低黏度润滑油对涡轮增压发动机影响的试验研究

莫易敏 张 偶 刘青春 吕俊成 罗 旭

(1.武汉理工大学机电工程学院 湖北武汉 430070；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 540057)

随着国家第六阶段机动车污染物排放标准的出台，汽车油耗标准越发严格，对发动机的节能需求不断提升[1]。和传统发动机相比,涡轮增压发动机体积更小，与自然进气发动机相比功率可提高40%[2]，其高功率密度符合当前汽车技术发展的新趋势，在许多汽车厂家中得到普及[3]。

发动机润滑油由基础油和添加剂构成[4]，主要发展趋势为低黏化[5]和低摩擦[6]。由于涡轮增压发动机具有高热负荷和高机械负荷[7]，其使用的润滑油需要进行特别研究。黄胜军等[8]用涡轮增压发动机对SM/SN级别润滑油进行中高负荷和中低温条件的台架试验。刘小龙等[9]开发出针对涡轮增压发动机的润滑油抗磨性台架评定方法。KARRIP等[10]讨论了涡轮增压技术对发动机润滑油消耗量的影响。赵磊和雷凌[11]用5W30润滑油在涡轮增压车辆上开展行车试验研究。现有研究主要针对涡轮增压发动机油的耐磨性能，关于低黏度润滑油对涡轮增压发动机燃油经济性的影响研究较少。

本文作者选用某涡轮增压发动机进行发动机台架试验，以原厂润滑油5W30为参比油，对比分析3种0W20测试油的机械损失和万有特性曲线；使用黏度最低的测试油0W20-1进行发动机耐久台架试验，探究低黏度润滑油和摩擦改进剂对涡轮增压发动机的影响。

1 试验部分

1.1 试验发动机和润滑油

试验所用的发动机为某公司生产的涡轮增压直喷发动机，其基本参数如表1所示。

表1 发动机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of engine

将原厂润滑油5W30设为参比油，低黏度润滑油0W20作为测试油，并使用摩擦改进剂来减少发动机磨损。参比油和测试油的理化参数如表2所示。3种测试油的黏度均小于参比油，其中0W20-1机油黏度最低。3种测试油黏度指数均高于参比油，说明和参比油相比，测试油黏度对温度更加不敏感。0W20-1和0W20-2测试油中均添加了含钼摩擦改进剂，但添加量不同，测试油0W20-3中添加的摩擦改进剂为脂肪酸酯。

表2 发动机润滑油组成与参数Table 2 Composition and parameters of engine lubricating oils

1.2 试验台架与方法

发动机台架试验在某公司试验验证中心进行，测试参考GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》[12]，试验工作台如图1所示，试验台架选用基于AVL自动控制台架。

在试验开始之前，先对试验设备进行标定，确保设备的可靠性。对发动机进排气系统的温度和压力以及润滑油、燃油、冷却液温度进行范围限制，并且利用发动机冷却水和润滑油温度控制系统将试验过程中的各项温度控制在指定范围内。为了更好地排除外部因素对试验的干扰，发动机性能台架试验应该满足的基本要求如表3所示。此外，发动机应该保留工作必需的附件，拆除对其产生外加负载的附件。试验前应预先对发动机进行8 h左右的磨合，使得发动机性能满足要求。

图1 台架试验工作台Fig.1 Bench test worktable

表3 试验基本参数Table 3 Basic test parameters

发动机机械损失试验中，发动机需以40%～80%的额定转速和10%～30%的负荷预热升温，来保证冷却液温度和机油温度应符合试验基本要求。此外为了避免发动机自身动力影响试验，发动机在节气门全开时需要额定转速工作，随后把油路切断，将管路中剩余燃料烧尽。在万有特性试验中，发动机转速要控制在最低转速与额定转速之间，测量数据时需要在发动机转速、扭矩和排气温度稳定1 min后进行，并且发动机的运行转速与选定转速的误差应控制在1%以内或±10 r/min。发动机耐久性试验的耐久台架安装了安全控制系统，确保发动机能在无人监控的情况下连续工作。试验结束后，拆解发动机，检查分析发动机各个摩擦副的磨损情况。

2 试验结果及分析

2.1 发动机机械损失试验

发动机机械损失试验测量摩擦力矩的方法是倒拖法[13]，有节气门全开和节气门全闭2种工况[14]，发动机转速为1 000～5 500 r/min。在发动机熄火后 3 min内，从额定转速开始逐步降低到最低转速，先测量节气门全开工况，节气门全闭工况随后进行。图2所示为参比油和3种测试油在2种不同工况下发动机扭矩曲线。

图2 节气门全开和全闭工况下发动机扭矩随转速的变化Fig.2 Engine torque varied with speed under theworking conditions of full open throttle(a) and full close throttle(b)

从图2中可以看出，在节气门全开和全关2种工况下，随着发动机转速的增加，参比油和测试油的扭矩都有所增加。当节气门全开时，在低速阶段测试油的扭矩大于参比油5W30，这是由于低黏度的润滑油在该阶段难以形成油膜，润滑效果差，而在转速达到1 500 r/min左右时润滑效果可以得到改善。

为了进一步分析测试油的优化效果，将试验数据进行整理得出测试油和参比油摩擦力矩差值曲线，如图3所示，其中扭矩差值为相同工况下参比油摩擦力矩减去测试油摩擦力矩。当节气门全开时，0W20-2润滑油扭矩降低最多，0W20-3润滑油表现最差。0W20-2润滑油平均可降低扭矩2.3 N·m，转速在5 000 r/min时扭矩下降最多，可降低34.4%的扭矩；0W20-3润滑油平均可降低扭矩仅为0.07 N·m，最多降低扭矩3.6%。当节气门全关时，0W20-2润滑油同样表现最好，摩擦力矩始终小于参比油5W30，平均可降低扭矩1.6 N·m，最多可降低扭矩为19.3%；0W20-1润滑油扭矩平均可降低0.8 N·m，转速在5 300 r/min时扭矩下降最多，可达到1.8 N·m，下降6.0%；而0W20-3润滑油表现不佳，平均降低扭矩仅为0.4 N·m。

图3 节气门全开和全闭工况下发动机扭矩差值随转速的变化Fig.3 Engine torque difference varied with speedunder the working conditions of full openthrottle(a) and full close throttle(b)

总体来看，所有测试油在节气门全开和节气门全关工况下都能够降低涡轮增压发动机的摩擦力矩，0W20-2润滑油的效果更佳。0W20-2润滑油中含钼摩擦改进剂质量分数为0.7%，高于0W20-1润滑油中0.5%的含钼摩擦改进剂质量分数，而添加了质量分数0.8%脂肪酸酯摩擦改进剂的0W20-3润滑油效果最差。说明含钼摩擦改进剂更能够适应涡轮增压发动机的工况，可减少摩擦功的消耗。试验结果表明，发动机油减少机械损失的效果和摩擦改进剂的种类和添加量的多少都有关。

2.2 发动机万有特性试验

发动机万有特性试验是在不同转速和负荷下，评定发动机在车用状态下的经济性试验[15]，可以找出发动机转速、输出扭矩和油耗率3个参数在不同工况下的关系。绘制万有特性曲线图时，在相同工况条件下，将试验油和参比油的燃油消耗率相减，得到燃油消耗率的差值。当计算结果大于0时说明试验油燃油经济性较差；当结果小于0时说明该区域试验油比参比油燃油经济性好。整理试验数据得到3种测试油的万有特性曲线如图4所示，其中曲线为测试油与参比油燃油消耗率差值曲线。

图4 3种测试油的万有特性曲线Fig.4 Universal characteristic curves of three kinds of testoils:(a)0W20-1 engine oil;(b)0W20-2engine oil;(c)0W20-3 engine oil

如图4(a)所示，差值小于0的区域占比约为68.7%，说明在大部分工况条件下，0W20-1润滑油的燃油经济性更好，起到了一定的优化效果,然而在低负荷区域表现不如0W20-2润滑油。如图4(b)所示，0W20-2润滑油在低负荷区域差值大于0的较少而在中高负荷工况区域差值大于0的区域占比较多，说明0W20-2润滑油在低负荷区域表现良好而在高负荷区域表现不佳。如图4(c)所示，在中高负荷区域0W20-3润滑油表现良好，优于0W20-2润滑油。在低负荷工况下，0W20-1润滑油表现最差，这是因为0W20-1润滑油黏度最低，在低速阶段润滑状态差，难以形成润滑油膜，摩擦表面的大量微凸体互相接触，微凸体摩擦力较大。当转速逐渐升高至1 500～1 800 r/min，发动机的润滑状态得到改善，从混合润滑转变为理想的流体润滑，摩擦损失减少，0W20-1润滑油表现好转。

从总体上看，3种测试油燃油经济性都优于参比油5W30，其中0W20-1润滑油在中高负荷工况下效果更好。

2.3 发动机耐久性试验

涡轮增压发动机使用低黏度润滑油可以提升燃油经济性，耐久性台架试验能够快速验证发动机的磨损情况[16]。为了验证发动机油的耐久性并降低试验成本，选择一种黏度最低的0W20-1润滑油进行发动机耐久性台架试验。试验中进气温度保持在16～38 ℃，进气压力为95～105 kPa，当净功率小于120 kW或净扭矩小于263 kW时安全控制系统报警。试验后主要摩擦副的磨损情况如图5所示。

从图5(a)中可以看出，主轴瓦的上瓦片和下瓦片表面有光泽，无磨损或划伤现象；由于采用了表面涂层技术，连杆上瓦片无擦伤现象，表面涂层材料没有发生迁移，连杆下瓦片表面质量良好，无失效情况。从图5(b)中可以看出，凸轮轴表面纹理清晰，无明显擦伤痕迹和划痕，表面质量良好。从图5(c)中可以看出，活塞顶部表面有少量细小颗粒状积碳，属于正常现象，环与环槽转动灵活无磨损痕迹。从图5(d)中可以看出，发动机气缸内壁表面颜色改变，但未发现有划伤，总体状况无危害性。

综合来看，在耐久性试验之后，拆机结果说明发动机润滑状态良好，关键摩擦副都没有出现明显磨损现象，测试油中的含钼摩擦进剂能发挥作用，改善低黏度润滑油的摩擦效果，满足发动机耐久性需求。

图5 0W20-1润滑油润滑下发动机摩擦副磨损情况Fig.5 Wear of engine friction pair lubricated by0W20-1 lubricating oil：(a)shell;(b)camshaft;(c)piston; (d)cylinder

3 结论

通过发动机性能台架试验对原厂油和测试油进行燃油经济性比较，并对黏度最低的0W20-1润滑油进行发动机耐久性试验。主要结论如下：

(1)低黏度的润滑油能降低发动机的机械摩擦损失，其中0W20-2润滑油表现较优，当节气门全开时，0W20-2润滑油可降低扭矩约2.3 N·m，最多可降低34.4%的扭矩，提升了车辆的燃油经济性。

(2)含钼的摩擦改进剂更适用于涡轮增压发动机工况，在研究的添加量范围内(质量分数0.5%～0.7%)，添加量增加机械摩擦损失减少。

(3)对黏度最低的0W20-1润滑油进行耐久性台架试验，结果表明，低黏度0W20-1润滑油润滑下，发动机关键摩擦副磨损量能够满足耐久性能要求。