低粘度潤滑油對發動機燃油經濟性及可靠性影響的研究

柳國立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

低粘度潤滑油對發動機燃油經濟性及可靠性影響的研究

柳國立 韓俊楠 桃春生 賀占忠 譚昭波

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

從燃油經濟性及可靠性兩方面詳細研究了匹配低粘度潤滑油對CA4GA5發動機整機的影響。燃油經濟性主要通過臺架反拖測量摩擦功及整車NEDC循環試驗進行評價，通過驗證證明采用低粘度潤滑油具備1%～2%的節油空間；通過對整機性能、潤滑油壓力、漏氣量、潤滑油消耗量及軸承磨損等進行評價，用于確定采用低粘度潤滑油對整機可靠性的影響。

1 前言

隨著第3階段乘用車油耗法規實施的日益臨近，目前國內各品牌制造商都開展了降低油耗方法的相關研究，其中通過降低整機摩擦功而實現節油受到了越來越多的重視，而采用低粘度潤滑油[1]能夠對降低整機摩擦功起到立竿見影的效果。然而，潤滑油粘度對整機可靠性起著至關重要的作用，因此如何在不影響可靠性的前提下最大限度的優化潤滑油粘度成為需要研究的重要內容。

本文通過對CA4GA5發動機進行潤滑油粘度對燃油消耗量及可靠性影響的相關研究與試驗，對整機潤滑油匹配工作進行初步探索。

2 潤滑油粘度選擇的基本依據

Stribeck曲線[2]是一個被廣泛熟知的摩擦理論，如圖1所示。潤滑狀態分為壓力潤滑、混合潤滑及邊界潤滑3種形式。當施加的力（F）和相對速度（V）保持一定時，隨著潤滑油粘度（η）的降低，潤滑狀態的變化順序由壓力潤滑（Ⅲ）到混合潤滑（Ⅱ）再到邊界潤滑（Ⅰ）。

圖1也表達了摩擦系數隨潤滑狀態的變化趨勢。在壓力潤滑情況下，摩擦系數隨著粘度的降低而減小，這也是應用低粘度潤滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據；當粘度降低到一個臨界點后，潤滑狀態變為混合潤滑或者邊界潤滑，從而使摩擦系數迅速增大，此時不僅不會降低摩擦功，反而會造成運動件磨損加劇，最終導致整機可靠性無法保證等問題。

結合圖1，可知發動機主要運動部件所處的潤滑狀態如下：

a.主軸承、連桿軸承、凸輪軸承均處于壓力潤滑范圍內；

b.缸筒、活塞環組成的摩擦副則介于壓力潤滑與混合潤滑之間；

c.鏈條、凸輪以及閥系則介于混合潤滑與邊界潤滑之間。

對發動機潤滑油來講，低粘度和摩擦改進劑（FM）是獲取燃油經濟性的兩個關鍵因素。

通過上述分析，得出采用低粘度潤滑油需要關注以下幾個方面：

a.軸承磨損。由于降低潤滑油粘度可能造成軸承油膜厚度降低，因此必須驗證軸承是否會出現異常磨損；

b.潤滑油消耗量增加。因為低粘度潤滑油包含更多的小分子，所以揮發量更多，因此隨著潤滑油消耗量的增加，需要特別關注該問題；

c.加工精度。由于國內部件加工精度較差，因此需要驗證低粘度潤滑油是否能夠適應國內加工精度。

3 低粘度潤滑油對燃油經濟性的影響

3.1 發動機基本參數

試驗搭載的是型號為CA4GA5的發動機，其基本參數如表1所列。

表1 發動機基本參數

3.2 臺架反拖摩擦功試驗

3.2.1 臺架反拖摩擦功測試方法

臺架測量整機摩擦功主要是通過電力測功機反拖發動機的方法進行的。

需要注意的是，在試驗時，不允許增加潤滑油輔助循環系統，所以試驗前在增加潤滑油加熱裝置時，一定要確定油面的變化不會影響整機摩擦功。

3.2.2 潤滑油主參數

試驗主要對比的是現生產采用的SL級10 W-30和SM級0 W-20兩種潤滑油，油樣的元素含量對比見表2，粘溫曲線如圖2所示。

表2 不同油樣元素含量對比μg/g

從兩組油樣元素含量以及粘溫曲線對比結果可以看出，除了粘度等級不同外，SM級0W-20機油還添加了以鉬化合物為主的摩擦改進劑，用于優化處于混合潤滑以及邊界潤滑時摩擦表面的摩擦系數。

3.2.3 試驗結果

通過臺架反拖摩擦功試驗得到的試驗結果如圖3所示。從試驗結果可以看出，在不同發動機轉速、不同潤滑油溫度工況下（通過外接水恒溫裝置，將水溫控制在85±5℃范圍內），采用0W-20潤滑油均能夠降低整機摩擦功，尤其在1 000～3 000 r/min（乘用車常用工況）時降幅尤為明顯，可達到2.7%～5.9%。

3.3 整車NEDC循環試驗

在完成整機摩擦功試驗后，為了進一步驗證整車節能情況，通過A130整車搭載CA4GA5發動機進行NEDC循環試驗，試驗結果如圖4所示。通過試驗可以看出，采用0 W-20潤滑油后，整車NEDC循環下的油耗能夠降低1.5%～2%，從而證明低粘度潤滑油有助于改善油耗。

4 低粘度潤滑油對可靠性的影響

4.1 軸瓦油膜厚度校核

5．藥敏紙片試驗結果見表2。藥敏紙片試驗結果表明敏感的藥物依次是：頭孢菌素、環丙沙星；中度敏感的依次是：青霉素和卡那霉素；而對土霉素、鏈霉素、慶大霉素具有抗藥性。

在進行可靠性試驗前，首先針對不同粘度潤滑油對軸瓦油膜厚度進行校核，校核結果如圖5、圖6所示。

通過分析結果可以看出，采用低粘度潤滑油后，無論主軸承還是連桿軸承，油膜厚度都明顯減小，接近評價指標，但需通過試驗進行進一步驗證。

4.2 可靠性試驗邊界條件控制

低粘度潤滑油對可靠性影響主要通過搭載本公司標準可靠性臺架試驗規范進行驗證，通過評價整機性能、油壓、漏氣量、機油消耗量以及軸瓦磨損來判定試驗是否通過。

為了能夠準確的驗證潤滑油對可靠性的影響，需要對試驗時的潤滑油加注量、油溫、換油周期、功率、扭矩、水溫以及外循環進行設定，具體見表3。

表3 可靠性試驗邊界條件

4.3 可靠性試驗結果

4.3.1 整機性能影響

針對不同油品進行功率及油耗對比試驗，結果如圖7、圖8所示。從對比試驗結果可以看出，采用0 W-20潤滑油后，整機功率、油耗基本無變化，其主要與試驗工況有關，在進行外特性數據測量時，一般都是在水溫85℃、油溫100℃邊界下（與NEDC工況有較大差異）進行，此時通過采用低粘度潤滑油降低的摩擦功相對較小，同時由于發動機處于全負荷工況，摩擦功所占的比例相對于整車NEDC工況（發動機主要工況為部分負荷）下要小很多，因此此時節油效果幾乎體現不出來。

4.3.2 潤滑油壓力試驗結果

在進行可靠性試驗前、后分別進行潤滑油壓力及漏氣量的試驗，以評價整機磨損對發動機可靠性的影響。試驗結果如圖11、圖12所示。

通過試驗結果可以看出，可靠性試驗后潤滑油壓力降低、漏氣量明顯增加，說明整機產生一定程度的磨損，但潤滑油壓力、漏氣量均未達到試驗規范中限值的要求。

4.3.3 潤滑油消耗量試驗結果

在進行可靠性試驗的同時，檢測整機潤滑油消耗量的變化，并通過與參比油對比，評價潤滑油消耗量是否滿足要求。潤滑油消耗量試驗結果如圖13所示。

通過試驗結果可以看出，采用低粘度潤滑油后其消耗量有一定增加，但試驗結束時的潤滑油消耗量僅為0.53‰，遠小于國際標準3‰的要求。

4.3.4 軸瓦磨損試驗結果

可靠性試驗前、后分別測量主軸瓦、連桿軸瓦的質量，以此來評價降低粘度后油膜厚度是否能夠滿足軸瓦工作要求。

主軸瓦、連桿軸瓦失重對比如圖14、圖15所示，可以看出，相對于SL級10W-30機油，采用SM級0W-20潤滑油后主軸瓦、連桿軸瓦失重雖然有一定增加，但處于正常范圍內，因此降低粘度后的油膜厚度仍滿足要求。

5 結束語

通過搭載CA4GA5發動機及A130整車進行低粘度潤滑油燃油對經濟性及整機可靠性驗證，可以得出以下結論：

a.采用低粘度潤滑油后，整機摩擦功有明顯改善，在1000～3000r/min時降幅更為明顯，達到2.7%～5.9%；在NEDC工況下，整車燃油消耗量降低1%～2%。

b.采用0W～20潤滑油相對于現生產10W～30潤滑油對發動機整機性能影響不大，可靠性試驗結束后，主要指標（性能、油壓、漏氣量）均滿足要求。

c.采用低粘度潤滑油后，潤滑油消耗增加量在正常范圍內。

d.采用低粘度潤滑油后，不會出現由于油膜厚度降低而導致軸瓦異常磨損的現象。

通過本次研究可以證明，0 W-20粘度的潤滑油完全能夠滿足一汽集團自主研發的TA1系列自然吸氣發動機的要求。

1Kobayashi N.，Suzuki T.，karmoka R.，etal.Study of Future Engine Oil(First Report):Future Engine Oil Scenario.SAE Technical Paper，2007-01-1997.

2Yosuke Okuyama，Daichi Shimokoji，Takayuki Sakurai，etal. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability.SAE，2011-01-1247.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Impact Study of Low Viscosity Lubricating Oil on Engine Fuel Economy and Reliability

Liu Guoli，Han Junnan，Tao Chunsheng，He Zhanzhong，Tan Shaobo
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

This article studies in details the effect of low-viscosity lubricating oil on fuel efficiency and reliability of engine CA4GA5.The fuel economy is mainly evaluated through the reverse-drag friction work measurement and NEDC test.The results prove that low-viscosity engine oil contributes to oil-saving of about 1%～2%.The engine performance，oil pressure，gas leakage，lubricant oil consumption and bearing wear are evaluated to confirm the effect of low-viscosity oil on engine reliability.

Low viscosity lubricating oil,Fuel economy,Reliability

低粘度潤滑油燃油經濟性可靠性

U461.8

：A

：1000-3703(2014)01-0054-04