润滑油粘度等级对发动机性能的影响

粟斌,史永刚,陈国需,徐金龙

(1.总后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程学院,重庆 400016)

润滑油粘度等级对发动机性能的影响

粟斌1,2,史永刚2,陈国需2,徐金龙1

(1.总后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程学院,重庆 400016)

文章采用全尺寸柴油发动机台架试验,研究了 SAE 15W-40、SAE 0W-30和 SAE 5W-30发动机油对柴油发动机性能的影响。研究结果表明:使用 SAE 15W-40润滑油发动机功率、扭矩和油耗率高于使用 SAE 0W-30润滑油和 SAE 5W-30润滑油;使用 SAE 15W-40润滑油发动机的加速性能较好,SAE 5W-30润滑油发动机的加速比较缓和,SAE 0W-30润滑油发动机的加速性能介于上述两者之间;使用三种粘度等级润滑油实验发动机工作条件稳定。

发动机润滑油;柴油机发动机性能;粘度等级;功率;扭矩;经济性

Abstract:The effects of three engine oils w ith SAE 15W-40,SAE 0W-30 and SAE 5W-30 viscosity grades on dieselengine perform ances w ere investigated w ith diesel engine bench test.The exper im ental results show ed that the pow er, torque and fuelconsumpt ion of the dieselengine lubricated by SAE 15W-40 oilare higher than those of the engines by SAE 0W-30 oil and SAE 5W-30 oil.The engine lubricated by SAE 15W-40 oil has the best accelerat ion characteristic,the acceleration characteristic of the engine lubricated by SAE 0W-30 oil is better than that of the engine by SAE 5W-30 oil.The engine can wo rk steadily w hen it uses the three lubricants w ith different SAE viscosity grades.

Key words:engine o il;diesel engine perfo r m ance;viscosity grade;pow er;torque;econom y

0 前言

适当的润滑油粘度是保证发动机获得良好润滑的关键[1]。由于温度对润滑油粘度影响很大,为满足使用条件对润滑油的粘度和粘温特性提出了苛刻的要求[2]。内燃机中,润滑部位多,润滑条件各不相同[3]。摩擦表面所处的润滑状态取决于发动机的工作状态与润滑的粘度等级[4]。适当的粘度有助于润滑油膜的形成。粘度高,有助于油膜形成,使摩擦表面处于流体动压润滑状态,过高的粘度会使能耗增加;粘度低,虽然有利于减少能源消耗,但不利于油膜形成,使摩擦表面处于不利的边界润滑或干摩擦状态。因此,文章试图通过发动机台架试验探索能源节约与合理润滑的关系,以明确粘度对发动机性能的影响。

1 实验

1.1 发动机预热条件

冷却液出口温度:(80±2)℃;机油出口温度: (70±5)℃。

1.2 外特性试验

先将发动机调定在标定工况稳定运转。固定油门不变,然后逐步增加负荷,降低转速,测取有关参数值。自转速 2000 r/min起向下分布 8个以上的测量点。为找到最大扭矩转速应细化转速变化范围。

测量进气温度、进气压力、转速、扭矩、燃油消耗量、排气温度等。计算有效功率、有效扭矩、校正燃油消耗率等,绘制发动机各主要参数随转速变化的特性曲线。

1.3 负荷特性试验

发动机保持在 1800 r/min、1500 r/min和 1200r/min转速下,负荷由小逐步增大。测量点不得少于8个,在各负荷下分别测取进气温度、进气压力、转速、扭矩、燃油消耗量和排气温度等。计算有效功率、有效扭矩、燃油消耗率等,绘制发动机在规定的诸转速下的负荷特性曲线。

1.4 加速性能

首先将发动机调至标定工况稳定工作,保持测功机负荷不变,逐步减小油门至最低稳定运转状态,运行3～5 min,然后迅速将油门拉至最大位置。记录在规定转速区间所经历的时间和转速随时间的变化规律。

1.5 稳定性试验

特性试验完成后,在1500 r/min和 100 kW条件下进行发动机稳定性试验,试验时间累计 3×4 h。

2 试验设备

WD61550柴油机、CW260鼓式电涡流测功机及配套测量控制装置。

3 试样与燃油

3.1 试样

(1)柴油机润滑油,CD 15W-40,中国石化润滑油分公司。

(2)严寒区通用发动机油,SF/CD 0W-30,总后油料研究所。

(3)通用内燃机油,CD/SF 5W-30,总后油料研究所。

3.2 燃油

0号柴油,重庆龙禹石油有限公司陈家坪加油加气站。

4 试验数据分析

4.1 外特性分析

发动机节气门开度或油门开度不变,发动机性能指标随转速变化的关系。外特性,即全负荷的速度特性,指节气门全开 (100%)时,测得的速度特性。依据柴油机台架试验数据,分别绘制出各油样的外特性曲线,详见图 1至图 3。

图1 外特性功率曲线

图2 外特性扭矩曲线

图3 外特性油耗率曲线

从外特性曲线可以发现,在 1400 r/min以下,使用不同的发动机油时发动机功率和扭矩相当;1400 r/min以上,使用 15W-40发动机油时发动机的功率和扭矩高于使用0W-30和5W-30时。另外,使用 15W-40发动机油时发动机的油耗率高于使用0W-30和 5W-30时发动机的油耗率。

试验典型数据分析见表 1、表 2、表 3。

表1 外特性曲线数据分析

表2 最大功率分析

表3 最大扭矩分析

数据表明:使用 0W-30、5W-30和 15W-40发动机油时,发动机的最大扭矩相同,但产生最大扭矩的转速不同。使用 15W-40发动机油时,发动机最大扭矩出现在高转速区,而使用 0W-30和 5W-30发动机油时最大扭矩出现在低转速区。使用 0W -30和 5W-30发动机油时,最大功率相对于使用15W-40发动机油时低 6.4%和 4.2%。

在实验条件下,发动机的功率、扭矩取决于使用的润滑油类型、气缸密封性能与内部功耗。粘度等级低的润滑油,由于粘度较小,对气缸的密封能力降低,易发生漏气,气缸压力降低,从而导致使用低粘度润滑油时发动机的功率与扭矩降低。另外,在使用低粘度润滑油时,活动部件的运转阻力和油泵的能耗减小,内部能耗降低,使得发动机具有较低的油耗率。

4.2 负荷特性分析

转速不变,发动机的经济性指标随负荷变化的关系。

4.2.1 1200 r/min时的负荷特性分析 (见图 4～图6)

图 4 1200 r/m in时 15W-40发动机油的负荷特性曲线

图 5 1200 r/m in时 0W-30发动机油的负荷特性曲线

图 6 1200 r/m in时 5W-30发动机油的负荷特性曲线

根据负荷特性曲线,找出其最低油耗率、30%功率时的油耗率、80%功率时的油耗率及三种油耗率平均值,具体数据见表 4。

表4 负荷特性试验数据 g/kW·h

以使用 15W-40发动机油时的发动机试验数据为基础,计算使用0W-30和5W-30发动机油时发动机油耗数据的变化情况,见表5至表8。表中负值表示油耗率减小。

表5 最低油耗率比较

表6 低负荷时油耗率比较

表7 高负荷时油耗率比较

表8 平均油耗率比较

试验表明,在 1200 r/min下,使用 0W-30发动机润滑油和 5W-30发动机润滑油时,发动机的油耗率低于使用 15W-40润滑油时发动机的油耗率。4.2.2 1500 r/min时的负荷特性分析(见图7～图9)

图 7 1500 r/m in时 15W-40发动机油的负荷特性曲线

图 8 1500 r/m in时 0W-30发动机油的负荷特性曲线

图 9 1500 r/m in时 5W-30发动机油的负荷特性曲线

根据负荷特性曲线,找出其最低油耗率、30%功率时的油耗率、80%功率时的油耗率及三种油耗率平均值,见表9。

表9 负荷特性试验数据 g/kW·h

以使用 15W-40发动机油时的发动机试验数据为基础,计算使用0W-30和5W-30发动机油时发动机油耗数据的变化,见表10至表13。表中负值表示油耗率减小。在 1500 r/min下,使用 0W-30发动机润滑油时,发动机的油耗率稍低于 15W-40润滑油时发动机的油耗率;而使用 5W-30发动机润滑油时,发动机的油耗率明显低于使用 15W-40润滑油时发动机的油耗率。

表10 最低油耗率比较

表11 低负荷时油耗率比较

表12 高负荷时油耗率比较

表13 平均油耗率比较

4.2.3 1800 r/min时的负荷特性分析 (见图 10～图

12)

图 10 1800 r/m in时 15W-40发动机油的负荷特性曲线

图 11 1800 r/m in时 0W-30发动机油的负荷特性曲线

图 12 1800 r/m in时 5W-30发动机油的负荷特性曲线

根据负荷特性曲线,找出其最低油耗率、30%功率时的油耗率、80%功率时的油耗率及三种油耗率平均值,详见表 14。

表14 负荷特性试验数据 g/kW·h

以使用 15W-40发动机油时的发动机试验数据为基础,计算使用0W-30和5W-30发动机油时发动机实验数据的变化,见表15至表18。表中负值表示油耗率减小。

表15 最低油耗率比较

表16 低负荷时油耗率比较

表17 高负荷时油耗率比较

表18 平均油耗率比较

在 1800 r/min下,使用 0W-30发动机润滑油和 5W-30发动机润滑油时,发动机的油耗率稍低于使用 15W-40润滑油时发动机的油耗率。

低粘度等级的润滑油具有较低油耗率的实验数据验证了关于低粘度润滑油具有节能效果的理论。

4.3 加速特性分析(见图 13)

图 13 发动机油的加速特性(发动机扭矩为 580 N·m)

从图 13可以看出,在一定扭矩 (580 N·m)条件下,使用 15W-40润滑油时发动机的加速性能较好,使用 5W-30润滑油时发动机的加速比较缓和,使用 0W-30润滑油时发动机的加速性能介于以上两者之间。这是由于高粘度润滑油具有较好的密封性能,燃料产生的能量能最大效率的转化为机械能,因此具有较好的加速性能。

4.4 稳定性分析(见图 14～图 16)

图14 15W-40发动机油的稳定性

图15 0W-30发动机油的稳定性

图16 5W-30发动机油的稳定性

发动机在稳定性试验期间均能稳定工作,未见工况异常波动。但使用 15W-40润滑油时,发动机的机油油耗率、油温及油压略高于使用其他两种润滑油时,这产生于其具有较高的内摩擦力。

5 结论

外特性实验数据表明,在 1400 r/min以下,使用不同的发动机油时功率和扭矩相当;1400 r/min以上,使用 15W-40发动机润滑油时发动机的功率和扭矩高于使用 0W-30发动机润滑油和 5W-30发动机润滑油时发动机的功率和扭矩。使用 15W-40时发动机的油耗率高于使用 0W-30发动机润滑油和 5W-30发动机润滑油时发动机的油耗率。在1200 r/min、1500 r/min和 1800 r/min下,使用 0W-30发动机润滑油和 5W-30发动机润滑油时,发动机的油耗率均低于使用 15W-40润滑油时发动机的油耗率。在 580 N·m扭矩下,使用 15W-40润滑油时发动机的加速性能较好,使用 5W-30润滑油时发动机的加速比较缓和,使用 0W-30润滑油时发动机的加速性能介于上两者之间。在实验条件下,使用三种润滑油时实验发动机工作条件稳定,但使用 15W-40润滑油时,发动机的机油油耗率、油温及油压略高于使用 0W-30发动机润滑油和 5W -30发动机润滑油。

[1]T曼格,W德雷泽尔.润滑剂与润滑[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]TW SELBY.TheViscosity-Dependent Fuel Efficiency Index for Engine Oils[C]∥13th International Colloquium Tribology-Lubricants,Materials and Lubrication.Germany,2002.

[3]Bob Cockbill.The Effectsof CrankcaseOilViscosityon Engine Friction at Low Temperatures[C]∥CEC/SAE Spring Fuels&LubricantsMeeting&Exposition.Franc,2000.

[4]E H Okrent.The Effect ofLubricantViscosity and Composition on Engine Friction and BearingWear[J].Tribology Transactions,1961,4(1):97-108.

Effec ts of Eng ine O il′s Viscos ity G rades on D iese l Eng ine Pe rform ances

SU Bin1,2,SHI Yong-gang2,CHEN Guo-xu2,XU J in-long1
(1.POL Research Institute of GeneralLogistics Dept.,Beijing 100230,China; 2.Logistical Engineering College,Chongqing 400016,China)

TE624.82

A

2009-09-09。

粟斌(1964-),男,高级工程师,后勤工程学院在读博士研究生,主要从事发动机润滑油的研究工作,已公开发表论文数篇。

1002-3119(2010)03-0020-06