潤滑油粘度等級對發動機性能的影響

粟斌,史永剛,陳國需,徐金龍

(1.總后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程學院,重慶 400016)

潤滑油粘度等級對發動機性能的影響

粟斌1,2,史永剛2,陳國需2,徐金龍1

(1.總后油料研究所,北京 100230;2.后勤工程學院,重慶 400016)

文章采用全尺寸柴油發動機臺架試驗,研究了 SAE 15W-40、SAE 0W-30和 SAE 5W-30發動機油對柴油發動機性能的影響。研究結果表明:使用 SAE 15W-40潤滑油發動機功率、扭矩和油耗率高于使用 SAE 0W-30潤滑油和 SAE 5W-30潤滑油;使用 SAE 15W-40潤滑油發動機的加速性能較好,SAE 5W-30潤滑油發動機的加速比較緩和,SAE 0W-30潤滑油發動機的加速性能介于上述兩者之間;使用三種粘度等級潤滑油實驗發動機工作條件穩定。

發動機潤滑油;柴油機發動機性能;粘度等級;功率;扭矩;經濟性

Abstract:The effects of three engine oils w ith SAE 15W-40,SAE 0W-30 and SAE 5W-30 viscosity grades on dieselengine perform ances w ere investigated w ith diesel engine bench test.The exper im ental results show ed that the pow er, torque and fuelconsumpt ion of the dieselengine lubricated by SAE 15W-40 oilare higher than those of the engines by SAE 0W-30 oil and SAE 5W-30 oil.The engine lubricated by SAE 15W-40 oil has the best accelerat ion characteristic,the acceleration characteristic of the engine lubricated by SAE 0W-30 oil is better than that of the engine by SAE 5W-30 oil.The engine can wo rk steadily w hen it uses the three lubricants w ith different SAE viscosity grades.

Key words:engine o il;diesel engine perfo r m ance;viscosity grade;pow er;torque;econom y

0 前言

適當的潤滑油粘度是保證發動機獲得良好潤滑的關鍵[1]。由于溫度對潤滑油粘度影響很大,為滿足使用條件對潤滑油的粘度和粘溫特性提出了苛刻的要求[2]。內燃機中,潤滑部位多,潤滑條件各不相同[3]。摩擦表面所處的潤滑狀態取決于發動機的工作狀態與潤滑的粘度等級[4]。適當的粘度有助于潤滑油膜的形成。粘度高,有助于油膜形成,使摩擦表面處于流體動壓潤滑狀態,過高的粘度會使能耗增加;粘度低,雖然有利于減少能源消耗,但不利于油膜形成,使摩擦表面處于不利的邊界潤滑或干摩擦狀態。因此,文章試圖通過發動機臺架試驗探索能源節約與合理潤滑的關系,以明確粘度對發動機性能的影響。

1 實驗

1.1 發動機預熱條件

冷卻液出口溫度:(80±2)℃;機油出口溫度: (70±5)℃。

1.2 外特性試驗

先將發動機調定在標定工況穩定運轉。固定油門不變,然后逐步增加負荷,降低轉速,測取有關參數值。自轉速 2000 r/min起向下分布 8個以上的測量點。為找到最大扭矩轉速應細化轉速變化范圍。

測量進氣溫度、進氣壓力、轉速、扭矩、燃油消耗量、排氣溫度等。計算有效功率、有效扭矩、校正燃油消耗率等,繪制發動機各主要參數隨轉速變化的特性曲線。

1.3 負荷特性試驗

發動機保持在 1800 r/min、1500 r/min和 1200r/min轉速下,負荷由小逐步增大。測量點不得少于8個,在各負荷下分別測取進氣溫度、進氣壓力、轉速、扭矩、燃油消耗量和排氣溫度等。計算有效功率、有效扭矩、燃油消耗率等,繪制發動機在規定的諸轉速下的負荷特性曲線。

1.4 加速性能

首先將發動機調至標定工況穩定工作,保持測功機負荷不變,逐步減小油門至最低穩定運轉狀態,運行3～5 min,然后迅速將油門拉至最大位置。記錄在規定轉速區間所經歷的時間和轉速隨時間的變化規律。

1.5 穩定性試驗

特性試驗完成后,在1500 r/min和 100 kW條件下進行發動機穩定性試驗,試驗時間累計 3×4 h。

2 試驗設備

WD61550柴油機、CW260鼓式電渦流測功機及配套測量控制裝置。

3 試樣與燃油

3.1 試樣

(1)柴油機潤滑油,CD 15W-40,中國石化潤滑油分公司。

(2)嚴寒區通用發動機油,SF/CD 0W-30,總后油料研究所。

(3)通用內燃機油,CD/SF 5W-30,總后油料研究所。

3.2 燃油

0號柴油,重慶龍禹石油有限公司陳家坪加油加氣站。

4 試驗數據分析

4.1 外特性分析

發動機節氣門開度或油門開度不變,發動機性能指標隨轉速變化的關系。外特性,即全負荷的速度特性,指節氣門全開 (100%)時,測得的速度特性。依據柴油機臺架試驗數據,分別繪制出各油樣的外特性曲線,詳見圖 1至圖 3。

圖1 外特性功率曲線

圖2 外特性扭矩曲線

圖3 外特性油耗率曲線

從外特性曲線可以發現,在 1400 r/min以下,使用不同的發動機油時發動機功率和扭矩相當;1400 r/min以上,使用 15W-40發動機油時發動機的功率和扭矩高于使用0W-30和5W-30時。另外,使用 15W-40發動機油時發動機的油耗率高于使用0W-30和 5W-30時發動機的油耗率。

試驗典型數據分析見表 1、表 2、表 3。

表1 外特性曲線數據分析

表2 最大功率分析

表3 最大扭矩分析

數據表明:使用 0W-30、5W-30和 15W-40發動機油時,發動機的最大扭矩相同,但產生最大扭矩的轉速不同。使用 15W-40發動機油時,發動機最大扭矩出現在高轉速區,而使用 0W-30和 5W-30發動機油時最大扭矩出現在低轉速區。使用 0W -30和 5W-30發動機油時,最大功率相對于使用15W-40發動機油時低 6.4%和 4.2%。

在實驗條件下,發動機的功率、扭矩取決于使用的潤滑油類型、氣缸密封性能與內部功耗。粘度等級低的潤滑油,由于粘度較小,對氣缸的密封能力降低,易發生漏氣,氣缸壓力降低,從而導致使用低粘度潤滑油時發動機的功率與扭矩降低。另外,在使用低粘度潤滑油時,活動部件的運轉阻力和油泵的能耗減小,內部能耗降低,使得發動機具有較低的油耗率。

4.2 負荷特性分析

轉速不變,發動機的經濟性指標隨負荷變化的關系。

4.2.1 1200 r/min時的負荷特性分析 (見圖 4～圖6)

圖 4 1200 r/m in時 15W-40發動機油的負荷特性曲線

圖 5 1200 r/m in時 0W-30發動機油的負荷特性曲線

圖 6 1200 r/m in時 5W-30發動機油的負荷特性曲線

根據負荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時的油耗率、80%功率時的油耗率及三種油耗率平均值,具體數據見表 4。

表4 負荷特性試驗數據 g/kW·h

以使用 15W-40發動機油時的發動機試驗數據為基礎,計算使用0W-30和5W-30發動機油時發動機油耗數據的變化情況,見表5至表8。表中負值表示油耗率減小。

表5 最低油耗率比較

表6 低負荷時油耗率比較

表7 高負荷時油耗率比較

表8 平均油耗率比較

試驗表明,在 1200 r/min下,使用 0W-30發動機潤滑油和 5W-30發動機潤滑油時,發動機的油耗率低于使用 15W-40潤滑油時發動機的油耗率。4.2.2 1500 r/min時的負荷特性分析(見圖7～圖9)

圖 7 1500 r/m in時 15W-40發動機油的負荷特性曲線

圖 8 1500 r/m in時 0W-30發動機油的負荷特性曲線

圖 9 1500 r/m in時 5W-30發動機油的負荷特性曲線

根據負荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時的油耗率、80%功率時的油耗率及三種油耗率平均值,見表9。

表9 負荷特性試驗數據 g/kW·h

以使用 15W-40發動機油時的發動機試驗數據為基礎,計算使用0W-30和5W-30發動機油時發動機油耗數據的變化,見表10至表13。表中負值表示油耗率減小。在 1500 r/min下,使用 0W-30發動機潤滑油時,發動機的油耗率稍低于 15W-40潤滑油時發動機的油耗率;而使用 5W-30發動機潤滑油時,發動機的油耗率明顯低于使用 15W-40潤滑油時發動機的油耗率。

表10 最低油耗率比較

表11 低負荷時油耗率比較

表12 高負荷時油耗率比較

表13 平均油耗率比較

4.2.3 1800 r/min時的負荷特性分析 (見圖 10～圖

12)

圖 10 1800 r/m in時 15W-40發動機油的負荷特性曲線

圖 11 1800 r/m in時 0W-30發動機油的負荷特性曲線

圖 12 1800 r/m in時 5W-30發動機油的負荷特性曲線

根據負荷特性曲線,找出其最低油耗率、30%功率時的油耗率、80%功率時的油耗率及三種油耗率平均值,詳見表 14。

表14 負荷特性試驗數據 g/kW·h

以使用 15W-40發動機油時的發動機試驗數據為基礎,計算使用0W-30和5W-30發動機油時發動機實驗數據的變化,見表15至表18。表中負值表示油耗率減小。

表15 最低油耗率比較

表16 低負荷時油耗率比較

表17 高負荷時油耗率比較

表18 平均油耗率比較

在 1800 r/min下,使用 0W-30發動機潤滑油和 5W-30發動機潤滑油時,發動機的油耗率稍低于使用 15W-40潤滑油時發動機的油耗率。

低粘度等級的潤滑油具有較低油耗率的實驗數據驗證了關于低粘度潤滑油具有節能效果的理論。

4.3 加速特性分析(見圖 13)

圖 13 發動機油的加速特性(發動機扭矩為 580 N·m)

從圖 13可以看出,在一定扭矩 (580 N·m)條件下,使用 15W-40潤滑油時發動機的加速性能較好,使用 5W-30潤滑油時發動機的加速比較緩和,使用 0W-30潤滑油時發動機的加速性能介于以上兩者之間。這是由于高粘度潤滑油具有較好的密封性能,燃料產生的能量能最大效率的轉化為機械能,因此具有較好的加速性能。

4.4 穩定性分析(見圖 14～圖 16)

圖14 15W-40發動機油的穩定性

圖15 0W-30發動機油的穩定性

圖16 5W-30發動機油的穩定性

發動機在穩定性試驗期間均能穩定工作,未見工況異常波動。但使用 15W-40潤滑油時,發動機的機油油耗率、油溫及油壓略高于使用其他兩種潤滑油時,這產生于其具有較高的內摩擦力。

5 結論

外特性實驗數據表明,在 1400 r/min以下,使用不同的發動機油時功率和扭矩相當;1400 r/min以上,使用 15W-40發動機潤滑油時發動機的功率和扭矩高于使用 0W-30發動機潤滑油和 5W-30發動機潤滑油時發動機的功率和扭矩。使用 15W-40時發動機的油耗率高于使用 0W-30發動機潤滑油和 5W-30發動機潤滑油時發動機的油耗率。在1200 r/min、1500 r/min和 1800 r/min下,使用 0W-30發動機潤滑油和 5W-30發動機潤滑油時,發動機的油耗率均低于使用 15W-40潤滑油時發動機的油耗率。在 580 N·m扭矩下,使用 15W-40潤滑油時發動機的加速性能較好,使用 5W-30潤滑油時發動機的加速比較緩和,使用 0W-30潤滑油時發動機的加速性能介于上兩者之間。在實驗條件下,使用三種潤滑油時實驗發動機工作條件穩定,但使用 15W-40潤滑油時,發動機的機油油耗率、油溫及油壓略高于使用 0W-30發動機潤滑油和 5W -30發動機潤滑油。

[1]T曼格,W德雷澤爾.潤滑劑與潤滑[M].北京:化學工業出版社,2003.

[2]TW SELBY.TheViscosity-Dependent Fuel Efficiency Index for Engine Oils[C]∥13th International Colloquium Tribology-Lubricants,Materials and Lubrication.Germany,2002.

[3]Bob Cockbill.The Effectsof CrankcaseOilViscosityon Engine Friction at Low Temperatures[C]∥CEC/SAE Spring Fuels&LubricantsMeeting&Exposition.Franc,2000.

[4]E H Okrent.The Effect ofLubricantViscosity and Composition on Engine Friction and BearingWear[J].Tribology Transactions,1961,4(1):97-108.

Effec ts of Eng ine O il′s Viscos ity G rades on D iese l Eng ine Pe rform ances

SU Bin1,2,SHI Yong-gang2,CHEN Guo-xu2,XU J in-long1
(1.POL Research Institute of GeneralLogistics Dept.,Beijing 100230,China; 2.Logistical Engineering College,Chongqing 400016,China)

TE624.82

A

2009-09-09。

粟斌(1964-),男,高級工程師,后勤工程學院在讀博士研究生,主要從事發動機潤滑油的研究工作,已公開發表論文數篇。

1002-3119(2010)03-0020-06