低黏度潤(rùn)滑油對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)影響的試驗(yàn)研究

莫易敏 張 偶 劉青春 呂俊成 羅 旭

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 540057)

隨著國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)越發(fā)嚴(yán)格，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能需求不斷提升[1]。和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比,渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)體積更小，與自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比功率可提高40%[2]，其高功率密度符合當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，在許多汽車廠家中得到普及[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油由基礎(chǔ)油和添加劑構(gòu)成[4]，主要發(fā)展趨勢(shì)為低黏化[5]和低摩擦[6]。由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有高熱負(fù)荷和高機(jī)械負(fù)荷[7]，其使用的潤(rùn)滑油需要進(jìn)行特別研究。黃勝軍等[8]用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)SM/SN級(jí)別潤(rùn)滑油進(jìn)行中高負(fù)荷和中低溫條件的臺(tái)架試驗(yàn)。劉小龍等[9]開發(fā)出針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油抗磨性臺(tái)架評(píng)定方法。KARRIP等[10]討論了渦輪增壓技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油消耗量的影響。趙磊和雷凌[11]用5W30潤(rùn)滑油在渦輪增壓車輛上開展行車試驗(yàn)研究。現(xiàn)有研究主要針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)油的耐磨性能，關(guān)于低黏度潤(rùn)滑油對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響研究較少。

本文作者選用某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，以原廠潤(rùn)滑油5W30為參比油，對(duì)比分析3種0W20測(cè)試油的機(jī)械損失和萬(wàn)有特性曲線；使用黏度最低的測(cè)試油0W20-1進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久臺(tái)架試驗(yàn)，探究低黏度潤(rùn)滑油和摩擦改進(jìn)劑對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和潤(rùn)滑油

試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為某公司生產(chǎn)的渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of engine

將原廠潤(rùn)滑油5W30設(shè)為參比油，低黏度潤(rùn)滑油0W20作為測(cè)試油，并使用摩擦改進(jìn)劑來減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損。參比油和測(cè)試油的理化參數(shù)如表2所示。3種測(cè)試油的黏度均小于參比油，其中0W20-1機(jī)油黏度最低。3種測(cè)試油黏度指數(shù)均高于參比油，說明和參比油相比，測(cè)試油黏度對(duì)溫度更加不敏感。0W20-1和0W20-2測(cè)試油中均添加了含鉬摩擦改進(jìn)劑，但添加量不同，測(cè)試油0W20-3中添加的摩擦改進(jìn)劑為脂肪酸酯。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油組成與參數(shù)Table 2 Composition and parameters of engine lubricating oils

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架與方法

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)在某公司試驗(yàn)驗(yàn)證中心進(jìn)行，測(cè)試參考GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[12]，試驗(yàn)工作臺(tái)如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)架選用基于AVL自動(dòng)控制臺(tái)架。

在試驗(yàn)開始之前，先對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，確保設(shè)備的可靠性。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的溫度和壓力以及潤(rùn)滑油、燃油、冷卻液溫度進(jìn)行范圍限制，并且利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和潤(rùn)滑油溫度控制系統(tǒng)將試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)溫度控制在指定范圍內(nèi)。為了更好地排除外部因素對(duì)試驗(yàn)的干擾，發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)該滿足的基本要求如表3所示。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該保留工作必需的附件，拆除對(duì)其產(chǎn)生外加負(fù)載的附件。試驗(yàn)前應(yīng)預(yù)先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行8 h左右的磨合，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能滿足要求。

圖1 臺(tái)架試驗(yàn)工作臺(tái)Fig.1 Bench test worktable

表3 試驗(yàn)基本參數(shù)Table 3 Basic test parameters

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)需以40%～80%的額定轉(zhuǎn)速和10%～30%的負(fù)荷預(yù)熱升溫，來保證冷卻液溫度和機(jī)油溫度應(yīng)符合試驗(yàn)基本要求。此外為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)自身動(dòng)力影響試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門全開時(shí)需要額定轉(zhuǎn)速工作，隨后把油路切斷，將管路中剩余燃料燒盡。在萬(wàn)有特性試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要控制在最低轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間，測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)需要在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和排氣溫度穩(wěn)定1 min后進(jìn)行，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與選定轉(zhuǎn)速的誤差應(yīng)控制在1%以內(nèi)或±10 r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)的耐久臺(tái)架安裝了安全控制系統(tǒng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能在無人監(jiān)控的情況下連續(xù)工作。試驗(yàn)結(jié)束后，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)，檢查分析發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)摩擦副的磨損情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)測(cè)量摩擦力矩的方法是倒拖法[13]，有節(jié)氣門全開和節(jié)氣門全閉2種工況[14]，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～5 500 r/min。在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后 3 min內(nèi)，從額定轉(zhuǎn)速開始逐步降低到最低轉(zhuǎn)速，先測(cè)量節(jié)氣門全開工況，節(jié)氣門全閉工況隨后進(jìn)行。圖2所示為參比油和3種測(cè)試油在2種不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線。

圖2 節(jié)氣門全開和全閉工況下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.2 Engine torque varied with speed under theworking conditions of full open throttle(a) and full close throttle(b)

從圖2中可以看出，在節(jié)氣門全開和全關(guān)2種工況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，參比油和測(cè)試油的扭矩都有所增加。當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，在低速階段測(cè)試油的扭矩大于參比油5W30，這是由于低黏度的潤(rùn)滑油在該階段難以形成油膜，潤(rùn)滑效果差，而在轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min左右時(shí)潤(rùn)滑效果可以得到改善。

為了進(jìn)一步分析測(cè)試油的優(yōu)化效果，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出測(cè)試油和參比油摩擦力矩差值曲線，如圖3所示，其中扭矩差值為相同工況下參比油摩擦力矩減去測(cè)試油摩擦力矩。當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，0W20-2潤(rùn)滑油扭矩降低最多，0W20-3潤(rùn)滑油表現(xiàn)最差。0W20-2潤(rùn)滑油平均可降低扭矩2.3 N·m，轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時(shí)扭矩下降最多，可降低34.4%的扭矩；0W20-3潤(rùn)滑油平均可降低扭矩僅為0.07 N·m，最多降低扭矩3.6%。當(dāng)節(jié)氣門全關(guān)時(shí)，0W20-2潤(rùn)滑油同樣表現(xiàn)最好，摩擦力矩始終小于參比油5W30，平均可降低扭矩1.6 N·m，最多可降低扭矩為19.3%；0W20-1潤(rùn)滑油扭矩平均可降低0.8 N·m，轉(zhuǎn)速在5 300 r/min時(shí)扭矩下降最多，可達(dá)到1.8 N·m，下降6.0%；而0W20-3潤(rùn)滑油表現(xiàn)不佳，平均降低扭矩僅為0.4 N·m。

圖3 節(jié)氣門全開和全閉工況下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩差值隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.3 Engine torque difference varied with speedunder the working conditions of full openthrottle(a) and full close throttle(b)

總體來看，所有測(cè)試油在節(jié)氣門全開和節(jié)氣門全關(guān)工況下都能夠降低渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦力矩，0W20-2潤(rùn)滑油的效果更佳。0W20-2潤(rùn)滑油中含鉬摩擦改進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，高于0W20-1潤(rùn)滑油中0.5%的含鉬摩擦改進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%脂肪酸酯摩擦改進(jìn)劑的0W20-3潤(rùn)滑油效果最差。說明含鉬摩擦改進(jìn)劑更能夠適應(yīng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，可減少摩擦功的消耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)油減少機(jī)械損失的效果和摩擦改進(jìn)劑的種類和添加量的多少都有關(guān)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)是在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)在車用狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)[15]，可以找出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩和油耗率3個(gè)參數(shù)在不同工況下的關(guān)系。繪制萬(wàn)有特性曲線圖時(shí)，在相同工況條件下，將試驗(yàn)油和參比油的燃油消耗率相減，得到燃油消耗率的差值。當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于0時(shí)說明試驗(yàn)油燃油經(jīng)濟(jì)性較差；當(dāng)結(jié)果小于0時(shí)說明該區(qū)域試驗(yàn)油比參比油燃油經(jīng)濟(jì)性好。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到3種測(cè)試油的萬(wàn)有特性曲線如圖4所示，其中曲線為測(cè)試油與參比油燃油消耗率差值曲線。

圖4 3種測(cè)試油的萬(wàn)有特性曲線Fig.4 Universal characteristic curves of three kinds of testoils:(a)0W20-1 engine oil;(b)0W20-2engine oil;(c)0W20-3 engine oil

如圖4(a)所示，差值小于0的區(qū)域占比約為68.7%，說明在大部分工況條件下，0W20-1潤(rùn)滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性更好，起到了一定的優(yōu)化效果,然而在低負(fù)荷區(qū)域表現(xiàn)不如0W20-2潤(rùn)滑油。如圖4(b)所示，0W20-2潤(rùn)滑油在低負(fù)荷區(qū)域差值大于0的較少而在中高負(fù)荷工況區(qū)域差值大于0的區(qū)域占比較多，說明0W20-2潤(rùn)滑油在低負(fù)荷區(qū)域表現(xiàn)良好而在高負(fù)荷區(qū)域表現(xiàn)不佳。如圖4(c)所示，在中高負(fù)荷區(qū)域0W20-3潤(rùn)滑油表現(xiàn)良好，優(yōu)于0W20-2潤(rùn)滑油。在低負(fù)荷工況下，0W20-1潤(rùn)滑油表現(xiàn)最差，這是因?yàn)?W20-1潤(rùn)滑油黏度最低，在低速階段潤(rùn)滑狀態(tài)差，難以形成潤(rùn)滑油膜，摩擦表面的大量微凸體互相接觸，微凸體摩擦力較大。當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸升高至1 500～1 800 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑狀態(tài)得到改善，從混合潤(rùn)滑轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲牧黧w潤(rùn)滑，摩擦損失減少，0W20-1潤(rùn)滑油表現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

從總體上看，3種測(cè)試油燃油經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于參比油5W30，其中0W20-1潤(rùn)滑油在中高負(fù)荷工況下效果更好。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用低黏度潤(rùn)滑油可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性，耐久性臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蚩焖衮?yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況[16]。為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)油的耐久性并降低試驗(yàn)成本，選擇一種黏度最低的0W20-1潤(rùn)滑油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)中進(jìn)氣溫度保持在16～38 ℃，進(jìn)氣壓力為95～105 kPa，當(dāng)凈功率小于120 kW或凈扭矩小于263 kW時(shí)安全控制系統(tǒng)報(bào)警。試驗(yàn)后主要摩擦副的磨損情況如圖5所示。

從圖5(a)中可以看出，主軸瓦的上瓦片和下瓦片表面有光澤，無磨損或劃傷現(xiàn)象；由于采用了表面涂層技術(shù)，連桿上瓦片無擦傷現(xiàn)象，表面涂層材料沒有發(fā)生遷移，連桿下瓦片表面質(zhì)量良好，無失效情況。從圖5(b)中可以看出，凸輪軸表面紋理清晰，無明顯擦傷痕跡和劃痕，表面質(zhì)量良好。從圖5(c)中可以看出，活塞頂部表面有少量細(xì)小顆粒狀積碳，屬于正常現(xiàn)象，環(huán)與環(huán)槽轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無磨損痕跡。從圖5(d)中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁表面顏色改變，但未發(fā)現(xiàn)有劃傷，總體狀況無危害性。

綜合來看，在耐久性試驗(yàn)之后，拆機(jī)結(jié)果說明發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)良好，關(guān)鍵摩擦副都沒有出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象，測(cè)試油中的含鉬摩擦進(jìn)劑能發(fā)揮作用，改善低黏度潤(rùn)滑油的摩擦效果，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性需求。

圖5 0W20-1潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副磨損情況Fig.5 Wear of engine friction pair lubricated by0W20-1 lubricating oil：(a)shell;(b)camshaft;(c)piston; (d)cylinder

3 結(jié)論

通過發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)原廠油和測(cè)試油進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性比較，并對(duì)黏度最低的0W20-1潤(rùn)滑油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

(1)低黏度的潤(rùn)滑油能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損失，其中0W20-2潤(rùn)滑油表現(xiàn)較優(yōu)，當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，0W20-2潤(rùn)滑油可降低扭矩約2.3 N·m，最多可降低34.4%的扭矩，提升了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

(2)含鉬的摩擦改進(jìn)劑更適用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)工況，在研究的添加量范圍內(nèi)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%～0.7%)，添加量增加機(jī)械摩擦損失減少。

(3)對(duì)黏度最低的0W20-1潤(rùn)滑油進(jìn)行耐久性臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，低黏度0W20-1潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵摩擦副磨損量能夠滿足耐久性能要求。