國六重負荷柴油機的低粘度節能型機油應用及可靠性影響

 

相比于柴油機，汽油機的壓縮比低（一般的，汽油機壓縮比8~10 : 1；柴油機壓縮比 16~20 : 1）、爆壓、負荷也低很多，因而汽油機更有利于低粘度機油的應用。目前，市場上汽油機油為 0W-30、0W-40，粘度普遍較低，有些原始設備制造商（original equipment manufacturer， OEM）正在開發 0W-20、0W-16 等超低粘度汽油機油。柴油機油還是以15W-40、10W-40 這些較高粘度為主，特別是渣土車等工程車還會用到 20W-50 的高粘度機油。但是，隨著 GB/T 30510-2018 油耗法規的實施，以及下一階段更嚴苛油耗限值的壓力，柴油發動機降低油耗、提升燃油經濟性的需求越來越迫切。因此，開發一款適用于重負荷柴油機的低粘度節能型機油勢在必行。

 

發動機運動副零部件間的潤滑狀態分為流體潤滑、混合潤滑及邊界潤滑。從摩擦學理論中的 Stribeck曲線可以看出摩擦系數隨零部件間的潤滑狀態不同而變化。在流體潤滑時，摩擦系數隨著潤滑油粘度的降低而降低，因此，應用低粘度潤滑油能夠降低摩擦功，提升發動機的燃油經濟性。邊界潤滑和混合潤滑時，摩擦改進劑起到主要作用，可以有效降低摩擦功。但當粘度過于降低后，運動副零部件潤滑狀態變為邊界潤滑，摩擦系數也隨之變大，從而造成運動副零部件磨損嚴重，最終減少發動機的可靠性壽命。

 

摩擦改進劑的主要作用是降低運動副間的摩擦系數來提高發動機燃油經濟性，通過物理或化學的形式吸附在運動副表面，形成一層膜。當運動副處在邊界潤滑和混合潤滑時，摩擦改進劑可以充分降低運動副零件之間的摩擦系數。減小摩擦的機理是添加劑的分子垂直吸附在運動副表面上，并且呈現出直線排列的次級結構膜來達到減摩效果；另外，添加劑在運動副表面上分解生成化合物，并聚集在運動副表面的凹處，從而使運動副表面達到光滑的狀態，有效地降低運動副間的摩擦系數。全新開發的復合水楊酸楊基的摩擦改進劑能夠更充分分解并密集而牢固地吸附在運動副表面，形成穩固的結構膜從而達到更好的減摩效果。本研究采用某國六排放六缸發動機，其參數為排量 7.8L、額定轉速為 2 200 r/min、額定功率為 252 kW；對其穩態 13 工況及WHTC 瞬態工況進行測試，重點驗摩擦改進劑對發動機燃油經濟性的影響。試驗中采用同一配方、同一粘度的潤滑油（CJ-4/15W40）以排除潤滑油粘度對試驗結果的影響；試驗油為 3 種：1）不含摩擦改進劑油樣；2）含原有摩擦改進劑油樣；3）含全新摩擦改進劑油樣。試驗結果如圖1 所示，可見，全新開發的摩擦改進劑對提高發動機燃油經濟性的效果最好，燃油經濟在穩態 13 工況和 WHTC 工況中測試分別提高 0.6% 和 0.35%。

 

與添加原有摩擦改進劑相比，在發動機燃油經濟性測試中，全新摩擦改進劑能使燃油經濟性提高約0.2%。

發動機主要運動副零件所處的潤滑狀態有 3 種：1）主軸瓦、連桿瓦處的運動副基本屬于流體潤滑狀態；2）缸套 - 活塞組件間的運動副屬于流體潤滑與混合潤滑共存的狀態；3） 凸輪以及氣門閥系處的運動副基本屬于邊界潤滑狀態。

 

發動機曲軸連桿機構的曲軸、連桿與軸瓦之間主要為流體潤滑狀態，可以通過式（1）和式（2）計算出曲軸與軸瓦之間以及連桿與軸瓦之間的摩擦損失功

其中：W 為摩擦損失功；L為橫向寬度；H 為縱向寬度；D為軸承直徑；ω為軸承轉速；η為潤滑油粘度；c為徑向間隙；F 為承載負荷。由式（1）和式（2）可以看出降低潤滑油粘度可以降低曲軸、連桿軸承與軸瓦之間摩擦損失功。

 

發動機缸套 - 活塞組件間的運動副潤滑狀態較為復雜。發動機活塞組件在缸套內運動時，處于流體潤滑狀態；活塞運動到上止點附近時，活塞與缸套的潤滑狀態從流體潤滑逐步變為混合潤滑，最后完全變為邊界潤滑。油膜厚度、摩擦平均有效壓力、摩擦損失功可用式（3）—式（5）表示：

其中：d min 為最小油膜厚度；v 為在特定轉角下的活塞運動速度；η 為潤滑油黏度；p MEP 為摩擦平均有效壓力。F為活塞環背面負荷；W 為摩擦損失功。

 

從式（4）可以看出降低潤滑油粘度可以降低活塞與缸套之間的摩擦損失功。但是當機油粘度過度降低，會使得上止點附近的油膜厚度過小，導致更多的混合潤滑、邊界潤滑，甚至干摩擦的產生，導致磨損加劇。

 

綜上，過度降低潤滑油的粘度會降低油膜厚度，從而對發動機的可靠性造成影響。因此，臺架試驗開始前需要利用計算機輔助工程進行低粘度潤滑油的彈性流體動力學油膜厚度計算，主要使用潤滑油運動粘度、密度、比熱容等參數進行油膜厚度的模擬計算，驗證是否滿足設計使用要求。發動機零件設計、模擬計算時對于相同配方和質量等級的潤滑油，通常是選取較低的粘度級別進行計算與分析，即低粘度級別能滿足要求則高粘度級別同樣能滿足。因此，選取較低粘度級別的CJ-4/10W30 作為參比油進行模擬計算，而臺架試驗驗證時選取目前市場上常用的 CJ-4/15W40粘度級別作為參比油，以便更好地與現實使用情景進行燃油經濟性對比。本研究中以某六缸國六發動機為計算模型，分別計算 FA-4/5W30 和 CJ-4/10W30 潤滑油的油膜厚度。各潤滑油主要參數如表1所示。

主軸瓦的最小油膜厚度（d min ）可用來表征曲軸與軸瓦間的潤滑情況，發動機設計的油膜厚度標準為＞ 0.5 µm。EHD 計 算 結 果 顯 示：FA-4/5W30 和 CJ-4/10W30（簡稱為 FA/5W、CJ/10W，下同）機油的油膜厚度都能滿足發動機的設計標準要求（見圖 2a），而前者比后者有所降低，最大降低幅度（Δd min ）為 9.60%，具體見圖 2b；因為每缸軸瓦受力規律不一樣，曲軸、軸瓦變形也不一樣，所以計算結果每缸主軸瓦 EHD 油膜厚度的變化幅度會有差異。

 

連桿瓦的最小油膜厚度可以反映出曲軸連桿軸頸部位與軸瓦間的潤滑情況。EHD 計算得到 FA/5W 和CJ/10W 機油的連桿瓦 EHD 最小油膜厚度（d min ），可見圖 3a ；FA/5W 和 CJ/10W 機油的油膜厚度都能滿足發動機的設計標準要求，只是前者比后者有所降低，最大降低幅度（Δd min ）為12.2%，具體見圖 3b；每缸 d min 變化幅度的差異，是由于每缸軸瓦受力規律不一樣，曲軸、軸瓦變形也不一樣造成的。

為驗證新研制的新一代低粘度節能型機油的實際使用效果，采用本公司研發的某六缸國六重負荷柴油機（CAE 計算模型機型）進行臺架驗證試驗，工況采用萬有特性循環測試。同時研制的低粘度節能型機油 FA-4/5W30 滿足 FA-4 規格，粘度等級為 5W30。為評估測量的精度，選用的參比油前后各測量1次，確保數據的有效性，同時每次試驗還要進行沖洗，減少前一次試驗的機油殘留。雖然高溫高剪切粘度值越低，潤滑油的節能效果越好，但是過低會造成過度磨損。因此，采用滿足 FA-4 級別的油品（2.9 mPa · s < 高溫高剪切粘度 < 3.2 mPa · s）能夠有較好的節能效果，同時也可以兼顧抗磨損性。進行穩態的萬有特性試驗和瞬態 WHTC 循環測試驗證低粘度潤滑油的節能效果，試驗過程中將發動機出水溫度控制在 90（±1）℃，試驗數據如圖 4 所示。從萬有特性測試試驗數據可以看出，在經濟區域使用FA-4/5W30 機油的比油耗為198 g/（kWh），比使用 CJ-4/15W40 機油的比油耗 200 g/ （kWh）降低了2 g/（kWh）；從WHTC 測試數據可以看出，FA-4/5W30 機油的循環油耗為 224.2 g/（kWh）比 CJ-4/15W40 機油的循環油耗有所降低，并且CJ-4/15W40 機油前后 2 次測試的誤差 0.125%，誤差在允許范圍內。總體來看使用 FA-4/5W30 機油比使用 CJ-4/15W40 機油的平均油耗能降低約 1%。

潤滑油粘度降低會影響發動機的機油壓力、機油密度和比熱容，降低油膜厚度，對發動機的可靠性造成影響。因此，低粘度潤滑油要通過搭載發動機可靠性臺架試驗進行驗證，通過測量可靠性前后機油壓力、活塞漏氣量以及關鍵運動副零件的磨損程度，采用舊油檢測指標來評定 FA-4/5W30 低粘度機油性能是否通過臺架可靠性試驗考核，相關的可靠性試驗邊界參數見表 2 所示。

在進行可靠性試驗前、試驗后分別測量了發動機的機油壓力及活塞漏氣量，以評價使用 FA-4/5W30 低粘度機油對發動機實際可靠性指標的影響，測試結果如圖 5 所示。

測試結果表明：可靠性試驗后的機油壓力略有降低約 20 kPa，活塞漏氣量略有增加，說明發動機內部產生了一定程度的磨損，但是機油壓力、活塞漏氣量變化值均還在指標范圍內。

 

為了評價使用低粘度機油是否會導致機油消耗量惡化，在可靠性試驗前、試驗后，及試驗過程都對機油消耗量進行了測試，試驗數據如圖 6 所示。測試結果表明：可靠性試驗前（0 h）、試驗中 （250h）、試驗后（500 h）的機油消耗量試驗測試結果呈現增長的趨勢，但在指標（機燃比≤ 0.08%）范圍內。

為了評價使用低粘度機油是否能夠滿足運動副零部件的使用要求，分別測量了可靠性試驗前、試驗后關鍵運動副零部件的重量（G）。關鍵運動副零部件在試驗前、試驗后重量失重（ΔG）情況如圖7所示，其中主軸瓦與連桿瓦的重量失重≤ 1.5 g，活塞環的重量失重≤ 0.8 g。測試結果表明：可靠性試驗后主軸瓦、連桿瓦、活塞環等零件都存在不同程度的失重情況，說明發動機運動副零件發生了磨損，但是失重情況都還在指標范圍內，并沒有發生異常磨損。

 

 

整個可靠性試驗過程都對機油油樣進行了抽樣（每隔 50 h 取樣一次）、檢測，以隨時監控機油性能變化、及發動機磨損情況。

 

在 100 ℃時，運動粘度變化率 （Δη）數據如圖 8 所示，運動粘度變化平穩，隨著試驗進行過程中煙炱含量的增長，粘度也出現了增長，但都維持在指標范圍內，運動粘度變化率指標為：-20% ≤ Δη ≤ 20%。

氧化值、硝化值體現了潤滑油抗氧化、抗硝化的性能。因此，檢測氧化值、硝化值可以直接反應機油的老化程度可以評價機油的可靠性程度。如圖 9 是試驗油的氧化值、硝化值變化曲線，如圖所示，試驗中試驗油的氧化值、硝化隨著試驗的進行都出現了增長，但變化較為平穩，都維持在指標范圍內，氧化值、硝化值指標為≤ 25 A/cm。

酸值、堿值變化可以顯示潤滑油抗氧化性能的變化，是基礎油老化氧化及添加劑劣化程度的重要指標。使用過程中，潤滑油受到高溫氧化作用，加上燃燒過程中酸性物質混入，會使油品的酸值增大，從而造成零部件腐蝕，同時還會帶來加劇零部件的磨損、加快油品老化等問題。通過酸、堿值數據可以監測潤滑油的老化、氧化程度。試驗過程中的酸值、堿值變化情況見圖10。從圖10 可見，試驗過程中酸值、堿值沒有出現異常的變化，說明油品具有優良的堿值保持性能及抗老化氧化性能。試驗過程中酸值、堿值沒有出現異常的變化，說明油品具有優良的堿值保持性能及抗老化氧化性能。

發動機在運行過程中，各運動副零件始終都會產生一定程度的磨損，同時，潤滑油氧化變質及煙炱等污染物的混入也會導致發動機各零部件的磨損。通過檢測各金屬元素含量的變化可以監控發動機的磨損程度。試驗中試驗油的金屬元素（Fe、Cu、Al）變化情況見圖11。由圖12可見，試驗油在使用過程中金屬元素含量總體變化平穩。鋁元素在 250~500 h 時含量較高，主要是因為在 250 h 時更換了凸輪軸考核件，由于臺架裝配質量問題導致凸輪軸襯套前期有一些磨損，但總體保持平穩。銅元素增長較大，這是由于發動機部分零件使用了銅材質的焊料，運行過程中銅元素可能會被析出從而導致銅元素增長，并且試驗結束后對發動機進行拆檢分析，并未發現有異常磨損。

綜上，全新開發的 FA-4/5W30 低粘度機油抗磨損性能能夠滿足發動機的基本使用性需求。

 

本文研究了全新開發的復合水楊酸基摩擦改進劑配方的 FA- 4/5W30 低粘度節能型機油，采用計算機輔助工程（CAE）計算得到的油膜厚度能夠滿足設計要求，同時使用全新的某六缸國六重負荷柴油機進行臺架燃油經濟性測試和可靠性耐久驗證試驗。結果表明 : 該 FA-4/5W30 機油可以有效提升燃油經濟性，同時滿足發動機的基本使用性需求，與添加原有摩擦改進劑相比，全新摩擦改進劑能使燃油經濟性提高約 0.2% ；該機油節油效果顯著，WHTC 循環油耗降低約 1% ；該機油順利通過了兩輪 250 h臺架可靠性試驗，試驗后的發動機零部件拆檢無異常磨損，舊油檢測在正常范圍內。