)油的值均低于參比油。燒結(jié)負(fù)荷為試驗(yàn)條件下使鋼球發(fā)生燒結(jié)的最低負(fù)荷，代表了潤(rùn)滑劑的極限工作能力，可以看出，低黏度機(jī)油的極限工作能力較差，容易在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下出現(xiàn)燒結(jié)，導(dǎo)致失效。

圖2 不同機(jī)油的最大無卡咬負(fù)荷PB和燒結(jié)負(fù)荷PD

各機(jī)油的綜合磨損值，如圖3所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)油4#的值最高，試驗(yàn)油2#的值略高于參比油，其余兩款試驗(yàn)油的值低于參比油。值代表潤(rùn)滑劑的抗極壓能力，數(shù)值越大，潤(rùn)滑油抗極壓能力越強(qiáng)。可以看出，試驗(yàn)油4#和2#的抗極壓能力較強(qiáng)。綜合考慮承載能力和抗極壓能力，四款低黏度機(jī)油中，試驗(yàn)油2#的性能更好。

圖3 不同機(jī)油的綜合磨損值ZMZ

2.3 SRV摩擦試驗(yàn)

為了比較各試驗(yàn)油的磨損性能，該文采用SRV摩擦試驗(yàn)測(cè)試各試驗(yàn)油樣在一定溫度和額定負(fù)荷的條件下的摩擦因數(shù)。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)SH/T0847-2010《極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損性能的測(cè)定（SRV試驗(yàn)機(jī)法）》進(jìn)行。試驗(yàn)采用OptimalSRV試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備及示意圖如圖4所示。將試驗(yàn)圓柱與試驗(yàn)盤正確安裝在相應(yīng)夾具上，在圓柱與盤發(fā)生會(huì)點(diǎn)接觸的區(qū)域滴入5mL潤(rùn)滑油，通過加載桿對(duì)球與盤摩擦副施加恒定載荷，往復(fù)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)試驗(yàn)球以規(guī)定的運(yùn)動(dòng)頻率和行程在試驗(yàn)盤上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)開始前，預(yù)熱試驗(yàn)機(jī)和記錄儀15min，控制試驗(yàn)溫度為50℃，設(shè)定試驗(yàn)負(fù)荷為300N，接觸形式為線接觸，試驗(yàn)頻率為50Hz，試驗(yàn)行程為1.00mm。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，需要磨合40min，然后測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下各油樣摩擦系數(shù)。試驗(yàn)采集從磨合到穩(wěn)定時(shí)期整個(gè)過程的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，拆下試驗(yàn)圓柱與試驗(yàn)盤，并使用超聲波清洗器清洗干凈。

圖4 SRV摩擦副示意圖

2.4 SRV摩擦試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)所得各機(jī)油在整個(gè)測(cè)試過程（0s~7200s）內(nèi)的SRV摩擦系數(shù)，如圖5所示。

由圖5可知，隨著磨合的進(jìn)行，各試驗(yàn)油樣的摩擦系數(shù)逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。分析可得，在磨合階段，試驗(yàn)機(jī)摩擦副的摩擦由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，靜摩擦力會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的摩擦因數(shù)較大。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦副完全潤(rùn)滑，降低了摩擦。計(jì)算穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)的平均值（如圖6所示），以比較各油樣的減摩性能。由圖可知，參比油的平均摩擦系數(shù)最大，試驗(yàn)油1#和4#的平均摩擦系數(shù)略低于參比油，試驗(yàn)油2#和試驗(yàn)油3#的平均摩擦系數(shù)較低。所以，從潤(rùn)滑性能來看，試驗(yàn)油2#和3#具有更好的減摩效果。

圖5 不同機(jī)油摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖

圖6 SRV平均摩擦系數(shù)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)

根據(jù)前述的摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)油2#的綜合摩擦學(xué)性能較好，選擇試驗(yàn)油2#和參比油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)。通過測(cè)定試驗(yàn)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦力矩與摩擦功率的影響，作為機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性提升。

試驗(yàn)選取某國(guó)產(chǎn)SUV用1.5L渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)參照GB/T18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)》進(jìn)行。試驗(yàn)須選用處于穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在試驗(yàn)開始前，磨合發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)間要大于100h，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定所帶來的數(shù)據(jù)波動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)架采用的測(cè)量系統(tǒng)是AVL自動(dòng)控制試驗(yàn)臺(tái)，相關(guān)設(shè)備包括AVL交流電力測(cè)功機(jī)、測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)、臺(tái)架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)油溫度控制系統(tǒng)、冷卻水溫控制系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)等，各自的型號(hào)如表3所示。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，由外部電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在指定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度控制系統(tǒng)對(duì)冷卻液溫度和機(jī)油溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集點(diǎn)（1000r/min~5600r/min，每隔400r/min測(cè)試一次），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于測(cè)試轉(zhuǎn)速時(shí)，須穩(wěn)定2min，進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，油溫控制在（95±2）℃。試驗(yàn)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)在油門全開和油門全閉2種不同狀態(tài)下的摩擦力矩和摩擦功率，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。需要注意的是，在加注新的機(jī)油時(shí)，必須進(jìn)行沖洗以排除殘留參比油造成的影響。使用新的試驗(yàn)油樣進(jìn)行沖洗（3次），每次沖洗時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)須在常規(guī)參數(shù)下進(jìn)行10min~15min“熱機(jī)”，再排出試驗(yàn)油，沖洗完畢后，更換新的機(jī)油濾清器，然后加注機(jī)油到油尺中線處。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩與功率曲線

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備型號(hào)

由圖7可知，摩擦力矩和摩擦功率損失均隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。油門全開狀態(tài)下的摩擦損失隨轉(zhuǎn)速升高而快速上升，油門全閉狀態(tài)下的變化相對(duì)平緩。計(jì)算低黏度機(jī)油與參比油的摩擦力矩與摩擦功率的差值，來比較低黏度機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性（如圖8所示）。

由圖8可知，在油門全開的狀態(tài)下，使用低黏度機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩與摩擦功率損失均低于使用參比油的發(fā)動(dòng)機(jī)。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，使用低黏度機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦力矩減少0.2N·m~0.4N·m，摩擦功率減少約為0.1kW；在高轉(zhuǎn)速時(shí)，使用低黏度機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦力矩減少0.4N·m~1.4N·m，摩擦功率損失降低0.2kW~0.7kW，其中在4000r/min~5000r/min效果尤為明顯，低黏度機(jī)油可使摩擦損失功率降低4.8%，摩擦力矩?fù)p失降低2.8%。在油門全閉的狀態(tài)下，參比油與低黏度機(jī)油的摩擦力矩與摩擦功率較為接近。從摩擦力矩來看，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1500r/min時(shí)，低黏度機(jī)油的摩擦力矩反而高于參比油，轉(zhuǎn)速越低，二者的差值越大，最大差值為0.35N·m。分析可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑不足，未形成良好的油膜，導(dǎo)致摩擦力矩和摩擦功率損失較大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1500r/min時(shí)，參比油摩擦力矩大于低黏度機(jī)油，平均相差0.2N·m~0.5N·m，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，低黏度機(jī)油的減摩效果越明顯。從摩擦功率來看，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000r/min以下，低黏度機(jī)油的摩擦功率損失高于參比油，轉(zhuǎn)速越低，二者差值越大，最大相差0.3kW；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2000r/min，參比油的摩擦功率高于低黏度機(jī)油，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，摩擦功率差值逐漸增大，最大相差0.255kW。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩與摩擦功率差值曲線

綜合上述分析，低黏度機(jī)油能夠在滿足抗磨性能的要求下，降低摩擦，提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，尤其是在高轉(zhuǎn)速時(shí)提升更為顯著。此外，低黏度機(jī)油和參比油的摩擦力矩和功率都呈現(xiàn)出隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

通過改善配方和使用新型添加劑，可以使低黏度機(jī)油（W20）的抗磨抗壓能力達(dá)到5W30級(jí)別，在保證潤(rùn)滑效果的前提下，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

機(jī)油黏度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失有重要影響。黏度較低的機(jī)油流動(dòng)性好，分子間摩擦力小，能夠有效地減小發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的情況下，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

該文針對(duì)機(jī)油黏度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為整車節(jié)能減耗提供一定的參考。