不同黏度潤滑油與冷卻水溫度對發(fā)動機(jī)性能影響研究*

孔祥恩 姜雪麗 趙令猛 張 釗 吳洋亦 劉海峰

（1-先進(jìn)內(nèi)燃動力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）天津 300072 2-山東京博石油化工有限公司3-玉柴機(jī)器股份有限公司）

引言

發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的性能與發(fā)動機(jī)整機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及發(fā)動機(jī)的壽命息息相關(guān)。發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的性能除了與發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì)有關(guān)外，還與潤滑油的特性相關(guān)[1]。

潤滑油對發(fā)動機(jī)的重要作用主要體現(xiàn)在6 個方面：潤滑、冷卻、密封、清潔、防銹、緩沖[2]。有效的潤滑能夠減少摩擦功，提高發(fā)動機(jī)熱效率和可靠性。潤滑油黏度是影響發(fā)動機(jī)性能最關(guān)鍵的因素之一，它直接影響發(fā)動機(jī)零部件的磨損、燃油消耗量和發(fā)動機(jī)使用壽命。潤滑油的黏度過大，會引起發(fā)動機(jī)起動困難、曲軸轉(zhuǎn)動阻力增大、冷卻效果和清潔效果變差等問題，使發(fā)動機(jī)磨損加大、燃油消耗率升高和功率下降；黏度過小，會引起油膜變薄，導(dǎo)致機(jī)件磨損增加、氣缸漏氣、潤滑油消耗量增加和燃油消耗率升高等問題[3]。研究表明，在保證發(fā)動機(jī)良好潤滑的情況下，采用低黏度潤滑油具有一定的節(jié)油效果[4]。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，潤滑油會通過缸內(nèi)蒸發(fā)、竄氣等方式進(jìn)入燃燒室，與燃油一起燃燒，從而影響發(fā)動機(jī)排放性能[5-8]。張武高等[9]研究了潤滑油的基礎(chǔ)油特性、蒸發(fā)損失率以及潤滑油溫度和發(fā)動機(jī)負(fù)荷等運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對柴油機(jī)顆粒物排放的影響。結(jié)果表明，通過降低潤滑油的灰分含量、降低蒸發(fā)損失率、降低潤滑油溫度和增加發(fā)動機(jī)負(fù)荷，可以減少顆粒物排放量。Froelund K.等[10]對比研究了3 種潤滑油。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合成潤滑油的平均顆粒排放總量比礦物潤滑油降低了18%。王月森等[11]研究發(fā)現(xiàn)，潤滑油基礎(chǔ)油的黏度對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有直接影響，小黏度的基礎(chǔ)油會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率損失增加、未燃HC排放增加，但對NOx和CO 排放的影響較小。由于潤滑油揮發(fā)性及熱特性的差異，潤滑油基礎(chǔ)油對發(fā)動機(jī)排放尤其是顆粒物排放有明顯的影響。皮恒志等[12]研究發(fā)現(xiàn)，怠速和低速中低負(fù)荷工況下，潤滑油消耗量會增加，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量和數(shù)量顯著增加。楊友文等[13]研究了潤滑油對直噴汽油機(jī)低速早燃的影響。結(jié)果表明，潤滑油的類型、抗氧劑以及硫酸鹽灰分的含量對增壓直噴汽油機(jī)隨機(jī)早燃的形成具有顯著影響，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與排放性能。

發(fā)動機(jī)冷卻水溫度直接影響潤滑油的黏度和發(fā)動機(jī)性能。冷卻水溫度過高，會造成潤滑油黏度減小、機(jī)油燒損、發(fā)動機(jī)各潤滑部位油膜破壞，加速部件磨損，嚴(yán)重時會造成拉缸、燒瓦等事故。發(fā)動機(jī)溫度過高還會導(dǎo)致燃油提前著火，功率下降。因此，發(fā)動機(jī)必須得到可靠的冷卻。然而，過分冷卻也會造成潤滑油黏度增大，流動性變差，運(yùn)動件之間的摩擦力增大等不良后果。

綜上所述，潤滑油對發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度、缸內(nèi)燃燒壓力、發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性能有顯著影響。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格和發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機(jī)的爆發(fā)壓力不斷提高，有必要重新認(rèn)識潤滑油對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響。本文在一臺滿足GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[14]（簡稱國六排放標(biāo)準(zhǔn)）的重型柴油機(jī)上使用5W-30 和15W-40 兩種黏度等級的潤滑油開展外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn)，對使用兩種潤滑油在不同工況下發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能開展系統(tǒng)研究。同時，為了避免對發(fā)動機(jī)造成損害，試驗(yàn)過程中，只對每個轉(zhuǎn)速下的中低負(fù)荷進(jìn)行冷卻水溫度變化（50 ℃、70 ℃、90 ℃）的試驗(yàn)，比較不同冷卻水溫度和不同潤滑油黏度對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在85℃的冷卻水溫度下，針對柴油機(jī)外特性和5 個轉(zhuǎn)速（900、1 200、1 500、1 800、2 100 r/min）下的負(fù)荷特性開展試驗(yàn)，對比使用15W-40 和5W-30 兩種黏度等級的潤滑油在不同工況下發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。同時，在不同冷卻水溫度（50 ℃、70 ℃、90 ℃）下，各轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷工況，進(jìn)行不同潤滑油對發(fā)動機(jī)性能的影響試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)及儀器設(shè)備

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架如圖1 所示。

表1 為試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

表2 為試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備及型號。

表2 試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備及型號

1.3 試驗(yàn)用潤滑油

試驗(yàn)用潤滑油選用的是市售合成柴油機(jī)專用潤滑油，其黏度等級分別為5W-30 和15W-40，表3 為兩種潤滑油的物理特性參數(shù)。

表3 試驗(yàn)用潤滑油的物理特性參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同潤滑油對外特性的影響

圖2 為使用兩種潤滑油的發(fā)動機(jī)外特性（轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率和最高爆發(fā)壓力）對比。

圖2 外特性曲線

圖2a 和圖2b 表明，使用不同潤滑油時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率的變化趨勢均一致。在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速之間，使用5W-30 潤滑油的轉(zhuǎn)矩和功率略低于使用15W-40 潤滑油；其他轉(zhuǎn)速下，使用5W-30 潤滑油的轉(zhuǎn)矩和功率與使用15W-40 潤滑油相當(dāng)。這是由于中等轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷達(dá)到最大，黏度等級低的潤滑油對氣缸的密封能力略差，易發(fā)生漏氣，氣缸壓力降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和功率降低。

圖2c 表明，使用5W-30 潤滑油的發(fā)動機(jī)燃油消耗率高于使用15W-40 潤滑油，最多高1.76%。這是由于在外特性工況下，小黏度潤滑油不利于形成油膜，使摩擦表面處于不利的邊界潤滑或者較干摩擦狀態(tài)，使內(nèi)部摩擦功耗增大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃油消耗率升高。使用小黏度潤滑油，雖然能使機(jī)油泵的功耗減小，但在外特性工況下，摩擦功耗增大和機(jī)油泵功耗減小的綜合作用使得燃油消耗率升高。

圖2d 表明，低轉(zhuǎn)速下，由于缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力較低，兩種潤滑油的密封性能差異較?。辉诟咿D(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力較高，缸內(nèi)溫度也較高，使得兩種潤滑油的密封性能相差不明顯。因此，在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下，兩種潤滑油對發(fā)動機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的影響都很小。

圖3 為外特性試驗(yàn)3 個不同轉(zhuǎn)速下的氣缸壓力和放熱率。

圖3 外特性試驗(yàn)3 個轉(zhuǎn)速下的氣缸壓力和放熱率

由圖3 可知，在3 個轉(zhuǎn)速下，使用15W-40 潤滑油的氣缸壓力峰值比使用5W-30 潤滑油略高。在3個轉(zhuǎn)速下，使用5W-30 潤滑油時，預(yù)混燃燒放熱階段的放熱率更高；使用15W-40 潤滑油時，擴(kuò)散燃燒階段的放熱率更高。這是由于使用5W-30 潤滑油，發(fā)動機(jī)燃油消耗率較高，每循環(huán)噴油量較大，噴油速率升高，會增加可燃混合氣形成數(shù)量，導(dǎo)致預(yù)混燃燒放熱比例較大，擴(kuò)散燃燒放熱比例較小。

表4 為提取的外特性曲線數(shù)據(jù)分析。表4 中，最大測量功率指的是試驗(yàn)最大功率。

表4 外特性曲線數(shù)據(jù)分析

從表4 可知，使用5W-30 潤滑油的發(fā)動機(jī)最大功率與使用15W-40 潤滑油相差不大；使用15W-40潤滑油的最大轉(zhuǎn)矩、最低燃油消耗率、最大測量功率燃油消耗率、最大轉(zhuǎn)矩燃油消耗率和3 種燃油消耗率平均值比使用5W-30 潤滑油分別高0.7%、-1.51%、0.95%、-1.77%和-0.61%。使用兩種潤滑油時，最大測量功率不在同一工況下產(chǎn)生。使用5W-30潤滑油時，最大測量功率的工況為1 144 N·m @2 100 r/min；使用15W-40 潤滑油時，最大測量功率的工況為1 089 N·m@2 200 r/min。

2.2 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響

圖4 為負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對燃油消耗率的影響對比。圖5 為使用不同潤滑油的燃油消耗率萬有特性等高線圖。

圖5 使用不同潤滑油的燃油消耗率萬有特性等高線圖

從圖4 和圖5 可以看出：

1）發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速（900 r/min）下，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高；隨著轉(zhuǎn)矩增大，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高的程度增大，最多高1.14%。原因是在低速工況下使用小黏度的5W-30 潤滑油，對發(fā)動機(jī)摩擦副潤滑作用變差，摩擦損失增大。另外，由于小黏度潤滑油的附著性較差，活塞環(huán)的密封性降低，導(dǎo)致燃油消耗率升高[12]。

2）在中等轉(zhuǎn)速（1 200～1 800 r/min）下，中高負(fù)荷時，與使用15W-40 潤滑油相比，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率有時略高，有時略低，存在一定的波動性；其余工況，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油略低。

3）在高轉(zhuǎn)速（2 100 r/min）下，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，最多低0.36%。原因是高轉(zhuǎn)速下，使用大黏度的15W-40 潤滑油，內(nèi)摩擦力較大，導(dǎo)致燃油消耗率較高。另外，高轉(zhuǎn)速下，氣缸壓力較高，導(dǎo)致兩種潤滑油的附著性對活塞環(huán)密封性能影響區(qū)別減小。綜合2 種因素，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速時使用15W-40 潤滑油的燃油消耗率較高。

2.3 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對排放的影響

2.3.1 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對THC 排放的影響

圖6 為負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對THC 排放的影響對比。

圖6 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對THC 排放的影響

從圖6 可以看出，在轉(zhuǎn)速分別為900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min 和2 100 r/min時，使用5W-30 潤滑油的THC 排放比使用15W-40潤滑油分別高0.85%～15.51%、8.85%～27.17%、13.70%～51.92%、12.00%～67.55%和10.15%～129.62%?？傮w上，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使用5W-30 潤滑油的THC排放均比使用15W-40 潤滑油高；中高負(fù)荷時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，使用5W-30 潤滑油的THC 排放比使用15W-40 潤滑油高更多。這是由于潤滑油的揮發(fā)性和黏度指數(shù)對潤滑油消耗有較大影響，小黏度潤滑油蒸發(fā)快，會使?jié)櫥拖牧吭黾覽15]，而THC 排放會隨潤滑油消耗量增加而升高[16]。另一方面，中高負(fù)荷時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機(jī)溫度升高，潤滑油的溫度也升高，導(dǎo)致小黏度潤滑油的黏度減小更快，加劇了潤滑油的消耗。因而，中高負(fù)荷時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，使用小黏度潤滑油造成的THC 排放比使用大黏度潤滑油高的程度增大。

圖7 為使用不同潤滑油的THC 排放萬有特性等高線圖。

圖7 使用不同潤滑油的THC 排放萬有特性等高線圖

從圖7 可以看出，在全工況范圍內(nèi)，使用15W-40潤滑油的THC 排放均低于使用5W-30 潤滑油；在中高負(fù)荷時，使用15W-40 潤滑油的THC 排放比使用5W-30 潤滑低的程度更大。

2.3.2 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對碳煙排放的影響

潤滑油導(dǎo)致的顆粒物排放中，質(zhì)量占比最高的為碳煙顆粒[17]，因此碳煙排放情況在一定程度上能反映出顆粒物排放情況。圖8 為負(fù)荷特性試驗(yàn)使用不同潤滑油的碳煙排放對比。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下不同潤滑油對碳煙排放的影響

從圖8 可以看出，轉(zhuǎn)速低于2 100 r/min 時，碳煙排放很低，盡管個別工況下使用兩種潤滑油產(chǎn)生的碳煙排放差異較大，但是從工程上講，是碳煙排放太低導(dǎo)致的波動。在轉(zhuǎn)速為2 100 r/min 的中高負(fù)荷下，使用5W-30 潤滑油產(chǎn)生的碳煙排放比使用15W-40潤滑油高3.92%～10.74%。這是由于在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)壓力增大，小黏度潤滑油的密封性能下降，因潤滑油泄露進(jìn)入氣缸內(nèi)的量增大，潤滑油燃燒不充分，導(dǎo)致碳煙排放升高。

圖9 為使用不同潤滑油的碳煙排放萬有特性等高線圖。

圖9 使用不同潤滑油的碳煙排放萬有特性等高線圖

從圖9 可以看出，總體上，兩種潤滑油對碳煙排放的影響較小。

2.3.3 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油對NOx和CO 排放的影響

本負(fù)荷特性試驗(yàn)中，使用兩種潤滑油的NOx排放和CO 排放差異較小，這與王月森等[11]的研究結(jié)果相同。

2.4 負(fù)荷特性試驗(yàn)不同潤滑油和冷卻水溫度對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響

圖10 為負(fù)荷特性試驗(yàn)使用兩種潤滑油在不同冷卻水溫度下發(fā)動機(jī)燃油消耗率的差別。

圖10 負(fù)荷特性試驗(yàn)兩種潤滑油在不同冷卻水溫度下發(fā)動機(jī)燃油消耗率對比

從圖10 可以看出：

1）在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷下，隨著冷卻水溫度的升高，低燃油消耗率區(qū)域面積逐漸增大。這是由于隨著冷卻水溫度的升高，發(fā)動機(jī)的傳熱損失逐漸減少。

2）冷卻水溫度為50 ℃時，在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差異較??；在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷下，使用15W-40 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低。原因是冷卻水溫度過低，對兩種潤滑油黏度的影響較小，導(dǎo)致燃油消耗率差異不明顯。

3）冷卻水溫度分別為70℃、90℃時，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，尤其是冷卻水溫度為90 ℃時，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低的程度更大；隨著負(fù)荷降低，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差距減小。原因是隨著冷卻水溫度的升高，兩種潤滑油的黏度差異增大，5W-30 潤滑油的黏度隨著冷卻水溫度的升高而減小，并且減小幅度比15W-40 潤滑油大，摩擦損失減少的比例比15W-40 潤滑油大。因此，隨著冷卻水溫度的升高，使用5W-30 潤滑油的節(jié)油效果更明顯。

3 結(jié)論

本文在一臺滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油機(jī)上進(jìn)行了外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn)，研究了15W-40 和5W-30 兩種黏度等級的潤滑油與冷卻水溫度對發(fā)動機(jī)性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）外特性試驗(yàn)，使用小黏度的5W-30 潤滑油，發(fā)動機(jī)燃油消耗率比使用大黏度的15W-40 潤滑油高，最多高1.76%；使用兩種潤滑油的最大功率相同，最大轉(zhuǎn)矩、最高爆發(fā)壓力差異微小。

2）負(fù)荷特性試驗(yàn)，在低轉(zhuǎn)速下，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率更高；隨著轉(zhuǎn)矩增大，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高的程度增大，最多高1.14%。在中等轉(zhuǎn)速下，中高負(fù)荷時，與使用15W-40 潤滑油相比，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率有時略高，有時略低，存在一定的波動性；其余工況，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油略低。在高轉(zhuǎn)速下，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，最多低0.36%。

3）負(fù)荷特性試驗(yàn)，在全工況范圍內(nèi)，使用15W-40潤滑油的THC 排放均低于使用5W-30 潤滑油；中高負(fù)荷時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，使用5W-40 潤滑油的THC 排放比使用5W-30 潤滑油低更多?？傮w上，兩種潤滑油對碳煙排放影響較小。而兩種潤滑油對NOx和CO 排放基本沒有影響。

4）負(fù)荷特性試驗(yàn)，冷卻水溫度較低時，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差別較小。隨著冷卻水溫度的升高，使用5W-30 潤滑油的節(jié)油效果更明顯。