潤滑油粘度等級對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

粟斌,史永剛,陳國需,徐金龍

(1.總后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程學(xué)院,重慶 400016)

潤滑油粘度等級對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

粟斌1,2,史永剛2,陳國需2,徐金龍1

(1.總后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程學(xué)院,重慶 400016)

文章采用全尺寸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),研究了 SAE 15W-40、SAE 0W-30和 SAE 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。研究結(jié)果表明:使用 SAE 15W-40潤滑油發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和油耗率高于使用 SAE 0W-30潤滑油和 SAE 5W-30潤滑油;使用 SAE 15W-40潤滑油發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能較好,SAE 5W-30潤滑油發(fā)動(dòng)機(jī)的加速比較緩和,SAE 0W-30潤滑油發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能介于上述兩者之間;使用三種粘度等級潤滑油實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件穩(wěn)定。

發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油;柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能;粘度等級;功率;扭矩;經(jīng)濟(jì)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

適當(dāng)?shù)臐櫥驼扯仁潜ＷC發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好潤滑的關(guān)鍵[1]。由于溫度對潤滑油粘度影響很大,為滿足使用條件對潤滑油的粘度和粘溫特性提出了苛刻的要求[2]。內(nèi)燃機(jī)中,潤滑部位多,潤滑條件各不相同[3]。摩擦表面所處的潤滑狀態(tài)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與潤滑的粘度等級[4]。適當(dāng)?shù)恼扯扔兄跐櫥湍さ男纬?。粘度?有助于油膜形成,使摩擦表面處于流體動(dòng)壓潤滑狀態(tài),過高的粘度會(huì)使能耗增加;粘度低,雖然有利于減少能源消耗,但不利于油膜形成,使摩擦表面處于不利的邊界潤滑或干摩擦狀態(tài)。因此,文章試圖通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)探索能源節(jié)約與合理潤滑的關(guān)系,以明確粘度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱條件

冷卻液出口溫度:(80±2)℃;機(jī)油出口溫度: (70±5)℃。

1.2 外特性試驗(yàn)

先將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)定在標(biāo)定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。固定油門不變,然后逐步增加負(fù)荷,降低轉(zhuǎn)速,測取有關(guān)參數(shù)值。自轉(zhuǎn)速 2000 r/min起向下分布 8個(gè)以上的測量點(diǎn)。為找到最大扭矩轉(zhuǎn)速應(yīng)細(xì)化轉(zhuǎn)速變化范圍。

測量進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗量、排氣溫度等。計(jì)算有效功率、有效扭矩、校正燃油消耗率等,繪制發(fā)動(dòng)機(jī)各主要參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的特性曲線。

1.3 負(fù)荷特性試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)保持在 1800 r/min、1500 r/min和 1200r/min轉(zhuǎn)速下,負(fù)荷由小逐步增大。測量點(diǎn)不得少于8個(gè),在各負(fù)荷下分別測取進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗量和排氣溫度等。計(jì)算有效功率、有效扭矩、燃油消耗率等,繪制發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定的諸轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線。

1.4 加速性能

首先將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)至標(biāo)定工況穩(wěn)定工作,保持測功機(jī)負(fù)荷不變,逐步減小油門至最低穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),運(yùn)行3～5 min,然后迅速將油門拉至最大位置。記錄在規(guī)定轉(zhuǎn)速區(qū)間所經(jīng)歷的時(shí)間和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.5 穩(wěn)定性試驗(yàn)

特性試驗(yàn)完成后,在1500 r/min和 100 kW條件下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間累計(jì) 3×4 h。

2 試驗(yàn)設(shè)備

WD61550柴油機(jī)、CW260鼓式電渦流測功機(jī)及配套測量控制裝置。

3 試樣與燃油

3.1 試樣

(1)柴油機(jī)潤滑油,CD 15W-40,中國石化潤滑油分公司。

(2)嚴(yán)寒區(qū)通用發(fā)動(dòng)機(jī)油,SF/CD 0W-30,總后油料研究所。

(3)通用內(nèi)燃機(jī)油,CD/SF 5W-30,總后油料研究所。

3.2 燃油

0號柴油,重慶龍禹石油有限公司陳家坪加油加氣站。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 外特性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度或油門開度不變,發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。外特性,即全負(fù)荷的速度特性,指節(jié)氣門全開 (100%)時(shí),測得的速度特性。依據(jù)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別繪制出各油樣的外特性曲線,詳見圖 1至圖 3。

圖1 外特性功率曲線

圖2 外特性扭矩曲線

圖3 外特性油耗率曲線

從外特性曲線可以發(fā)現(xiàn),在 1400 r/min以下,使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩相當(dāng);1400 r/min以上,使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩高于使用0W-30和5W-30時(shí)。另外,使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率高于使用0W-30和 5W-30時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。

試驗(yàn)典型數(shù)據(jù)分析見表 1、表 2、表 3。

表1 外特性曲線數(shù)據(jù)分析

表2 最大功率分析

表3 最大扭矩分析

數(shù)據(jù)表明:使用 0W-30、5W-30和 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩相同,但產(chǎn)生最大扭矩的轉(zhuǎn)速不同。使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū),而使用 0W-30和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)最大扭矩出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速區(qū)。使用 0W -30和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí),最大功率相對于使用15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)低 6.4%和 4.2%。

在實(shí)驗(yàn)條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩取決于使用的潤滑油類型、氣缸密封性能與內(nèi)部功耗。粘度等級低的潤滑油,由于粘度較小,對氣缸的密封能力降低,易發(fā)生漏氣,氣缸壓力降低,從而導(dǎo)致使用低粘度潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩降低。另外,在使用低粘度潤滑油時(shí),活動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力和油泵的能耗減小,內(nèi)部能耗降低,使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低的油耗率。

4.2 負(fù)荷特性分析

轉(zhuǎn)速不變,發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷變化的關(guān)系。

4.2.1 1200 r/min時(shí)的負(fù)荷特性分析 (見圖 4～圖6)

圖 4 1200 r/m in時(shí) 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 5 1200 r/m in時(shí) 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 6 1200 r/m in時(shí) 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

根據(jù)負(fù)荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時(shí)的油耗率、80%功率時(shí)的油耗率及三種油耗率平均值,具體數(shù)據(jù)見表 4。

表4 負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù) g/kW·h

以使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計(jì)算使用0W-30和5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗數(shù)據(jù)的變化情況,見表5至表8。表中負(fù)值表示油耗率減小。

表5 最低油耗率比較

表6 低負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表7 高負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表8 平均油耗率比較

試驗(yàn)表明,在 1200 r/min下,使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率低于使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。4.2.2 1500 r/min時(shí)的負(fù)荷特性分析(見圖7～圖9)

圖 7 1500 r/m in時(shí) 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 8 1500 r/m in時(shí) 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 9 1500 r/m in時(shí) 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

根據(jù)負(fù)荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時(shí)的油耗率、80%功率時(shí)的油耗率及三種油耗率平均值,見表9。

表9 負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù) g/kW·h

以使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計(jì)算使用0W-30和5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗數(shù)據(jù)的變化,見表10至表13。表中負(fù)值表示油耗率減小。在 1500 r/min下,使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率稍低于 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率;而使用 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率明顯低于使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。

表10 最低油耗率比較

表11 低負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表12 高負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表13 平均油耗率比較

4.2.3 1800 r/min時(shí)的負(fù)荷特性分析 (見圖 10～圖

12)

圖 10 1800 r/m in時(shí) 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 11 1800 r/m in時(shí) 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

圖 12 1800 r/m in時(shí) 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的負(fù)荷特性曲線

根據(jù)負(fù)荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時(shí)的油耗率、80%功率時(shí)的油耗率及三種油耗率平均值,詳見表 14。

表14 負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù) g/kW·h

以使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計(jì)算使用0W-30和5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化,見表15至表18。表中負(fù)值表示油耗率減小。

表15 最低油耗率比較

表16 低負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表17 高負(fù)荷時(shí)油耗率比較

表18 平均油耗率比較

在 1800 r/min下,使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率稍低于使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。

低粘度等級的潤滑油具有較低油耗率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了關(guān)于低粘度潤滑油具有節(jié)能效果的理論。

4.3 加速特性分析(見圖 13)

圖 13 發(fā)動(dòng)機(jī)油的加速特性(發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為 580 N·m)

從圖 13可以看出,在一定扭矩 (580 N·m)條件下,使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能較好,使用 5W-30潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速比較緩和,使用 0W-30潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能介于以上兩者之間。這是由于高粘度潤滑油具有較好的密封性能,燃料產(chǎn)生的能量能最大效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,因此具有較好的加速性能。

4.4 穩(wěn)定性分析(見圖 14～圖 16)

圖14 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油的穩(wěn)定性

圖15 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的穩(wěn)定性

圖16 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油的穩(wěn)定性

發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定性試驗(yàn)期間均能穩(wěn)定工作,未見工況異常波動(dòng)。但使用 15W-40潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油油耗率、油溫及油壓略高于使用其他兩種潤滑油時(shí),這產(chǎn)生于其具有較高的內(nèi)摩擦力。

5 結(jié)論

外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在 1400 r/min以下,使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)油時(shí)功率和扭矩相當(dāng);1400 r/min以上,使用 15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩高于使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩。使用 15W-40時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率高于使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。在1200 r/min、1500 r/min和 1800 r/min下,使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率均低于使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。在 580 N·m扭矩下,使用 15W-40潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能較好,使用 5W-30潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速比較緩和,使用 0W-30潤滑油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能介于上兩者之間。在實(shí)驗(yàn)條件下,使用三種潤滑油時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件穩(wěn)定,但使用 15W-40潤滑油時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油油耗率、油溫及油壓略高于使用 0W-30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油和 5W -30發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。

[1]T曼格,W德雷澤爾.潤滑劑與潤滑[M].北京:化學(xué)工業(yè)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,高級工程師,后勤工程學(xué)院在讀博士研究生,主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的研究工作,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。

1002-3119(2010)03-0020-06