柳國立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

低粘度潤滑油對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性及可靠性影響的研究

柳國立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

從燃油經(jīng)濟性及可靠性兩方面詳細(xì)研究了匹配低粘度潤滑油對CA4GA5發(fā)動機整機的影響。燃油經(jīng)濟性主要通過臺架反拖測量摩擦功及整車NEDC循環(huán)試驗進行評價，通過驗證證明采用低粘度潤滑油具備1%～2%的節(jié)油空間；通過對整機性能、潤滑油壓力、漏氣量、潤滑油消耗量及軸承磨損等進行評價，用于確定采用低粘度潤滑油對整機可靠性的影響。

1 前言

隨著第3階段乘用車油耗法規(guī)實施的日益臨近，目前國內(nèi)各品牌制造商都開展了降低油耗方法的相關(guān)研究，其中通過降低整機摩擦功而實現(xiàn)節(jié)油受到了越來越多的重視，而采用低粘度潤滑油[1]能夠?qū)档驼麢C摩擦功起到立竿見影的效果。然而，潤滑油粘度對整機可靠性起著至關(guān)重要的作用，因此如何在不影響可靠性的前提下最大限度的優(yōu)化潤滑油粘度成為需要研究的重要內(nèi)容。

本文通過對CA4GA5發(fā)動機進行潤滑油粘度對燃油消耗量及可靠性影響的相關(guān)研究與試驗，對整機潤滑油匹配工作進行初步探索。

2 潤滑油粘度選擇的基本依據(jù)

Stribeck曲線[2]是一個被廣泛熟知的摩擦理論，如圖1所示。潤滑狀態(tài)分為壓力潤滑、混合潤滑及邊界潤滑3種形式。當(dāng)施加的力（F）和相對速度（V）保持一定時，隨著潤滑油粘度（η）的降低，潤滑狀態(tài)的變化順序由壓力潤滑（Ⅲ）到混合潤滑（Ⅱ）再到邊界潤滑（Ⅰ）。

圖1也表達(dá)了摩擦系數(shù)隨潤滑狀態(tài)的變化趨勢。在壓力潤滑情況下，摩擦系數(shù)隨著粘度的降低而減小，這也是應(yīng)用低粘度潤滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據(jù)；當(dāng)粘度降低到一個臨界點后，潤滑狀態(tài)變?yōu)榛旌蠞櫥蛘哌吔鐫櫥瑥亩鼓Σ料禂?shù)迅速增大，此時不僅不會降低摩擦功，反而會造成運動件磨損加劇，最終導(dǎo)致整機可靠性無法保證等問題。

結(jié)合圖1，可知發(fā)動機主要運動部件所處的潤滑狀態(tài)如下：

a.主軸承、連桿軸承、凸輪軸承均處于壓力潤滑范圍內(nèi)；

b.缸筒、活塞環(huán)組成的摩擦副則介于壓力潤滑與混合潤滑之間；

c.鏈條、凸輪以及閥系則介于混合潤滑與邊界潤滑之間。

對發(fā)動機潤滑油來講，低粘度和摩擦改進劑（FM）是獲取燃油經(jīng)濟性的兩個關(guān)鍵因素。

通過上述分析，得出采用低粘度潤滑油需要關(guān)注以下幾個方面：

a.軸承磨損。由于降低潤滑油粘度可能造成軸承油膜厚度降低，因此必須驗證軸承是否會出現(xiàn)異常磨損；

b.潤滑油消耗量增加。因為低粘度潤滑油包含更多的小分子，所以揮發(fā)量更多，因此隨著潤滑油消耗量的增加，需要特別關(guān)注該問題；

c.加工精度。由于國內(nèi)部件加工精度較差，因此需要驗證低粘度潤滑油是否能夠適應(yīng)國內(nèi)加工精度。

3 低粘度潤滑油對燃油經(jīng)濟性的影響

3.1 發(fā)動機基本參數(shù)

試驗搭載的是型號為CA4GA5的發(fā)動機，其基本參數(shù)如表1所列。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

3.2 臺架反拖摩擦功試驗

3.2.1 臺架反拖摩擦功測試方法

臺架測量整機摩擦功主要是通過電力測功機反拖發(fā)動機的方法進行的。

需要注意的是，在試驗時，不允許增加潤滑油輔助循環(huán)系統(tǒng)，所以試驗前在增加潤滑油加熱裝置時，一定要確定油面的變化不會影響整機摩擦功。

3.2.2 潤滑油主參數(shù)

試驗主要對比的是現(xiàn)生產(chǎn)采用的SL級10 W-30和SM級0 W-20兩種潤滑油，油樣的元素含量對比見表2，粘溫曲線如圖2所示。

表2 不同油樣元素含量對比μg/g

從兩組油樣元素含量以及粘溫曲線對比結(jié)果可以看出，除了粘度等級不同外，SM級0W-20機油還添加了以鉬化合物為主的摩擦改進劑，用于優(yōu)化處于混合潤滑以及邊界潤滑時摩擦表面的摩擦系數(shù)。

3.2.3 試驗結(jié)果

通過臺架反拖摩擦功試驗得到的試驗結(jié)果如圖3所示。從試驗結(jié)果可以看出，在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、不同潤滑油溫度工況下（通過外接水恒溫裝置，將水溫控制在85±5℃范圍內(nèi)），采用0W-20潤滑油均能夠降低整機摩擦功，尤其在1 000～3 000 r/min（乘用車常用工況）時降幅尤為明顯，可達(dá)到2.7%～5.9%。

3.3 整車NEDC循環(huán)試驗

在完成整機摩擦功試驗后，為了進一步驗證整車節(jié)能情況，通過A130整車搭載CA4GA5發(fā)動機進行NEDC循環(huán)試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。通過試驗可以看出，采用0 W-20潤滑油后，整車NEDC循環(huán)下的油耗能夠降低1.5%～2%，從而證明低粘度潤滑油有助于改善油耗。

4 低粘度潤滑油對可靠性的影響

4.1 軸瓦油膜厚度校核

5．藥敏紙片試驗結(jié)果見表2。藥敏紙片試驗結(jié)果表明敏感的藥物依次是：頭孢菌素、環(huán)丙沙星；中度敏感的依次是：青霉素和卡那霉素；而對土霉素、鏈霉素、慶大霉素具有抗藥性。

在進行可靠性試驗前，首先針對不同粘度潤滑油對軸瓦油膜厚度進行校核，校核結(jié)果如圖5、圖6所示。

通過分析結(jié)果可以看出，采用低粘度潤滑油后，無論主軸承還是連桿軸承，油膜厚度都明顯減小，接近評價指標(biāo)，但需通過試驗進行進一步驗證。

4.2 可靠性試驗邊界條件控制

低粘度潤滑油對可靠性影響主要通過搭載本公司標(biāo)準(zhǔn)可靠性臺架試驗規(guī)范進行驗證，通過評價整機性能、油壓、漏氣量、機油消耗量以及軸瓦磨損來判定試驗是否通過。

為了能夠準(zhǔn)確的驗證潤滑油對可靠性的影響，需要對試驗時的潤滑油加注量、油溫、換油周期、功率、扭矩、水溫以及外循環(huán)進行設(shè)定，具體見表3。

表3 可靠性試驗邊界條件

4.3 可靠性試驗結(jié)果

4.3.1 整機性能影響

針對不同油品進行功率及油耗對比試驗，結(jié)果如圖7、圖8所示。從對比試驗結(jié)果可以看出，采用0 W-20潤滑油后，整機功率、油耗基本無變化，其主要與試驗工況有關(guān)，在進行外特性數(shù)據(jù)測量時，一般都是在水溫85℃、油溫100℃邊界下（與NEDC工況有較大差異）進行，此時通過采用低粘度潤滑油降低的摩擦功相對較小，同時由于發(fā)動機處于全負(fù)荷工況，摩擦功所占的比例相對于整車NEDC工況（發(fā)動機主要工況為部分負(fù)荷）下要小很多，因此此時節(jié)油效果幾乎體現(xiàn)不出來。

4.3.2 潤滑油壓力試驗結(jié)果

在進行可靠性試驗前、后分別進行潤滑油壓力及漏氣量的試驗，以評價整機磨損對發(fā)動機可靠性的影響。試驗結(jié)果如圖11、圖12所示。

通過試驗結(jié)果可以看出，可靠性試驗后潤滑油壓力降低、漏氣量明顯增加，說明整機產(chǎn)生一定程度的磨損，但潤滑油壓力、漏氣量均未達(dá)到試驗規(guī)范中限值的要求。

4.3.3 潤滑油消耗量試驗結(jié)果

在進行可靠性試驗的同時，檢測整機潤滑油消耗量的變化，并通過與參比油對比，評價潤滑油消耗量是否滿足要求。潤滑油消耗量試驗結(jié)果如圖13所示。

通過試驗結(jié)果可以看出，采用低粘度潤滑油后其消耗量有一定增加，但試驗結(jié)束時的潤滑油消耗量僅為0.53‰，遠(yuǎn)小于國際標(biāo)準(zhǔn)3‰的要求。

4.3.4 軸瓦磨損試驗結(jié)果

可靠性試驗前、后分別測量主軸瓦、連桿軸瓦的質(zhì)量，以此來評價降低粘度后油膜厚度是否能夠滿足軸瓦工作要求。

主軸瓦、連桿軸瓦失重對比如圖14、圖15所示，可以看出，相對于SL級10W-30機油，采用SM級0W-20潤滑油后主軸瓦、連桿軸瓦失重雖然有一定增加，但處于正常范圍內(nèi)，因此降低粘度后的油膜厚度仍滿足要求。

5 結(jié)束語

通過搭載CA4GA5發(fā)動機及A130整車進行低粘度潤滑油燃油對經(jīng)濟性及整機可靠性驗證，可以得出以下結(jié)論：

a.采用低粘度潤滑油后，整機摩擦功有明顯改善，在1000～3000r/min時降幅更為明顯，達(dá)到2.7%～5.9%；在NEDC工況下，整車燃油消耗量降低1%～2%。

b.采用0W～20潤滑油相對于現(xiàn)生產(chǎn)10W～30潤滑油對發(fā)動機整機性能影響不大，可靠性試驗結(jié)束后，主要指標(biāo)（性能、油壓、漏氣量）均滿足要求。

c.采用低粘度潤滑油后，潤滑油消耗增加量在正常范圍內(nèi)。

d.采用低粘度潤滑油后，不會出現(xiàn)由于油膜厚度降低而導(dǎo)致軸瓦異常磨損的現(xiàn)象。

通過本次研究可以證明，0 W-20粘度的潤滑油完全能夠滿足一汽集團自主研發(fā)的TA1系列自然吸氣發(fā)動機的要求。

1Kobayashi N.，Suzuki T.，karmoka R.，etal.Study of Future Engine Oil(First Report):Future Engine Oil Scenario.SAE Technical Paper，2007-01-1997.

2Yosuke Okuyama，Daichi Shimokoji，Takayuki Sakurai，etal. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability.SAE，2011-01-1247.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Impact Study of Low Viscosity Lubricating Oil on Engine Fuel Economy and Reliability

Liu Guoli，Han Junnan，Tao Chunsheng，He Zhanzhong，Tan Shaobo
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

This article studies in details the effect of low-viscosity lubricating oil on fuel efficiency and reliability of engine CA4GA5.The fuel economy is mainly evaluated through the reverse-drag friction work measurement and NEDC test.The results prove that low-viscosity engine oil contributes to oil-saving of about 1%～2%.The engine performance，oil pressure，gas leakage，lubricant oil consumption and bearing wear are evaluated to confirm the effect of low-viscosity oil on engine reliability.

Low viscosity lubricating oil,Fuel economy,Reliability

低粘度潤滑油燃油經(jīng)濟性可靠性

U461.8

：A

：1000-3703(2014)01-0054-04