國六低黏度節(jié)能型柴油機(jī)油研究與應(yīng)用

趙國權(quán)，鄧建林

( 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537001)

0 引言

隨著人們對環(huán)保的重視以及環(huán)保法規(guī)和油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，我國柴油機(jī)的發(fā)展邁入節(jié)能減排階段[1-2]。由中國汽車技術(shù)研究中心牽頭起草的GB/T 30510-2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》已經(jīng)完成，確定以“2020年在2015年基礎(chǔ)上燃料消耗量限值加嚴(yán)約15%”作為總體節(jié)能目標(biāo)。第三階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對我國環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排以及商用車行業(yè)發(fā)展都有重要的意義。因此，燃油經(jīng)濟(jì)性的改善逐漸成為重型柴油機(jī)制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。減少柴油發(fā)動機(jī)的燃料消耗，可以通過改進(jìn)和改善發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)以及采用潤滑油節(jié)能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[3]。發(fā)動機(jī)燃燒過程的優(yōu)化、內(nèi)部摩擦的減少以及傳動系的優(yōu)化都使得燃油經(jīng)濟(jì)性在這些年來有了很大的改進(jìn)[4]。

有研究表明，通過發(fā)動機(jī)的技術(shù)升級來提高1%的燃油經(jīng)濟(jì)性的成本約為1150美元，采用動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化來提高1% 燃油經(jīng)濟(jì)性的成本約為1450美元，而采用節(jié)能型潤滑油來提髙1%燃油經(jīng)濟(jì)性的成本約為80美元。由此可見，采用節(jié)能型潤滑油是提升柴油車燃油經(jīng)濟(jì)性最經(jīng)濟(jì)和最易達(dá)到的途徑之一[5]。

1 燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

1.1 運(yùn)動黏度與燃油經(jīng)濟(jì)性

Stribeck 曲線是一個被廣泛熟知的摩擦理論，如圖1所示。

圖1 Stribeck 曲線

潤滑狀態(tài)分為流體潤滑、 混合潤滑及邊界潤滑3種形式。 當(dāng)施加的力(F)和相對速度(V)保持一定時，隨著潤滑油黏度(η)的降低，潤滑狀態(tài)的變化順序由流體潤滑(Ⅲ)到混合潤滑(Ⅱ)再到邊界潤滑(Ⅰ)[6-7]。

圖1也表達(dá)了摩擦系數(shù)隨潤滑狀態(tài)的變化趨勢。 在流體潤滑情況下，摩擦系數(shù)隨著黏度的降低而減小，這也是應(yīng)用低黏度潤滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據(jù)； 當(dāng)黏度降低到一個臨界點(diǎn)后，潤滑狀態(tài)變?yōu)榛旌蠞櫥蛘哌吔鐫櫥瑥亩鼓Σ料禂?shù)迅速增大，此時不僅不會降低摩擦功，反而會造成運(yùn)動件磨損加劇，最終導(dǎo)致整機(jī)可靠性無法保證等問題[8-9]。

在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，軸承受到很高的沖擊載荷，發(fā)動機(jī)油在軸承處的油膜溫度高達(dá)140～160 ℃，受到約 106/s高速率的剪切。如果油膜強(qiáng)度得不到保持，往往會引起軸承各種故障的發(fā)生，嚴(yán)重時還可能發(fā)生燒結(jié)。如圖2所示，運(yùn)動黏度是衡量發(fā)動機(jī)油油膜強(qiáng)度、流動性的重要指標(biāo)之一，可以反映油品內(nèi)摩擦力的大小。發(fā)動機(jī)油運(yùn)動黏度越大，其油膜強(qiáng)度越高，黏附性越好，但流動性會變差，摩擦阻力也會隨之增大，從而使油耗增加;反之，發(fā)動機(jī)油運(yùn)動黏度越小，其流動性越好，摩擦阻力越小，從而降低油耗，但運(yùn)動黏度過小可能會造成磨損的增加。高溫高剪切黏度是油液在150 ℃時通過毛細(xì)管黏度測試得到的表觀黏度，是以模擬內(nèi)燃機(jī)氣缸工作溫度和高速剪切條件下做的測試。高溫高剪切黏度通常被認(rèn)為是多級發(fā)動機(jī)油在缸套活塞組和連桿軸承區(qū)域的真實(shí)黏度，對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性有很大的影響[10-11]。

圖2 黏度和剪切速率

發(fā)動機(jī)運(yùn)動件潤滑形式見圖3。圖3表明發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)動件多以流體潤滑為主，而高溫高剪切黏度與流體潤滑具有線性關(guān)系，降低高溫高剪切黏度可以有效地提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖3 發(fā)動機(jī)運(yùn)動件潤滑形式

從圖4的測試結(jié)果可以看出，油品的高溫高剪切黏度越小，其燃油經(jīng)濟(jì)性越好，二者的相關(guān)系數(shù)R2為0.78。在另一組測試中，將新油進(jìn)行90次循環(huán)的柴油噴嘴剪切后，再測試其燃油經(jīng)濟(jì)性和高溫高剪切黏度的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。從圖5的結(jié)果可以看到，油品經(jīng)過90次循環(huán)剪切后的高溫高剪切黏度越小，其燃油經(jīng)濟(jì)性越好，且二者的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.92[12-13]。

圖4 燃油經(jīng)濟(jì)性與高溫高剪切黏度的關(guān)系

圖5 90次循環(huán)剪切后的高溫高剪切黏度與燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

1.2 摩擦改進(jìn)劑與燃油經(jīng)濟(jì)性

摩擦改進(jìn)劑是一類用于提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的潤滑油添加劑，在開發(fā)燃油經(jīng)濟(jì)型乘用車潤滑油時的作用明顯，摩擦改進(jìn)劑在重型柴油機(jī)中的應(yīng)用也越來越受到重視[14]。利用沃爾沃D12D(13穩(wěn)定工況)和康明斯WHTC燃油經(jīng)濟(jì)性發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試，考察了摩擦改進(jìn)劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗(yàn)油的黏度完全一樣，排除了黏度對摩擦性能的相關(guān)影響。從圖6的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，全新的摩擦改進(jìn)劑具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性，相比原先的摩擦改進(jìn)劑在改善柴油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性方面的作用是明顯的[15]。

圖6 摩擦改進(jìn)劑燃油經(jīng)濟(jì)性對比試驗(yàn)

綜上，采用全新的摩擦改進(jìn)劑、降低高溫高剪切黏度可以有效地提升柴油發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 低黏度潤滑油對可靠性的影響

由于低黏度潤滑油會引起動力黏度、機(jī)油密度和比熱容的變化，如表1所示；引起供油壓力變化，如表2所示。從而對發(fā)動機(jī)的可靠性造成影響，試驗(yàn)驗(yàn)證前需要對低黏度潤滑油進(jìn)行EHD油膜厚度計(jì)算是否滿足使用要求(以某六缸國Ⅵ發(fā)動機(jī)為計(jì)算模型)。

表1 低黏度潤滑油的變化

表2 低黏度潤滑油的變化

2.1 主軸瓦EHD油膜厚度計(jì)算

通過EHD計(jì)算，主軸瓦的最小油膜厚度表征曲軸與軸瓦間的潤滑情況見圖7(a)，標(biāo)準(zhǔn)為>0.5 μm。5W-30機(jī)油結(jié)果滿足要求，最小油膜厚度要比10W-30要小，其中MB5降幅最大，為8.60%，見圖7 (b)。

圖7 主軸瓦EHD油膜厚度計(jì)算

2.2 連桿瓦EHD油膜厚度計(jì)算

通過EHD計(jì)算表明，連桿瓦的最小油膜厚度表征曲軸連桿軸頸部位與軸瓦間的潤滑情況，標(biāo)準(zhǔn)為>0.5 μm。連桿軸瓦在5W-30機(jī)油時的最小油膜厚度能夠滿足對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。5W-30機(jī)油時的最小油膜厚度比10W-30機(jī)油有所下降，下降幅度如圖8所示。

圖8 連桿瓦EHD油膜厚度計(jì)算

3 低黏度節(jié)能型潤滑油燃油經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證研制的新一代低黏度節(jié)能型柴機(jī)油的實(shí)際使用效果，采用某六缸國Ⅵ發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架驗(yàn)證試驗(yàn)，工況采用WHTC循環(huán)和萬有特性循環(huán)測試。發(fā)動機(jī)信息、試驗(yàn)油信息如表3、表4所示。為評估測量的精度，選用的參比油前后各測量一次，確保數(shù)據(jù)有效性，同時每次試驗(yàn)還要進(jìn)行沖洗，減少前一次試驗(yàn)的機(jī)油殘留，試驗(yàn)測試信息如表5所示。

表3 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)信息

高溫高剪切黏度，該值越低，潤滑油的節(jié)能效果越好，但過低會造成過度磨損。因此選擇2.9<高溫高剪切黏度<3.2，能夠有較好的節(jié)能效果，同時抗磨損性也可以兼顧。

表4 試驗(yàn)油信息

表5 試驗(yàn)測試信息

3.1 臺架倒拖摩擦功測試

臺架測量整機(jī)摩擦功主要是通過電力測功機(jī)倒拖發(fā)動機(jī)的方法進(jìn)行的。需要注意的是，在試驗(yàn)時不允許增加潤滑油輔助循環(huán)系統(tǒng)，以及控制機(jī)油溫度在(90±1) ℃、每次添加的機(jī)油重量差在±0.5 kg內(nèi)。確保機(jī)油面的變化和機(jī)油溫度不會影響整機(jī)摩擦功。測試結(jié)果功率如圖9，扭矩如圖10所示。結(jié)果表明：使用5W-30摩擦功比15W-40測試油降低約5%～6%，使用10W-30機(jī)油摩擦功比15W-40測試油降低約4%～5%，5W-30摩擦功與10W-30摩擦功相差1%以內(nèi)。

圖9 摩擦功-功率對比

圖10 摩擦功-扭矩對比

3.2 臺架瞬態(tài)WHTC循環(huán)測試

在完成發(fā)動機(jī)摩擦功試驗(yàn)后， 為了進(jìn)一步驗(yàn)證節(jié)能情況，通過臺架進(jìn)行WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中控制發(fā)動機(jī)出水溫度(90±1) ℃，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。通過試驗(yàn)可以看出，5W-30循環(huán)油耗比15W-40油耗低約1.8%，10W-30循環(huán)油耗比15W-40油耗低約1.3%，從而證明低黏度潤滑油有助于改善油耗。

圖11 發(fā)動機(jī)WHTC瞬態(tài)循環(huán)測試

3.3 臺架穩(wěn)態(tài)萬有特性測試

完成瞬態(tài)WHTC循環(huán)測試可以看出低黏度潤滑油有助于改善油耗。隨后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的萬有特性試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證低黏度潤滑油的節(jié)能效果，試驗(yàn)過程中控制發(fā)動機(jī)出水溫度(90±1) ℃。通過試驗(yàn)可以看出，使用5W-30機(jī)油平均油耗比15W-40測試油降低約1%，如圖12所示，使用10W-30機(jī)油平均油耗比15W-40測試油降低約0.6%，如圖13所示。中高負(fù)荷油耗下降比例更大。

4 結(jié)束語

隨著我國油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，對柴油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，燃油經(jīng)濟(jì)型柴油機(jī)油的研制開發(fā)也日益得到重視。通過CAE計(jì)算新開發(fā)的國六低黏度節(jié)能型柴油機(jī)油(5W-30，高溫高剪切黏度3.0 mPa·s)的油膜厚度能夠滿足使用要求，并且經(jīng)過某六缸國Ⅵ發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，可以有效提升燃油經(jīng)濟(jì)性：

(1)倒拖試驗(yàn)，使用5W-30摩擦功比15W-40測試油降低約5%～6%，使用10W-30機(jī)油摩擦功比15W-40測試油降低約4%～5%，5W-30摩擦功與10W-30摩擦功相差1%以內(nèi)。

(2)WHTC工況，5W-30循環(huán)油耗比15W-40油耗低約2%，10W-30循環(huán)油耗比15W-40油耗低約1.4%。

(3)萬有特性試驗(yàn)，使用5W-30機(jī)油循環(huán)油耗比15W-40測試油降低約1%，使用10W-30機(jī)油循環(huán)油耗比15W-40測試油降低約0.6%。

同時，本文CAE計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論只計(jì)算和驗(yàn)證了某六缸國Ⅵ發(fā)動機(jī)，不具有普遍性。而且尚未進(jìn)行臺架可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。建議后續(xù)，先進(jìn)行這款機(jī)型的可靠性驗(yàn)證，再推廣到其他機(jī)型進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，以便達(dá)到充分驗(yàn)證的目的，最后再進(jìn)行市場應(yīng)用。