燃油稀释低黏度机油对柴油机缸套活塞环润滑性能的影响

徐 波，尹必峰※，贾和坤，魏明亮，石坤鹏

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013；2.中国一拖集团有限公司拖拉机动力系统国家重点实验室，洛阳471000）

0 引 言

高效节能、绿色环保已成为发动机设计开发的必然趋势，当前内燃机排放要求正向 US10、欧Ⅵ及以上超低排放法规过渡[1]，对其二氧化碳排放提出了更高要求。一方面通过使用低黏度润滑油可以降低内燃机摩擦功耗，从而提高经济性[2-3]；另一方面为改善内燃机燃烧过程，燃油雾化与油气混合过程的重要性逐渐凸显，各种先进的燃油喷射技术[4-5]，如高压喷射，早喷、晚喷等不断应用，这些技术已然成为内燃机排放机内控制的主流手段[6-7]。

然而，随着喷射压力的提高以及喷油正时过早、过迟喷射策略的运用，缸内可能会产生燃油湿壁现象，即燃油喷射至缸套壁面，并且该现象发生机率不断增加[8]。Luijten等[9]研究了喷射正时对油束湿壁程度的影响规律，结果表明在较宽喷雾锥角下，随着喷射正时进一步提前，燃油碰壁程度呈上升趋势，在喷油正时为上止点前60 °CA时，碰壁率高达 70%。Bozic等[10]以可视化轻型单缸柴油机为对象探究晚喷正时对湿壁量的影响规律，发现喷射正时为上止点后80 °CA时，燃油碰壁量已到不容忽视程度。因此，Yu等[11]认为燃油湿壁现象是均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI）燃烧模式应用中的一大阻碍。

因油束撞击气缸壁面时会稀释壁面上吸附的润滑油，当燃油湿壁率达到一定程度时会给润滑油的理化特性带来不利影响，特别是对黏度的影响[12]。而润滑油的黏度变化将导致缸套-活塞环摩擦副之间润滑油膜厚度和承载能力的变化，从而影响该摩擦副的润滑摩擦性能[13]。例如柴油机远后喷的过程中，膨胀行程的中后期活塞远离上止点，缸内温度与压力不利于燃油喷雾的快速蒸发，此时喷雾油束会发生着壁现象，导致柴油附着在缸壁上，凝聚后经过缸套活塞环组件进入到油底壳里的润滑油中，随着发动机运行时间的增加，累积的柴油会逐渐稀释润滑油，并导致润滑油黏度非正常下降[14]。Hamatake等[15]研究了单级和多级润滑油的黏度影响，发现黏度过低将导致在膨胀冲程初期边界摩擦增加。Oinuma等[16]利用浮动缸套装置检测了燃油推迟喷射的影响，发现靠近气缸上止点的润滑油膜立即被后喷射的燃油稀释，缸套活塞的润滑性能恶化超过了预期。

据估计，大约有40%～55%的发动机整机摩擦损失来自于缸套活塞环组[17-18]，而低黏度润滑油的应用使其对燃油湿壁现象更为敏感。因此，阐明燃油稀释低黏度润滑油对缸套-活塞环润滑摩擦性能的影响颇为重要，并有助于进一步确定低黏度润滑油的稀释界限。本研究通过改变柴油掺入低黏度润滑油的比例，测量稀释后润滑油黏度的变化，并基于农用柴油机，将黏度试验结果导入缸套-活塞环混合润滑理论模型，考察该摩擦副的润滑摩擦性能随润滑油稀释的变化情况，以期为低黏度润滑油在发动机中的实际应用提供指导。

1 燃油稀释润滑油试验

1.1 试验装置和方法

润滑油黏度试验测试装置如图1所示，由转子式黏度计、液体容器和温度传感器组成。试验用低黏度润滑油牌号为 0W-20（壳牌），100 ℃下动力黏度约为 9.8 mPa·s，该温度下 0#柴油的动力黏度约为 1.0 mPa·s。定义稀释率为掺入润滑油的柴油质量与混合液总质量之比，调整柴油加入量，稀释率分别为0，1%，3%、5%，10%，15%，20%和30%，以模拟实际发动机中燃油稀释低黏度润滑油的不同程度。测量黏度时，首先使柴油和润滑油在烧杯内进行充分混合，然后对混合液进行加热并搅拌维持温度均匀，测量过程中保持混合液温度为（100±0.5）℃，每组重复测量 3次取平均值。完成一组黏度测量后，改变稀释比，依次完成0%～30%稀释率的黏度测量。

1.2 黏度试验结果

不同稀释率对润滑油动力黏度的影响规律如图2所示。随着稀释率的不断增加，即混入润滑油中的柴油越多，混合液动力黏度呈现先急剧下降后缓慢下降的变化规律。和 100 ℃下纯润滑油的黏度相比，当稀释率从 0增加到10%，混合液动力黏度降幅达44.9%；而当稀释率从10%增加到30%，动力黏度降低 38.8%。这表明少量柴油掺入润滑油中即可对混合液的黏度造成巨大影响，但当柴油掺混比例到达一定程度后，这一影响作用变弱。这一现象的可能原因在于润滑油黏度和柴油黏度的差异。起初掺入少量柴油势必造成混合液黏度急剧下降，但随着柴油的不断掺入，混合液黏度与柴油黏度差值越来越小，致使混合液黏度随稀释率继续增加而下降缓慢。

2 柴油机缸套-活塞环润滑模型

2.1 控制方程

对于缸套-活塞环摩擦副，一个工作循环中主要存在流体润滑和混合润滑状态。混合润滑时需同时考虑摩擦副表面的油膜压力和微凸体压力。本文建立的缸套-活塞环混合润滑理论模型基于雷诺方程，包含油膜厚度方程、载荷平衡方程以及Greenwood等[19]提出的微凸体接触方程。通过添加压力和剪切流量因子[20]考虑滑动表面粗糙度对润滑性能的影响，得到不可压缩流体等温条件下的平均雷诺方程。对各方程进行无量纲化处理，采用有限差分方法离散偏微分方程并应用多重网格法求解雷诺方程，利用MATLAB软件编程求解。模型的详细介绍可参考文献[21-22]。

2.2 几何模型

图3为缸套-活塞环摩擦副的几何模型示意图。

摩擦副之间油膜厚度为

最小膜厚比定义如下：

式中σ为表面综合粗糙度，，其中σ1和σ2分别为缸套和活塞环的表面粗糙度，μm。当最小膜厚比H>4时，缸套-活塞环摩擦副处于流体动压润滑状态且无微凸体接触，活塞环的外载荷主要由油膜压力承担；当H≤4时，摩擦副处于混合润滑状态，油膜压力和微凸体压力共同承担活塞环外载荷[23-24]。

2.3 输入参数

试验样机为一款四缸农用柴油机，主要技术参数如表1所示。缸内气体压力数据采集系统主要包括压力传感器和光电编码器，由于压力传感器的安装位置穿过冷却水道，为保证传感器的正常使用，先在缸盖上安装铜套，本方案中铜套安装在样机的电热塞安装孔位置，然后将传感器安装在铜套内，根据光电编码器发出的曲轴转角信号触发缸内气体压力数据采集，数据采集设定为150个循环。燃油喷射采用后喷控制策略，喷射正时为压缩行程上止点后35 °CA。图4为压力传感器安装方案和样机在1 450 r/min、50%负荷率下缸内气体压力随曲轴转角的变化。由图可知，缸内气体压力最大值出现在压缩行程上止点后4 °CA。

表1 样机主要技术参数Table 1 Main technical specifications of prototype engine

3 结果与分析

3.1 燃油稀释率对油膜厚度影响

图5为不同燃油稀释率下缸套-活塞环之间最小膜厚比的变化情况。在一个工作循环中，缸套-活塞环之间的油膜厚度随曲轴转角不断变化，润滑状态也随之改变。以最小膜厚比特征值H=4（图5a中灰色虚线标出）判别是否处于混合润滑或流体动压润滑状态。随着稀释率从0增加到3%，5%，10%，20%和30%，任意曲轴转角位置的最小膜厚比依次减小，这意味着缸套-活塞环之间的润滑油膜厚度随着稀释增加而变薄。在 0°～180°范围的膨胀行程中，与稀释率为0的情况相比，30%稀释率下的最小膜厚比最大降幅达38.8%。这是由于燃油稀释润滑油导致黏度降低，缸套活塞环之间的流体动压效应减弱，润滑油膜厚度和承载能力下降。如图5b所示，随着稀释率的增加，计算所得的一个工作循环中缸套-活塞环摩擦副的流体动压润滑区域不断缩小，而混合润滑区域不断扩大。特别是30%稀释率下，缸套-活塞环摩擦副之间的油膜厚度过薄，全程都处于混合润滑状态，润滑不够充分。这表明燃油稀释润滑油将导致缸套活塞环润滑条件的恶化，且随着稀释率的增大而加剧。

3.2 油膜压力和微凸体压力影响

图6为模拟计算所得的不同稀释率下油膜压力随曲轴转角的变化情况。

受工作循环缸压对活塞环作用力的影响，流体压力在进气和排气行程中很小，且各稀释率下的差异不大。这是因为活塞环外载荷很小，缸套-活塞环之间以流体动压润滑为主，即使润滑介质的黏度较低，一定厚度的油膜也足以承担外载荷。而在压缩行程和膨胀行程中，活塞环外载荷很大，且油膜厚度较薄，缸套-活塞环之间以混合润滑为主，油膜压力已无法完全承担外载荷。如图6b所示，在压缩行程中油膜压力先逐渐增大，随后在行程上止点前急剧下降至谷值，在这之后的膨胀行程中油膜压力呈现与之相反的变化趋势。在−60～60 °CA范围内，随着稀释率从0增加到30%，油膜压力呈依次减小的趋势。

在压缩行程上止点附近，缸内气体压力很高且缸套-活塞环的润滑不佳，以混合润滑为主。因此，着重考察润滑最差的上止点前后60 °CA范围内的微凸体压力变化情况。模拟计算结果如图7a所示，在−60～60 °CA范围内，微凸体压力先迅速增加，在压缩行程上止点处达到峰值，后又迅速下降。这是由于随着曲轴转角逐渐向压缩行程上止点逼近，缸套-活塞环之间的油膜厚度减小，导致微凸体直接接触面积增大，此时活塞环的外载荷主要由微凸体支撑力承担而非油膜压力。当稀释率不断增加，各曲轴转角位置处的微凸体压力呈增大趋势：在压缩行程上止点处，稀释率3%，5%，10%，20%和30%的微凸体压力峰值相比无燃油稀释情况下分别增大约6.4%，9.1%，14.1%，16.1%和 19.3%；且在外载荷最大位置曲轴转角4 °CA处，当稀释率从0增加到30%，微凸体压力承担外载荷的比例从30.5%增大到了43.0%。这是因为随着稀释率增大，缸套-活塞环之间的油膜厚度减小且油膜承载能力降低，导致微凸体接触增多。

如图7b所示，进一步比较−60～60 °CA范围内的平均微凸体压力可以发现，随着稀释率逐步增加，平均微凸体压力呈现依次增大的趋势，30%稀释率下的平均微凸体压力相比于无稀释情况下的增加了近 1倍。这表明当越来越多的柴油混入润滑油时，往复行程上止点附近缸套-活塞环表面的直接接触的概率和接触压力都在增大，将给摩擦副的表面磨损带来负面影响。

3.3 摩擦力和摩擦功影响

图8为模拟计算所得的不同稀释率下缸套-活塞环无量纲摩擦力的变化。缸套-活塞环往复摩擦力由润滑油膜的流体摩擦力和微凸体接触摩擦力组成，在一个工作循环中随着载荷、速度和润滑状态的变化而不断变动。在流体动压润滑主导的各行程中部位置，缸套-活塞环的摩擦力主要为流体摩擦力。

一方面流体摩擦力随着相对运动的速度增大而增大，其峰值出现在个行程活塞环最大速度位置；另一方面流体摩擦力随着黏度的降低减小，当稀释率从 0增大到 30%，流体摩擦力依次降低。但由于流体摩擦力数值很小，其对总缸套-活塞环总摩擦力的影响较小。在混合润滑主导的各行程止点位置附近，缸套-活塞环的摩擦力主要为微凸体摩擦力，特别是在压缩行程上止点附近，各稀释率下的微凸体摩擦力呈现显著差异。在曲轴转角−60～60 °CA范围，随着稀释率从0增加到30%，微凸体摩擦力依次增大。且微凸体摩擦力的数值较大，对缸套-活塞环总摩擦力的影响显著。这是因为微凸体摩擦力与微凸体压力成正比，在压缩上止点附近微凸体压力较大，则微凸体摩擦力较大，且燃油稀释导致微凸体压力进一步增大，使得微凸体摩擦力大幅增加。因此，随着柴油掺入润滑油的量增多，黏度逐渐降低使得流体摩擦力减小，而微凸体压力的增大导致微凸体摩擦力大幅增加，从而对总摩擦力造成影响。特别是压缩行程上止点附近，燃油稀释润滑油导致缸套活塞环组摩擦力增大，直接影响整机机械性能和耐久性能。

图9a所示为模拟计算所得的缸套-活塞环摩擦功率随稀释率的变化情况。可以发现，一个工作循环中，不同稀释率下的缸套-活塞环摩擦功率大小关系随曲轴转角不断变化。在各行程的中部位置，稀释率较低时摩擦功率较大，而在行程的止点附近，稀释率较高时摩擦功率较大。这是由于摩擦功率大小受缸套-活塞环总摩擦力变化的影响，在各行程的中部位置油膜厚度和油膜压力很大，以流体摩擦力为主，稀释率较低时黏度较大，则流体粘滞力较大导致总摩擦力更大，因此摩擦功率较大；而在止点附近，油膜厚度和油膜压力很小，以微凸体摩擦力为主，稀释率较高油膜承载能力降低，微凸体接触增加导致总摩擦力进一步增大，因此摩擦功率也较大。

如图9b所示，进一步比较不同稀释率下的缸套-活塞环一个工作循环的平均摩擦功率。随着燃油稀释率的不断增大，缸套-活塞环摩擦副的循环摩擦损失呈现先减小后增大的趋势：与无燃油稀释情况相比，当稀释率增加到3%，5%和10%，平均摩擦功率依次降低，10%稀释率下的平均摩擦功率相比于无稀释下的降低7.4%；而当稀释率继续增加到20%和30%，平均摩擦功率又呈现快速增大的趋势。这表明适当降低润滑介质的黏度有助于减小缸套-活塞环的摩擦损失，从而提高整机机械效率，减小燃油消耗，同时印证了发动机应用低黏度润滑油在降低油耗方面的效果；但当润滑介质的黏度过低时，会导致微凸体接触增多、摩擦力增大以及摩擦损失增加，因此确定润滑油的稀释下限具有重要意义，在发动机中的实际应用中应控制低黏度润滑油稀释率低于20%。

4 验证试验

基于试验样机，搭建如图10a所示的发动机测试台架。通过在发动机低黏度润滑油中掺混不同比例的柴油，进行倒拖转矩测试，验证其对缸套活塞环组润滑摩擦性能的影响。因倒拖转矩包含了发动机缸套活塞环组的摩擦损失、泵气损失和驱动附属机构损失，在保持泵气损失和驱动附属机构损失一定的情况下，缸套-活塞环摩擦损失与倒拖转矩成正比，因此模拟计算中缸套-活塞环平均摩擦损失随稀释率的变化可以反映在倒拖转矩的变化上，即倒拖转矩随缸套-活塞环摩擦损失的增减而增减。倒拖试验过程中控制样机润滑介质温度为（100±2）℃，测试转速为1 450 r/min，和模拟计算采用的样机常用转速一致，每组测试重复2次取平均值，倒拖转矩试验结果如图10b所示。当稀释率从 0增大到30%，倒拖转矩呈现先减小后增大的趋势，并且当稀释率为 10%时倒拖转矩最小，与模拟计算的摩擦损失变化结果具有一致性。但需要注意，稀释率为 30%时的倒拖转矩略低于纯润滑油润滑时的情况，与模拟计算结果稍有差异。这是因为倒拖试验中的发动机缸压要低于其着火时的缸压，活塞环径向载荷较小，使得缸套活塞环微凸体摩擦受燃油稀释润滑油的影响程度降低，从而倒拖转矩也较低。

5 结 论

1）随着柴油对润滑油稀释率逐渐增大，混合液的黏度持续降低。和纯润滑油相比，当稀释率从0增加到10%，混合液动力黏度降幅达44.9%，说明少量柴油掺入到润滑油中即可对混合液黏度造成较大影响。

2）随着燃油稀释率从0增加到30%，缸套-活塞环之间的油膜厚度变薄，最小膜厚比降幅达38.8%，流体动压润滑区域不断缩小，而混合润滑区域则不断扩大，导致摩擦副表面微凸体接触增加，压力峰值增幅达19.3%，摩擦性能恶化，特别是在压缩行程上止点附近，缸套-活塞环的摩擦力随着稀释率增加而增大。

3）在活塞环往复行程的中部位置，稀释率较低时摩擦功率较大，而在行程止点附近，稀释率较低时摩擦功率较小；随着稀释率的不断增大，缸套-活塞环摩擦副的循环摩擦损失呈现先减小后增大的趋势，稀释率为 10%时摩擦损失最小，平均摩擦功率相比于无稀释情况下降低7.4%。并通过搭建发动机测试台架进行倒拖试验，验证了不同燃油稀释率下倒拖转矩变化与模拟计算结果具有一致性。因此，在发动机中应用低黏度润滑油，应控制其稀释率低于20%。