低黏度机油对发动机摩擦损失的影响研究

2022-04-08孔祥馗

中国新技术新产品 2022年2期

周正孔祥馗张鸿

（1.广西交投物流集团有限公司，广西南宁 530000；2.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

0 引言

目前，国六排放标准和乘用车第四阶段油耗标准已经开始实施，众多主机厂（Original Equipment Manufacturer，OEM）开展了大量节能降耗的研究。发动机作为整车关键部件，其燃油经济性对整车油耗的影响尤为重要。许多OEM采用了高效燃烧、高压喷油等技术来降低油耗，而研发设计人员还希望借助使用节能机油来进一步提升燃油经济性。

发动机在运行过程中借助机油来实现减摩润滑的目的，减少磨损，提高效率。在保证发动机各摩擦副正常润滑的基础上，适当降低机油黏度，尤其是高温高剪切黏度，可以减少流体润滑状态下部件的摩擦损失，如发动机轴承和缸套-活塞组，从而提高发动机燃油经济性。随着发动机技术的改进和油品质量的提高以及新型添加剂的开发，低黏度的机油既能够满足发动机耐久要求，还能减少机械损失，降低燃油消耗。低黏度机油会添加专用的减摩抗磨剂如MoDTC和钼胺化合物等，通过形成化学反应膜或物理吸附膜来保证关键摩擦副的润滑，减少发动机摩擦损失。通常，不同的摩擦副处于不同的润滑状态，为了满足发动机的使用要求，同时确保发动机拥有可靠的耐久性能，需要综合考虑润滑油的黏度特性与摩擦特性。综合性能好的润滑油有助于摩擦副表面形成润滑油膜，改善润滑状态，提升汽油机的燃油经济性。

因此，该文选配4种0W20低黏度机油，通过四球试验和SRV摩擦试验，筛选出摩擦学性能较好的低黏度机油，并通过发动机倒拖试验，在油门全开与全关两种状态下，比较低黏度机油与参比油发动机的摩擦力矩与摩擦功率损失，研究低黏度机油对发动机燃油经济性提升程度。

1 试验用油

该文使用SM5W-30的机油作为参比油，配制4种0W20低黏度机油，各试验油样的理化性质见表1。由理化参数可知，与参比油相比，低黏度机油具有更低的黏度和更高的黏度指数，在低温条件下，机油的黏度低，可以更快地泵送到发动机摩擦副，起到良好的润滑作用，在高温条件下，由于黏度指数较高，可以保证油膜厚度，起到良好的润滑保护作用。

表1 试验油样的理化性质

2 摩擦试验

2.1 四球摩擦试验

该文采用四球摩擦试验机评定各机油的承载能力和抗极压性能。试验将4个测试钢球按等边四面体排布，下三球用油盘固定在一起静止不动，上球由主轴带动，以1400 r/min~1500 r/min的速度旋转，通过杠杆或液压系统由下而上对试验球组施压。试验过程中钢球之间的接触点均浸没于润滑油中4个钢球之间，在点接触的压力下，测量各试验机油的最大无卡咬负荷、烧结负荷、综合磨损值。试验按照标准GB/T3142-82《润滑剂承载力测定法（四球法）》进行。试验设备采用FalexF1519四球摩擦磨损试验机，试验原理如图1所示。试验采用的钢球材料为GCR15，直径为12.7mm，其洛氏硬度为64~67。

图1 四球摩擦模拟试验示意图

2.2 四球摩擦磨损试验结果

试验所得各机油的最大无卡咬负荷和烧结负荷，如图2所示。四款试验油的值均高于参比油，其中，试验油2#和3#略高于参比油，试验油4#和1#的值相对更高。最大无卡咬负荷为试验条件下不发生卡咬的最高负荷，代表润滑油膜的强度，这表明低黏度油样使用新型添加剂可以在降低黏度的同时提供更高的油膜强度。比较各机油的烧结负荷值，只有试验油2#与参比油持平，其余三款试验油的值均低于参比油。烧结负荷为试验条件下使钢球发生烧结的最低负荷，代表了润滑剂的极限工作能力，可以看出，低黏度机油的极限工作能力较差，容易在边界润滑状态下出现烧结，导致失效。

图2 不同机油的最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD

各机油的综合磨损值，如图3所示。从图中可以看出，试验油4#的值最高，试验油2#的值略高于参比油，其余两款试验油的值低于参比油。值代表润滑剂的抗极压能力，数值越大，润滑油抗极压能力越强。可以看出，试验油4#和2#的抗极压能力较强。综合考虑承载能力和抗极压能力，四款低黏度机油中，试验油2#的性能更好。

图3 不同机油的综合磨损值ZMZ

2.3 SRV摩擦试验

为了比较各试验油的磨损性能，该文采用SRV摩擦试验测试各试验油样在一定温度和额定负荷的条件下的摩擦因数。试验按照标准SH/T0847-2010《极压润滑油摩擦磨损性能的测定（SRV试验机法）》进行。试验采用OptimalSRV试验机进行，试验设备及示意图如图4所示。将试验圆柱与试验盘正确安装在相应夹具上，在圆柱与盘发生会点接触的区域滴入5mL润滑油，通过加载杆对球与盘摩擦副施加恒定载荷，往复驱动杆带动试验球以规定的运动频率和行程在试验盘上做往复运动。试验开始前，预热试验机和记录仪15min，控制试验温度为50℃，设定试验负荷为300N，接触形式为线接触，试验频率为50Hz，试验行程为1.00mm。试验进行时，需要磨合40min，然后测试稳定状态下各油样摩擦系数。试验采集从磨合到稳定时期整个过程的摩擦系数。试验结束后，拆下试验圆柱与试验盘，并使用超声波清洗器清洗干净。

图4 SRV摩擦副示意图

2.4 SRV摩擦试验结果及分析

试验所得各机油在整个测试过程（0s~7200s）内的SRV摩擦系数，如图5所示。

由图5可知，随着磨合的进行，各试验油样的摩擦系数逐渐下降，并趋于稳定。分析可得，在磨合阶段，试验机摩擦副的摩擦由静摩擦转变为动摩擦，静摩擦力会导致测得的摩擦因数较大。随着试验的进行，摩擦副完全润滑，降低了摩擦。计算稳定阶段摩擦系数的平均值（如图6所示），以比较各油样的减摩性能。由图可知，参比油的平均摩擦系数最大，试验油1#和4#的平均摩擦系数略低于参比油，试验油2#和试验油3#的平均摩擦系数较低。所以，从润滑性能来看，试验油2#和3#具有更好的减摩效果。

图5 不同机油摩擦系数随时间变化曲线图

图6 SRV平均摩擦系数

3 发动机倒拖试验

根据前述的摩擦试验，试验油2#的综合摩擦学性能较好，选择试验油2#和参比油进行发动机倒拖试验。通过测定试验油对发动机机械摩擦力矩与摩擦功率的影响，作为机油的发动机燃油经济性提升。

试验选取某国产SUV用1.5L涡轮增压汽油发动机，其性能参数如表2所示。试验参照GB/T18297—2001《汽车发动机性能试验》进行。试验须选用处于稳定状态的发动机。在试验开始前，磨合发动机的时间要大于100h，以避免发动机摩擦状态不稳定所带来的数据波动。试验台架采用的测量系统是AVL自动控制试验台，相关设备包括AVL交流电力测功机、测功机控制系统、台架数据采集系统、机油温度控制系统、冷却水温控制系统、温度测量系统等，各自的型号如表3所示。试验时，发动机不启动，由外部电机拖动发动机在指定转速运转，温度控制系统对冷却液温度和机油温度进行实时监测与控制。设定发动机转速采集点（1000r/min~5600r/min，每隔400r/min测试一次），在发动机转速处于测试转速时，须稳定2min，进行测试。测试时，油温控制在（95±2）℃。试验测定发动机在油门全开和油门全闭2种不同状态下的摩擦力矩和摩擦功率，测试结果如图7所示。需要注意的是，在加注新的机油时，必须进行冲洗以排除残留参比油造成的影响。使用新的试验油样进行冲洗（3次），每次冲洗时发动机须在常规参数下进行10min~15min“热机”，再排出试验油，冲洗完毕后，更换新的机油滤清器，然后加注机油到油尺中线处。

表2 发动机性能参数

图7 发动机摩擦力矩与功率曲线

表3 发动机倒拖试验台架设备型号

由图7可知，摩擦力矩和摩擦功率损失均随着转速的增大而增大。油门全开状态下的摩擦损失随转速升高而快速上升，油门全闭状态下的变化相对平缓。计算低黏度机油与参比油的摩擦力矩与摩擦功率的差值，来比较低黏度机油的燃油经济性（如图8所示）。

由图8可知，在油门全开的状态下，使用低黏度机油的发动机摩擦力矩与摩擦功率损失均低于使用参比油的发动机。在低转速时，使用低黏度机油的发动机的摩擦力矩减少0.2N·m~0.4N·m，摩擦功率减少约为0.1kW；在高转速时，使用低黏度机油的发动机的摩擦力矩减少0.4N·m~1.4N·m，摩擦功率损失降低0.2kW~0.7kW，其中在4000r/min~5000r/min效果尤为明显，低黏度机油可使摩擦损失功率降低4.8%，摩擦力矩损失降低2.8%。在油门全闭的状态下，参比油与低黏度机油的摩擦力矩与摩擦功率较为接近。从摩擦力矩来看，当发动机转速低于1500r/min时，低黏度机油的摩擦力矩反而高于参比油，转速越低，二者的差值越大，最大差值为0.35N·m。分析可能是由于发动机启动时润滑不足，未形成良好的油膜，导致摩擦力矩和摩擦功率损失较大。当发动机转速高于1500r/min时，参比油摩擦力矩大于低黏度机油，平均相差0.2N·m~0.5N·m，而且随着转速的升高，低黏度机油的减摩效果越明显。从摩擦功率来看，当发动机转速低于2000r/min以下，低黏度机油的摩擦功率损失高于参比油，转速越低，二者差值越大，最大相差0.3kW；当发动机转速大于2000r/min，参比油的摩擦功率高于低黏度机油，随发动机转速的升高，摩擦功率差值逐渐增大，最大相差0.255kW。