低黏度润滑油对汽油机经济性及耐久性能影响研究∗

汤春球,尹凯峰,莫易敏,王 骏,雷志丹,李嘉龙

(1.武汉理工大学机电学院,武汉 430070； 2.上汽通用五菱股份有限公司,柳州 545007)

前言

随着乘用车排放和油耗法规的日益严格，目前国内各品牌制造商都开展了降低油耗方法的相关研究，发动机是汽车的核心部件，其燃油经济性对整车油耗有很大影响。其中通过降低发动机摩擦功而实现节油受到了越来越多的重视，而采用低黏度润滑油能够对有效降低发动机摩擦功[1]。然而，润滑油黏度对整机可靠性起着至关重要的作用，过低的黏度会使油膜厚度和强度不足而使发动机零件磨损增多，减少发动机的寿命。因此如何在不影响可靠性的前提下最大限度地优化润滑油黏度成为需要研究的重要内容。

目前，低黏化已成为润滑油发展的趋势。欧美已有众多厂商采用0W20等级的润滑油[2]，带来了良好的整车燃油经济性。日本添加剂公司开发了以钼元素MoDTC(二烷基二硫代氨基甲酸钼)为主的减摩剂[3]，在保证润滑油性能的同时可使黏度进一步下降。针对0W16和0W08黏度进行了台架试验与整车试验验证，均取得了良好的效果。国内主要还在使用5W30和5W40黏度等级的润滑油，但润滑油对于整车燃油经济性的重要性正逐渐被各大汽车厂商所认识。越来越多的车企开始与润滑油公司合作致力开发低黏度高性能润滑油，并对润滑油进行一系列台架及整车试验进行验证。

本文中通过发动机台架试验，测量了测试油SN 0W20和参比油SM 5W30的机械摩擦损失和万有特性曲线，比较两种润滑油对发动机燃油经济性的影响。针对低黏度SN 0W20发动机油进行了耐久试验，对比分析了发动机耐久前后性能变化趋势及润滑油品质的变化，对整机润滑油匹配工作进行初步探索。

1 试验用润滑油和发动机

为避免干扰，润滑油均选择API(美国石油协会)标准的润滑油(表1)，试验将SM 5W30作为参比油，SN 0W20作为测试油，SN 0W20相比SM 5W30黏度更低，黏指系数(黏度随温度变化的程度。黏度指数越高，表示流体黏度受温度的影响越小，黏度对温度越不敏感)更高，如图1所示。

表1 润滑油理化指标

图1 试验油黏温特性曲线

SN 0W20黏度随温度变化更小，在低温时黏度更低，且拥有更好的抗氧化性和清净性。发动机参数如表2所示。

表2 发动机主要技术参数

2 润滑油对发动机燃油经济性影响

测试在发动机测功机上进行，测试前须对发动机用参比油在满载条件下磨合2h。更换机油时需用测试油冲洗2遍，再注入新油进行测试，且每次换油都需更换机油滤清器。润滑油加注到标尺中刻度线处偏上，为保证每次加注量相同采用量杯进行机油加注，首次加注量为3.6L。

2.1 机械摩擦损失试验

测量发动机摩擦功时主要通过测功机电机反拖发动机进行，测定发动机在油门全开和全关状态下发动机的机械摩擦力矩和摩擦功率[4]。选择发动机转速1 000～5 600r/min，测量点间隔为400r/min，一共13个测量点，油温控制在95±2℃。

图2 油门全开摩擦转矩和功率对比

图2 和图3分别表示参比油与测试油在油门全开和全闭状态下摩擦转矩和摩擦功率随发动机转速的变化状况。可以看出，测试油与参比油摩擦转矩和摩擦功率的变化趋势基本相同，两者之间差距均随转速的增大而增大。油门全开条件下，测试油摩擦转矩比参比油降低0.5～2.5N·m；在全速范围内，测试油摩擦功率比参比油低3.6%～5.4%。在油门全闭状态下，发动机转速2 000r/min以下时，测试油摩擦转矩高于参比油；随着发动机转速的提高，测试油摩擦转矩平均比测试油降低0.7～2.6N·m，测试油摩擦功率较参比油降低3.4%～5.7%。测试油摩擦损失明显低于参比油。降低黏度能有效降低发动机的摩擦损失。

图3 油门全闭摩擦转矩和功率对比

2.2 发动机万有特性试验

发动机万有特性曲线是所有负荷特性和速度特性曲线的合成，它可表示发动机在整个工作范围内主要参数，包括发动机转速、转矩、功率和燃油消耗率等，通过万有特性曲线可分析发动机的使用经济性[5]。分别测定发动机在参比油与测试油状态下的万有特性曲线，比较两者燃油经济性的差别，试验条件控制和换油流程与发动机机械摩擦损失试验相同。

图4为将测试油燃油消耗率与参比油燃油消耗率作差值所得到的万有特性曲线MAP图，曲线上数字为两者燃油消耗率差值，正数表示参比油燃油经济性优于测试油，负数表示测试油燃油经济性优于参比油，绝对值越大表示两者燃油经济性差别越大。由图可见：在大部分工况下测试油燃油经济性均好于参比油；仅在低转速高转矩工况下燃油经济性低于参比油，主要是因为在低转速高转矩的工况下，测试油黏度较低，油膜难以形成造成摩擦损失增大。高速工况节油性高于低速工况，试验结果与润滑油油膜厚度理论相符合。在转速3 200～4 200r/min、转矩30～80N·m工况下两者差别最大，测试油燃油消耗率比参比油低11g/(kW·h)；在发动机常用工况下(转速2 000～3 200r/min，转矩70～140N·m)，测试油燃油消耗率平均降低3～5g/(kW·h)。

图4 燃油经济性差值MAP图(测试油 参比油)

3 润滑油对发动机耐久性影响

参比油SM 5W30经过试验验证和整车性能测试能满足发动机耐久性能需求，针对低黏度的SN 0W20润滑油进行发动机耐久性试验，验证低黏度润滑油在发动机上运用的可行性，进行耐久试验前发动机无需进行磨合。耐久性试验总时长为505h，每个测试循环时间长为1h，总共进行505次循环。换油周期为100h，每100h试验完成后需检查发动机各附件状态，然后注入新的润滑油继续进行试验，换油需清洗2次，不更换机油滤清器。试验控制发动机水温在85±5℃范围内，中冷后气体温度控制在30～35℃，采用外接水冷与风冷结合降温的方式。试验完成后须对发动机进行拆解观察摩擦副的磨损状态并进行评分。

3.1 发动机耐久性能测试

为研究发动机性能随耐久时间的变化情况，每100h耐久试验完成更换机油前对发动机性能进行测试，试验测量发动机转速1 000～5 600r/min，油门全开状态下发动机转矩、功率、燃料消耗量随转速的变化情况。测量点间隔为200r/min，共24个。

图5～图7分别为油门全开条件下发动机转矩、功率、燃油消耗率随耐久时间的变化状况。从试验结果可以看出，随着耐久时间的增加，发动机各项性能与初始状态差别不大，经过505h耐久后，发动机功率在转速1 500～4 000r/min区间出现小幅下降趋势，在3 000r/min时下降幅度最大为9.4%。总体来看，采用低黏度的0W20润滑油进行耐久试验，发动机未出现摩擦副损坏和性能大幅度衰减的现象，说明润滑油满足发动机的耐久性要求。

图5 发动机耐久各阶段功率对比

图6 发动机耐久各阶段转矩对比

图7 发动机各阶段燃油消耗率对比

3.2 机油消耗量试验

通过发动机机油消耗量可判定发动机活塞环与气缸之间的磨损状态。耐久试验每进行100h会进行润滑油的更换，试验采用放油测质量法来确定机油消耗量[6]，测量放出的机油、量杯和漏斗的总质量W1，将油倒回发动机，再测量未能倒净的机油、量杯和漏斗的总质量W2，两次质量之差(W1-W2)，即为加入的机油量Wi。耐久试验完成后需静置发动机1h以上，待润滑油完全流回油底壳后将油放出，放油时间为15min并进行测量，得到试验后放出的机油、量杯和漏斗的总质量W3，W3与W2之差即为试验后放出的机油量Wo，机油总消耗量Go＝Wi-Wo，平均机油消耗量为Go/100。测验结果如图8所示。

由图可见：随着耐久时长的增加，发动机机油消耗量逐渐增加，前300h，机油消耗量较小，经过400h耐久后，平均机油消耗量超过40g/h，说明此时活塞环与气缸壁之间磨损加剧，验证了此前试验中505h后发动机性能出现衰减的现象。经过505h耐久后机油消耗量为43.1g/h，满足耐久后小于45g/h的性能要求。

图8 平均机油消耗量

3.3 发动机外特性曲线

外特性曲线表示在油门全开条件下发动机功率、转矩和燃油消耗率与发动机曲轴转速之间的函数关系，常用来评价发动机的动力性和经济性[7]。分别测定耐久前后发动机的外特性曲线。耐久试验后测定外特性曲线需用测试油对发动机冲洗两遍并更换全新的机油滤清器，再注入测试油进行试验。试验结果如图9所示。

图9 耐久前后外特性曲线对比

由图可见：耐久试验后，发动机性能与耐久前相差不大，在4 000r/min转速后，性能出现一定程度的衰减，转速越高，衰减越大，转矩最大降低5.75%，功率最大降低5.4%；当发动机转速高于5 000r/min后，燃油消耗率快速增加，相较耐久前高出3%～6.5%，耐久试验后，发动机高转速性能小幅下降，与耐久试验测试结果相符，下降幅度属于正常范围，发动机可正常运行。

3.4 润滑油化学分析

对每100h耐久后试验用油进行理化指标及元素含量的分析试验，分析润滑油各理化指标随耐久的变化状况，通过对润滑油中各元素的含量分析可判断发动机各摩擦副的磨损状态，元素含量采用电子发射光谱法进行测量[8]。

表3为每100h耐久完成后试验用油的分析结果，可得出以下结论。

(1)经过耐久试验后，发动机油黏度均有一定程度的下降，下降幅度为7%～10.5%。发动机油的黏度变化是油品正常氧化、混入轻质燃油及进水等因素综合影响的结果。

(2)油样中铁、铜、铝等磨损金属含量正常，发动机磨损量较小。

(3)铁元素含量在400h后含量增多表明活塞环磨损加剧，验证了发动机在400h后性能下降与机油消耗量增加的现象。

(4)100h油样的水分、氯含量偏高，通常与意外进水有关。油样中硅含量偏高通常与粉尘等杂质进入有关。

总体看来，在SN 0W20发动机油耐久试验过程中，初期使用100h出现进水偏大、混入粉尘等现象。100h更换新油后，在测试油的各项理化指标正常，存在少量进水、混入轻质燃油等现象，但不影响正常使用。400h后活塞环磨损加剧，但磨损量仍在可接受范围内，发动机润滑状态良好，可继续使用。

4 发动机拆解

耐久试验完成后，对试验发动机进行拆解观察其主要摩擦副的磨损状态和主要易损部件的状态，如火花塞、节温器、增压器等，对各部件状态进行评分以最终评定耐久试验结果。

图10为经过耐久试验后，发动机3大摩擦副的磨损状态。可以看到，活塞顶部表面有少量积碳，活塞环与活塞销孔磨损较小，曲轴连杆颈与主轴颈表面光洁，擦痕深度较浅属于正常运动副接触摩擦，主轴瓦表面质量良好，凸轮轴表面光亮无明显擦伤。综合来看，耐久后发动机主要摩擦副均无明显磨损，表明发动机润滑状态良好，SN 0W20能满足发动机耐久性需求。

表3 耐久测试油样分析

图10 发动机主要摩擦副磨损状态

5 结论

通过发动机台架试验，比较了参比油SM 5W30与测试油SN 0W20燃油经济性之间的差别，并对SN 0W20润滑油进行了耐久性试验验证，得到以下结论：

(1)低黏度SN 0W20润滑油能有效降低发动机的摩擦损失，全工况节油率可达1%～3.5%；

(2)SN 0W20润滑油相比SM 5W30对发动机整机性能影响不大，耐久试验后，主要性能指标(性能、机油消耗量、摩擦副磨损量)均满足要求，验证了降低黏度在发动机上可行性；

(3)润滑油经过耐久后，各理化性能改变属于正常范围，性能衰减幅度较小，表明润滑油的稳定性能能满足耐久性要求，润滑油寿命能达到发动机的一般要求；

(4)本文中针对低黏度润滑油进行了一系列台架试验研究，为发动机润滑油的低黏化工作提供了参考。