汽車潤滑效率及潤滑油長換油期

王清國，桃春生，楊南

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

汽車潤滑效率及潤滑油長換油期

王清國，桃春生，楊南

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

文章概括了汽車潤滑效率及潤滑油長換油周期現(xiàn)狀。介紹了一汽在提高汽車潤滑效率與延長潤滑油換油周期方面的工作。分析了提高汽車潤滑效率和延長潤滑油換油周期的技術(shù)難點(diǎn)。討論了提高汽車潤滑效率和延長潤滑油換油期所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

汽車；潤滑效率；潤滑油長換油期

0 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，其中汽車工業(yè)發(fā)展迅速。工信部調(diào)查顯示，截止2015年底，我國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.79億輛。我國每年新增石油消費(fèi)量的70%以上被新增汽車消耗，同時(shí)空氣中細(xì)顆粒物濃度有15%～52.1%來源于汽車尾氣。在2015年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》中，中國承諾2020年碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%，2030年碳排放強(qiáng)度比2005年下降60%～65%。為了達(dá)到相關(guān)承諾目標(biāo)，國家不斷出臺(tái)限制汽車燃料消耗和排放的政策法規(guī)。中國汽車燃料消耗與排放相關(guān)法規(guī)詳見表1。

表1 中國汽車燃料消耗及排放法規(guī)

汽車燃料消耗限值的不斷提高、排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛要求原始設(shè)備制造商(OEM)不斷應(yīng)用EGR、POC、DPF等減排新技術(shù)以滿足法規(guī)限值要求。當(dāng)下OEM在開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)可變技術(shù)、高效燃燒技術(shù)、熱管理技術(shù)的同時(shí)，將能夠減少摩擦功損耗的低摩擦技術(shù)作為重要研究方向。為了實(shí)現(xiàn)低摩擦技術(shù)，OEM一方面借助DLC、激光珩磨等技術(shù)降低摩擦副表面摩擦系數(shù)，另一方面優(yōu)化潤滑油來實(shí)現(xiàn)輸出總效率的提升。潤滑油技術(shù)實(shí)現(xiàn)總效率提升本文定義為潤滑效率。選擇適宜的潤滑油配合摩擦副的工作可以提高潤滑效率，降低摩擦損失，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。近年來，隨著潤滑油性能的提升，潤滑效率的提高逐步成為了研究的熱點(diǎn)。

潤滑油換油周期的延長可以減少車輛用戶維修保養(yǎng)頻次，提高車輛的有效運(yùn)行時(shí)間，在車輛使用過程中用戶的總成本(TCO)得到有效降低，因此從事物流運(yùn)輸?shù)纳逃密囉脩魧?duì)延長潤滑油換油周期的愿望特別強(qiáng)烈。對(duì)于OEM而言，潤滑油長換油期技術(shù)可以提升其產(chǎn)品競爭力，從而實(shí)現(xiàn)銷量提升。延長潤滑油換油期有助于減少廢棄潤滑油的產(chǎn)生，降低對(duì)環(huán)境影響的同時(shí)減少用于處理廢棄潤滑油的能耗。汽車潤滑效率提高和潤滑油換油周期延長具有重要的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

1 汽車潤滑效率及潤滑油換油周期現(xiàn)狀

1.1 汽車潤滑效率現(xiàn)狀

1.1.1 乘用車及輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑效率現(xiàn)狀

Kennedy等[1]研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的能量分配情況，研究結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)摩擦損失的功率可達(dá)總功率的17%，如表2所示。低黏度的發(fā)動(dòng)機(jī)油具有優(yōu)異的低溫冷啟動(dòng)性能，低溫泵送性能，可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的潤滑效率。低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油能減少曲軸旋轉(zhuǎn)過程中潤滑油內(nèi)摩擦力(拖曳力)造成的能量損耗，同時(shí)降低活塞剪切潤滑油的能量損失從而提高潤滑效率。也就是說潤滑油低黏度低摩擦技術(shù)還可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提高3%效率空間。目前，豐田、本田等日本OEM已經(jīng)率先應(yīng)用XW-20級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)油提高汽車潤滑效率，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提升。歐洲、美國OEM也正在進(jìn)行相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，預(yù)計(jì)到2020年大眾、雷諾、通用等OEM也將應(yīng)用XW-20級(jí)別低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油。GF-6節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)(包含XW-16黏度規(guī)格)正在緊張的制定過程中，預(yù)計(jì)2017年推出。GF-6標(biāo)準(zhǔn)的推出將會(huì)促使乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)一步向低黏度發(fā)展。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)能量分配比例

表2(續(xù))

1.1.2 重型車發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑效率現(xiàn)狀

重型車發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)時(shí)間處于高負(fù)荷、重載荷工況，所以部分OEM認(rèn)為低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油較低的油膜厚度可能帶來發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及耐久性的影響，因此對(duì)重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油低黏度化的趨勢持否定態(tài)度，這也導(dǎo)致重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑效率研究相對(duì)滯后。重型車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)摩擦有較大功率損失，某款重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)在60 ℃油溫，2300 r/min時(shí)的功率損失見表3。降低發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度有助于潤滑效率的提高，隨著重型商用車燃油消耗量限值的趨緊，重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油潤滑油效率的相關(guān)研究正在進(jìn)行。2016年12月1日首個(gè)具有節(jié)能效果的API柴機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)FA-4也將頒布。目前部分OEM也開展了重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)油低黏度化的試驗(yàn)研究。例如歐洲某OEM在其重型卡車道路試驗(yàn)中應(yīng)用5W-30發(fā)動(dòng)機(jī)油替換10W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油，試驗(yàn)結(jié)果表明使用低黏度機(jī)油獲得了0.9%的燃油經(jīng)濟(jì)性提升。

表3 某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失功率

1.1.3 傳動(dòng)系的潤滑效率研究

傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的嚙合有滑動(dòng)與滾動(dòng)兩種形式，潤滑效率損失主要以齒面摩擦與攪油的形式發(fā)生。Baglione等[2]發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)工作過程中能量損失可占5.6%。通過潤滑油添加劑中摩擦改進(jìn)劑的調(diào)整可以降低齒輪嚙合的摩擦系數(shù)，從而減少齒面摩擦能量損失，試驗(yàn)表明摩擦改進(jìn)劑的調(diào)整可以有0.3%的潤滑效率提升。適當(dāng)?shù)募佑土恳部梢越档妄X輪傳動(dòng)過程中的攪油損失，張慧芳等人在一種六檔手動(dòng)變速器上試驗(yàn)，潤滑油量減少300 mL,無載荷損失降低8%以上[3]。低黏度齒輪油的運(yùn)用可以顯著提高潤滑效率，降低燃油消耗。日本OEM在某型號(hào)MPV車上應(yīng)用75W-85齒輪油相比80W-90齒輪油有1.2%的燃油經(jīng)濟(jì)性提升。

1.2 汽車潤滑油換油周期現(xiàn)狀

1.2.1 乘用車換油周期

乘用車用戶更注重車輛的低燃油經(jīng)濟(jì)性、高可靠性，其延長換油周期的愿望并不強(qiáng)烈。國內(nèi)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)油的換油里程一般按照所使用的機(jī)油基礎(chǔ)油的類別進(jìn)行劃分，各類型潤滑油典型換油周期詳情見表4。

表4 國內(nèi)乘用車潤滑油典型換油里程

1.2.2 商用車換油周期

商用車潤滑油換油周期的延長一直是國內(nèi)外OEM的研究重點(diǎn)。中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心與重汽技術(shù)發(fā)展中心進(jìn)行了長壽命重負(fù)荷柴油機(jī)油試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)車輛完成了8×104km的行車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后油品各項(xiàng)指標(biāo)都保持在國標(biāo)規(guī)定的換油指標(biāo)范圍內(nèi)。目前國內(nèi)領(lǐng)先重型商用車生產(chǎn)企業(yè)一汽、重汽的發(fā)動(dòng)機(jī)換油里程已經(jīng)分別達(dá)到10×104km和8×104km，國外重卡企業(yè)MAN、DAF等發(fā)動(dòng)機(jī)油換油里程已經(jīng)在12×104km以上。齒輪油相比發(fā)動(dòng)機(jī)油工作溫度低、無燃燒產(chǎn)物混入、氧化程度小，所以齒輪油換油周期普遍高于發(fā)動(dòng)機(jī)油。一汽、重汽等都實(shí)現(xiàn)了齒輪油10×104km的換油里程，但歐美等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的OEM商用車齒輪油換油周期普遍在(40～50)×104km水平。目前國內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)的齒輪油換油周期差距較大，見表5。

表5 重型商用車潤滑油換油周期

表5(續(xù))

商用車用戶(尤其是大型物流企業(yè))運(yùn)營成本中，維修保養(yǎng)費(fèi)用一直占據(jù)較大比重，見表6。市場調(diào)研指出，固定貨源的物流車輛單月行駛里程可達(dá)2×104km以上，若潤滑油換油里程為3×104km，用戶1～2月就要進(jìn)行一次維修保養(yǎng)。潤滑油采購成本及更換油品的時(shí)間成本綜合占總成本的2%左右，用戶對(duì)延長潤滑油換油周期的訴求極為強(qiáng)烈。

表6 物流公司貨運(yùn)成本

2 一汽汽車潤滑效率的試驗(yàn)研究

2.1 汽油機(jī)潤滑效率提高研究

應(yīng)用低黏度、高黏度指數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)油提升汽車潤滑效率一直是汽車行業(yè)內(nèi)的研究焦點(diǎn)。一汽基于CA4GA汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低黏度潤滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及可靠性的影響研究[5]，驗(yàn)證了采用0W-20低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油(參比油10W-30)，整機(jī)摩擦功降幅峰值可達(dá)5.9%。NEDC工況下，燃油消耗節(jié)約最高可達(dá)2%,且試驗(yàn)過程中潤滑油壓力、漏氣量均在正常范圍內(nèi)，拆解后軸瓦失重等指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。

2.2 輕型柴油機(jī)潤滑效率提高研究

一汽基于解放輕型商用車進(jìn)行了低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油潤滑效率的相關(guān)試驗(yàn),采用5W-30試驗(yàn)機(jī)油(參比機(jī)油15W-40)，進(jìn)行了輕型商用車整車轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)際行車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明采用低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油在整車轉(zhuǎn)鼓測試中可以有3.8%油耗降低，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。2×104km行車試驗(yàn)有1.4%的油耗降低。

圖1 解放JL01整車轉(zhuǎn)鼓油耗測試結(jié)果

2.3 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑效率研究

傳動(dòng)系統(tǒng)由于其傳遞壓力大，齒面精度及裝配精度較大程度地影響到潤滑效率。一汽技術(shù)中心采用GL-5 80W-90齒輪油對(duì)國內(nèi)外兩家領(lǐng)先商用車企業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了總效率的對(duì)比分析。目前無論是變速器還是驅(qū)動(dòng)橋，在總效率上有2%的差距。傳動(dòng)系統(tǒng)總效率對(duì)比數(shù)據(jù)見表7。

表7 傳動(dòng)系總效率對(duì)比 %

齒輪油注入量過多會(huì)導(dǎo)致齒輪攪油功率損失增大，過多的加油量也會(huì)提高驅(qū)動(dòng)橋工作的熱平衡溫度，增加潤滑油工作環(huán)境的苛刻程度。一汽對(duì)國內(nèi)外領(lǐng)先OEM重型商用車生產(chǎn)企業(yè)三款相近馬力牽

引車的驅(qū)動(dòng)橋加油量進(jìn)行分析，見表8，國內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋加油量相比國外驅(qū)動(dòng)橋高2.5～5 L，仍有進(jìn)一步提升空間。潤滑油黏度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑效率影響的研究正在進(jìn)行之中。

表8 驅(qū)動(dòng)橋加油量對(duì)比

3 一汽潤滑油長換油期技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)研究

一汽基于解放J6重型牽引車進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)油10×104km換油周期技術(shù)開發(fā)，基于457橋進(jìn)行了變速箱油、驅(qū)動(dòng)橋油一體化10×104km里換油周期技術(shù)開發(fā)。試驗(yàn)油品采用E4 10W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油和GL-5 80W-90齒輪油。先期臺(tái)架試驗(yàn)后選取6臺(tái)解放J6重型牽引車進(jìn)行了10×104km可靠性道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在整個(gè)潤滑油換油周期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)油、變速箱齒輪油、驅(qū)動(dòng)橋齒輪油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、鐵元素含量等理化指標(biāo)均保持在國標(biāo)規(guī)定的換油指標(biāo)限值范圍內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)的拆解結(jié)果表明經(jīng)過10×104km換油周期，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞積炭、軸瓦磨損、氣門結(jié)焦、凸輪軸磨損均在正常范圍內(nèi)。試驗(yàn)后油品100 ℃黏度變化率及鐵元素含量檢驗(yàn)結(jié)果見表9，部分發(fā)動(dòng)機(jī)拆解摩擦副磨損情況見圖2～圖5。

表9 潤滑油長換油周期試驗(yàn)后油品數(shù)據(jù)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞 圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)下軸瓦 圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門 圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪

潤滑油長換油周期可以降低用戶車輛使用成本，潤滑油采購成本也獲得較大程度降低。一汽商用車發(fā)動(dòng)機(jī)油、齒輪油長換油期技術(shù)給車輛用戶帶來潤滑油采購成本降低值見表10。

表10 換油周期及用戶節(jié)約成本

2015年8月，解放J6系列重卡在國內(nèi)率先產(chǎn)品化了“發(fā)動(dòng)機(jī)油10×104km長換油周期及箱橋一體齒輪油10×104km長換油周期”。該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用量產(chǎn)后，一汽重型卡車(含非完整車輛和半掛牽引車)銷量從第三位(2015.07)逐步攀升至第一位(2016.05)。由此可見，潤滑油長換油周期對(duì)提升產(chǎn)品銷量有重要作用，對(duì)OEM具有重要的戰(zhàn)略意義。相關(guān)銷量情況見圖6。

圖6 主要商用車銷量

4 提高汽車潤滑效率和延長潤滑油換油周期技術(shù)難點(diǎn)

(1)摩擦表面的低摩擦技術(shù)：在邊界潤滑條件下基于PVD技術(shù)的類金剛石(DLC)涂層可以有效降低摩擦系數(shù)，提高汽車潤滑效率，但涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度仍需提高來抑制在較長工作過程中的涂層剝落問題。摩擦面的高加工精度是低黏度潤滑油應(yīng)用的決定性前提。高加工精度可以減少摩擦過程中對(duì)潤滑油的剪切作用，保證在較長的潤滑油換油周期內(nèi)潤滑油黏度保持在合理范圍內(nèi)。近期逐步發(fā)展起來的缸筒激光珩磨技術(shù)，可以有效提高缸筒的儲(chǔ)油能力，降低摩擦系數(shù)，但較高的成本仍是其大范圍應(yīng)用的難題。

(2)總成零部件加工清潔度及精度的控制：發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)的總成零部件加工清潔度及精度對(duì)油潤滑效率的提升及潤滑油長換油周期有重要影響。加工清潔度及精度低的總成內(nèi)雜質(zhì)在工作過程中將導(dǎo)致磨粒磨損的產(chǎn)生，發(fā)動(dòng)機(jī)低黏度潤滑油較小的油膜厚度無法為摩擦副提供足夠保護(hù)，傳動(dòng)系統(tǒng)中較高的傳遞壓力會(huì)加劇磨粒磨損的破壞強(qiáng)度?；诮档统杀镜囊?，很多OEM都延長了首次保養(yǎng)的時(shí)間，甚至部分OEM取消了車輛的首次保養(yǎng)。對(duì)于這些OEM，提高總成零部件加工清潔度及精度是提高汽車潤滑效率和延長潤滑油換油周期的重要前提。

(3)基礎(chǔ)油的選用與成本控制：全合成基礎(chǔ)油具有優(yōu)異的低溫性能、高黏溫性、高抗氧化性，是調(diào)配優(yōu)質(zhì)潤滑油的基礎(chǔ)，選用高級(jí)別的基礎(chǔ)油顯然可以帶來性能提升。但是對(duì)于OEM而言，采用Ⅱ類、Ⅲ類還是Ⅰ+Ⅲ類乃至Ⅳ類基礎(chǔ)油的產(chǎn)品要綜合平衡潤滑油性能與采購成本，這同時(shí)需要通過大量的臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)潤滑油添加劑的優(yōu)化：為了提高潤滑效率而使用低黏度潤滑油，這將提高對(duì)潤滑油減摩抗磨劑的要求。ZDDP作為應(yīng)用最為廣泛的減摩抗磨添加劑，其過量使用將會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器中毒。較長的換油周期內(nèi)，污染物的聚集要求潤滑油具備更優(yōu)異的清凈和分散能力，在控制灰分的前提下提升潤滑油的清凈劑性能，增強(qiáng)分散劑分散能力需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。優(yōu)化配方選定后要依次通過大量的模擬試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)，這需要大量的人力及資金投入。

5 汽車潤滑效率提高和潤滑油換油期延長帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

國家的苛刻法規(guī)、OEM的技術(shù)升級(jí)、客戶的使用需求促使?jié)櫥侍岣吆蜐櫥蛽Q油里程延長，這同時(shí)給相關(guān)行業(yè)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。OEM借助潤滑油技術(shù)優(yōu)勢來提高產(chǎn)品的競爭力，這有助于產(chǎn)品銷量提升。憑借高潤滑效率和長換油期產(chǎn)品，技術(shù)先進(jìn)潤滑油生產(chǎn)商可以在激烈的供應(yīng)商角逐中占據(jù)優(yōu)勢，這可能導(dǎo)致潤滑油生產(chǎn)行業(yè)的新一輪洗牌。摩擦表面的加工精度及零部件的裝配精度對(duì)低黏度潤滑油的應(yīng)用效果起到?jīng)Q定性影響，如何在控制工藝成本前提下實(shí)現(xiàn)部件與潤滑油的兼容，是OEM面臨的重要課題。汽車潤滑效率提高與潤滑油換油周期延長之間的平衡對(duì)配方調(diào)合技術(shù)提出了更高的要求，這是潤滑油生產(chǎn)商面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

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The Automotive Lubricating Efficiency and Long Oil Drain Interval

WANG Qing-guo, TAO Chun-sheng, YANG Nan

(China FAW Corporation Limited R&D Center, Changchun 130011, China)

The present situation of automotive lubricating efficiency and long oil drain interval is summarized in this paper. Meanwhile, the FAW work on improving automotive lubricating efficiency and extending oil drain interval is presented. The technical difficulties of improving automotive lubricating efficiency and extending oil drain interval are analyzed and the opportunities and challenges in this work are discussed facing by OEM and additive companies.

automobile; lubricating efficiency; long oil drain interval

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.01.001

1002-3119(2017)01-0001-06

TE626.3

A

2016-07-13。

王清國，現(xiàn)就職于中國一汽技術(shù)中心材料部，任技術(shù)中心材料部副部長，目前從事車用油品應(yīng)用研究工作。E-mail:wangqingguo@rdc.faw.com.cn