国六低黏度节能型柴油机油研究与应用

赵国权，邓建林

( 广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537001)

0 引言

随着人们对环保的重视以及环保法规和油耗法规的日益严格，我国柴油机的发展迈入节能减排阶段[1-2]。由中国汽车技术研究中心牵头起草的GB/T 30510-2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》已经完成，确定以“2020年在2015年基础上燃料消耗量限值加严约15%”作为总体节能目标。第三阶段标准的实施，对我国环境保护、节能减排以及商用车行业发展都有重要的意义。因此，燃油经济性的改善逐渐成为重型柴油机制造商关注的焦点。减少柴油发动机的燃料消耗，可以通过改进和改善发动机设计以及采用润滑油节能技术来实现[3]。发动机燃烧过程的优化、内部摩擦的减少以及传动系的优化都使得燃油经济性在这些年来有了很大的改进[4]。

有研究表明，通过发动机的技术升级来提高1%的燃油经济性的成本约为1150美元，采用动力传动系统的优化来提高1% 燃油经济性的成本约为1450美元，而采用节能型润滑油来提髙1%燃油经济性的成本约为80美元。由此可见，采用节能型润滑油是提升柴油车燃油经济性最经济和最易达到的途径之一[5]。

1 燃油经济性影响因素分析

1.1 运动黏度与燃油经济性

Stribeck 曲线是一个被广泛熟知的摩擦理论，如图1所示。

图1 Stribeck 曲线

润滑状态分为流体润滑、 混合润滑及边界润滑3种形式。 当施加的力(F)和相对速度(V)保持一定时，随着润滑油黏度(η)的降低，润滑状态的变化顺序由流体润滑(Ⅲ)到混合润滑(Ⅱ)再到边界润滑(Ⅰ)[6-7]。

图1也表达了摩擦系数随润滑状态的变化趋势。 在流体润滑情况下，摩擦系数随着黏度的降低而减小，这也是应用低黏度润滑油能够降低摩擦功的主要理论依据； 当黏度降低到一个临界点后，润滑状态变为混合润滑或者边界润滑，从而使摩擦系数迅速增大，此时不仅不会降低摩擦功，反而会造成运动件磨损加剧，最终导致整机可靠性无法保证等问题[8-9]。

在内燃机工作过程中，轴承受到很高的冲击载荷，发动机油在轴承处的油膜温度高达140～160 ℃，受到约 106/s高速率的剪切。如果油膜强度得不到保持，往往会引起轴承各种故障的发生，严重时还可能发生烧结。如图2所示，运动黏度是衡量发动机油油膜强度、流动性的重要指标之一，可以反映油品内摩擦力的大小。发动机油运动黏度越大，其油膜强度越高，黏附性越好，但流动性会变差，摩擦阻力也会随之增大，从而使油耗增加;反之，发动机油运动黏度越小，其流动性越好，摩擦阻力越小，从而降低油耗，但运动黏度过小可能会造成磨损的增加。高温高剪切黏度是油液在150 ℃时通过毛细管黏度测试得到的表观黏度，是以模拟内燃机气缸工作温度和高速剪切条件下做的测试。高温高剪切黏度通常被认为是多级发动机油在缸套活塞组和连杆轴承区域的真实黏度，对发动机燃油经济性有很大的影响[10-11]。

图2 黏度和剪切速率

发动机运动件润滑形式见图3。图3表明发动机内部运动件多以流体润滑为主，而高温高剪切黏度与流体润滑具有线性关系，降低高温高剪切黏度可以有效地提升燃油经济性。

图3 发动机运动件润滑形式

从图4的测试结果可以看出，油品的高温高剪切黏度越小，其燃油经济性越好，二者的相关系数R2为0.78。在另一组测试中，将新油进行90次循环的柴油喷嘴剪切后，再测试其燃油经济性和高温高剪切黏度的关系，结果如图5所示。从图5的结果可以看到，油品经过90次循环剪切后的高温高剪切黏度越小，其燃油经济性越好，且二者的相关系数R2达到0.92[12-13]。

图4 燃油经济性与高温高剪切黏度的关系

图5 90次循环剪切后的高温高剪切黏度与燃油经济性的关系

1.2 摩擦改进剂与燃油经济性

摩擦改进剂是一类用于提高发动机燃油经济性的润滑油添加剂，在开发燃油经济型乘用车润滑油时的作用明显，摩擦改进剂在重型柴油机中的应用也越来越受到重视[14]。利用沃尔沃D12D(13稳定工况)和康明斯WHTC燃油经济性发动机进行测试，考察了摩擦改进剂对燃油经济性的影响。试验油的黏度完全一样，排除了黏度对摩擦性能的相关影响。从图6的试验结果可以看出，全新的摩擦改进剂具有最好的燃油经济性，相比原先的摩擦改进剂在改善柴油机油燃油经济性方面的作用是明显的[15]。

图6 摩擦改进剂燃油经济性对比试验

综上，采用全新的摩擦改进剂、降低高温高剪切黏度可以有效地提升柴油发动机的燃油经济性。

2 低黏度润滑油对可靠性的影响

由于低黏度润滑油会引起动力黏度、机油密度和比热容的变化，如表1所示；引起供油压力变化，如表2所示。从而对发动机的可靠性造成影响，试验验证前需要对低黏度润滑油进行EHD油膜厚度计算是否满足使用要求(以某六缸国Ⅵ发动机为计算模型)。

表1 低黏度润滑油的变化

表2 低黏度润滑油的变化

2.1 主轴瓦EHD油膜厚度计算

通过EHD计算，主轴瓦的最小油膜厚度表征曲轴与轴瓦间的润滑情况见图7(a)，标准为>0.5 μm。5W-30机油结果满足要求，最小油膜厚度要比10W-30要小，其中MB5降幅最大，为8.60%，见图7 (b)。

图7 主轴瓦EHD油膜厚度计算

2.2 连杆瓦EHD油膜厚度计算

通过EHD计算表明，连杆瓦的最小油膜厚度表征曲轴连杆轴颈部位与轴瓦间的润滑情况，标准为>0.5 μm。连杆轴瓦在5W-30机油时的最小油膜厚度能够满足对应标准。5W-30机油时的最小油膜厚度比10W-30机油有所下降，下降幅度如图8所示。

图8 连杆瓦EHD油膜厚度计算

3 低黏度节能型润滑油燃油经济性验证试验

为验证研制的新一代低黏度节能型柴机油的实际使用效果，采用某六缸国Ⅵ发动机进行台架验证试验，工况采用WHTC循环和万有特性循环测试。发动机信息、试验油信息如表3、表4所示。为评估测量的精度，选用的参比油前后各测量一次，确保数据有效性，同时每次试验还要进行冲洗，减少前一次试验的机油残留，试验测试信息如表5所示。

表3 试验发动机信息

高温高剪切黏度，该值越低，润滑油的节能效果越好，但过低会造成过度磨损。因此选择2.9<高温高剪切黏度<3.2，能够有较好的节能效果，同时抗磨损性也可以兼顾。

表4 试验油信息

表5 试验测试信息

3.1 台架倒拖摩擦功测试

台架测量整机摩擦功主要是通过电力测功机倒拖发动机的方法进行的。需要注意的是，在试验时不允许增加润滑油辅助循环系统，以及控制机油温度在(90±1) ℃、每次添加的机油重量差在±0.5 kg内。确保机油面的变化和机油温度不会影响整机摩擦功。测试结果功率如图9，扭矩如图10所示。结果表明：使用5W-30摩擦功比15W-40测试油降低约5%～6%，使用10W-30机油摩擦功比15W-40测试油降低约4%～5%，5W-30摩擦功与10W-30摩擦功相差1%以内。

图9 摩擦功-功率对比

图10 摩擦功-扭矩对比

3.2 台架瞬态WHTC循环测试

在完成发动机摩擦功试验后， 为了进一步验证节能情况，通过台架进行WHTC瞬态循环试验，试验过程中控制发动机出水温度(90±1) ℃，数据结果如图11所示。通过试验可以看出，5W-30循环油耗比15W-40油耗低约1.8%，10W-30循环油耗比15W-40油耗低约1.3%，从而证明低黏度润滑油有助于改善油耗。

图11 发动机WHTC瞬态循环测试

3.3 台架稳态万有特性测试

完成瞬态WHTC循环测试可以看出低黏度润滑油有助于改善油耗。随后进行稳态的万有特性试验，进一步验证低黏度润滑油的节能效果，试验过程中控制发动机出水温度(90±1) ℃。通过试验可以看出，使用5W-30机油平均油耗比15W-40测试油降低约1%，如图12所示，使用10W-30机油平均油耗比15W-40测试油降低约0.6%，如图13所示。中高负荷油耗下降比例更大。

4 结束语

随着我国油耗法规的日益严格，对柴油机油的燃油经济性提出了更高的要求，燃油经济型柴油机油的研制开发也日益得到重视。通过CAE计算新开发的国六低黏度节能型柴油机油(5W-30，高温高剪切黏度3.0 mPa·s)的油膜厚度能够满足使用要求，并且经过某六缸国Ⅵ发动机的试验验证表明，可以有效提升燃油经济性：

(1)倒拖试验，使用5W-30摩擦功比15W-40测试油降低约5%～6%，使用10W-30机油摩擦功比15W-40测试油降低约4%～5%，5W-30摩擦功与10W-30摩擦功相差1%以内。

(2)WHTC工况，5W-30循环油耗比15W-40油耗低约2%，10W-30循环油耗比15W-40油耗低约1.4%。

(3)万有特性试验，使用5W-30机油循环油耗比15W-40测试油降低约1%，使用10W-30机油循环油耗比15W-40测试油降低约0.6%。

同时，本文CAE计算、试验验证结论只计算和验证了某六缸国Ⅵ发动机，不具有普遍性。而且尚未进行台架可靠性试验验证。建议后续，先进行这款机型的可靠性验证，再推广到其他机型进行计算和试验验证，以便达到充分验证的目的，最后再进行市场应用。