莫易敏 張 偶 劉青春 呂俊成 羅 旭

(1.武漢理工大學(xué)機電工程學(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)

隨著國家第六階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺，汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)越發(fā)嚴(yán)格，對發(fā)動機的節(jié)能需求不斷提升[1]。和傳統(tǒng)發(fā)動機相比,渦輪增壓發(fā)動機體積更小，與自然進氣發(fā)動機相比功率可提高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，在許多汽車廠家中得到普及[3]。

發(fā)動機潤滑油由基礎(chǔ)油和添加劑構(gòu)成[4]，主要發(fā)展趨勢為低黏化[5]和低摩擦[6]。由于渦輪增壓發(fā)動機具有高熱負(fù)荷和高機械負(fù)荷[7]，其使用的潤滑油需要進行特別研究。黃勝軍等[8]用渦輪增壓發(fā)動機對SM/SN級別潤滑油進行中高負(fù)荷和中低溫條件的臺架試驗。劉小龍等[9]開發(fā)出針對渦輪增壓發(fā)動機的潤滑油抗磨性臺架評定方法。KARRIP等[10]討論了渦輪增壓技術(shù)對發(fā)動機潤滑油消耗量的影響。趙磊和雷凌[11]用5W30潤滑油在渦輪增壓車輛上開展行車試驗研究?，F(xiàn)有研究主要針對渦輪增壓發(fā)動機油的耐磨性能，關(guān)于低黏度潤滑油對渦輪增壓發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響研究較少。

本文作者選用某渦輪增壓發(fā)動機進行發(fā)動機臺架試驗，以原廠潤滑油5W30為參比油，對比分析3種0W20測試油的機械損失和萬有特性曲線；使用黏度最低的測試油0W20-1進行發(fā)動機耐久臺架試驗，探究低黏度潤滑油和摩擦改進劑對渦輪增壓發(fā)動機的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗發(fā)動機和潤滑油

試驗所用的發(fā)動機為某公司生產(chǎn)的渦輪增壓直噴發(fā)動機，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of engine

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

表2 發(fā)動機潤滑油組成與參數(shù)Table 2 Composition and parameters of engine lubricating oils

1.2 試驗臺架與方法

發(fā)動機臺架試驗在某公司試驗驗證中心進行，測試參考GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》[12]，試驗工作臺如圖1所示，試驗臺架選用基于AVL自動控制臺架。

在試驗開始之前，先對試驗設(shè)備進行標(biāo)定，確保設(shè)備的可靠性。對發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的溫度和壓力以及潤滑油、燃油、冷卻液溫度進行范圍限制，并且利用發(fā)動機冷卻水和潤滑油溫度控制系統(tǒng)將試驗過程中的各項溫度控制在指定范圍內(nèi)。為了更好地排除外部因素對試驗的干擾，發(fā)動機性能臺架試驗應(yīng)該滿足的基本要求如表3所示。此外，發(fā)動機應(yīng)該保留工作必需的附件，拆除對其產(chǎn)生外加負(fù)載的附件。試驗前應(yīng)預(yù)先對發(fā)動機進行8 h左右的磨合，使得發(fā)動機性能滿足要求。

圖1 臺架試驗工作臺Fig.1 Bench test worktable

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

發(fā)動機機械損失試驗中，發(fā)動機需以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油溫度應(yīng)符合試驗基本要求。此外為了避免發(fā)動機自身動力影響試驗，發(fā)動機在節(jié)氣門全開時需要額定轉(zhuǎn)速工作，隨后把油路切斷，將管路中剩余燃料燒盡。在萬有特性試驗中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速要控制在最低轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間，測量數(shù)據(jù)時需要在發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩和排氣溫度穩(wěn)定1 min后進行，并且發(fā)動機的運行轉(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)動機耐久性試驗的耐久臺架安裝了安全控制系統(tǒng)，確保發(fā)動機能在無人監(jiān)控的情況下連續(xù)工作。試驗結(jié)束后，拆解發(fā)動機，檢查分析發(fā)動機各個摩擦副的磨損情況。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 發(fā)動機機械損失試驗

發(fā)動機機械損失試驗測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)動機轉(zhuǎn)速為1 000～5 500 r/min。在發(fā)動機熄火后 3 min內(nèi)，從額定轉(zhuǎn)速開始逐步降低到最低轉(zhuǎn)速，先測量節(jié)氣門全開工況，節(jié)氣門全閉工況隨后進行。圖2所示為參比油和3種測試油在2種不同工況下發(fā)動機扭矩曲線。

圖2 節(jié)氣門全開和全閉工況下發(fā)動機扭矩隨轉(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)動機轉(zhuǎn)速的增加，參比油和測試油的扭矩都有所增加。當(dāng)節(jié)氣門全開時，在低速階段測試油的扭矩大于參比油5W30，這是由于低黏度的潤滑油在該階段難以形成油膜，潤滑效果差，而在轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min左右時潤滑效果可以得到改善。

為了進一步分析測試油的優(yōu)化效果，將試驗數(shù)據(jù)進行整理得出測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試油摩擦力矩。當(dāng)節(jié)氣門全開時，0W20-2潤滑油扭矩降低最多，0W20-3潤滑油表現(xiàn)最差。0W20-2潤滑油平均可降低扭矩2.3 N·m，轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時扭矩下降最多，可降低34.4%的扭矩；0W20-3潤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，0W20-2潤滑油同樣表現(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潤滑油扭矩平均可降低0.8 N·m，轉(zhuǎn)速在5 300 r/min時扭矩下降最多，可達到1.8 N·m，下降6.0%；而0W20-3潤滑油表現(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)動機扭矩差值隨轉(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)動機的摩擦力矩，0W20-2潤滑油的效果更佳。0W20-2潤滑油中含鉬摩擦改進劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%，高于0W20-1潤滑油中0.5%的含鉬摩擦改進劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%脂肪酸酯摩擦改進劑的0W20-3潤滑油效果最差。說明含鉬摩擦改進劑更能夠適應(yīng)渦輪增壓發(fā)動機的工況，可減少摩擦功的消耗。試驗結(jié)果表明，發(fā)動機油減少機械損失的效果和摩擦改進劑的種類和添加量的多少都有關(guān)。

2.2 發(fā)動機萬有特性試驗

發(fā)動機萬有特性試驗是在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，評定發(fā)動機在車用狀態(tài)下的經(jīng)濟性試驗[15]，可以找出發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸出扭矩和油耗率3個參數(shù)在不同工況下的關(guān)系。繪制萬有特性曲線圖時，在相同工況條件下，將試驗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)計算結(jié)果大于0時說明試驗油燃油經(jīng)濟性較差；當(dāng)結(jié)果小于0時說明該區(qū)域試驗油比參比油燃油經(jīng)濟性好。整理試驗數(shù)據(jù)得到3種測試油的萬有特性曲線如圖4所示，其中曲線為測試油與參比油燃油消耗率差值曲線。

圖4 3種測試油的萬有特性曲線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潤滑油的燃油經(jīng)濟性更好，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潤滑油。如圖4(b)所示，0W20-2潤滑油在低負(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潤滑油表現(xiàn)良好，優(yōu)于0W20-2潤滑油。在低負(fù)荷工況下，0W20-1潤滑油表現(xiàn)最差，這是因為0W20-1潤滑油黏度最低，在低速階段潤滑狀態(tài)差，難以形成潤滑油膜，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)動機的潤滑狀態(tài)得到改善，從混合潤滑轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲牧黧w潤滑，摩擦損失減少，0W20-1潤滑油表現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

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

2.3 發(fā)動機耐久性試驗

渦輪增壓發(fā)動機使用低黏度潤滑油可以提升燃油經(jīng)濟性，耐久性臺架試驗?zāi)軌蚩焖衮炞C發(fā)動機的磨損情況[16]。為了驗證發(fā)動機油的耐久性并降低試驗成本，選擇一種黏度最低的0W20-1潤滑油進行發(fā)動機耐久性臺架試驗。試驗中進氣溫度保持在16～38 ℃，進氣壓力為95～105 kPa，當(dāng)凈功率小于120 kW或凈扭矩小于263 kW時安全控制系統(tǒng)報警。試驗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?，F(xiàn)象，環(huán)與環(huán)槽轉(zhuǎn)動靈活無磨損痕跡。從圖5(d)中可以看出，發(fā)動機氣缸內(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，在耐久性試驗之后，拆機結(jié)果說明發(fā)動機潤滑狀態(tài)良好，關(guān)鍵摩擦副都沒有出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象，測試油中的含鉬摩擦進劑能發(fā)揮作用，改善低黏度潤滑油的摩擦效果，滿足發(fā)動機耐久性需求。

圖5 0W20-1潤滑油潤滑下發(fā)動機摩擦副磨損情況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)動機性能臺架試驗對原廠油和測試油進行燃油經(jīng)濟性比較，并對黏度最低的0W20-1潤滑油進行發(fā)動機耐久性試驗。主要結(jié)論如下：

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

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

(3)對黏度最低的0W20-1潤滑油進行耐久性臺架試驗，結(jié)果表明，低黏度0W20-1潤滑油潤滑下，發(fā)動機關(guān)鍵摩擦副磨損量能夠滿足耐久性能要求。