渦輪增壓發(fā)動機(jī)用0W-20潤滑油減摩性能研究*

莫易敏 孔祥馗 洪 葉 王 駿 覃 瑜

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州 545007)

由于全球環(huán)境惡化以及石油能源短缺，世界各國出臺了嚴(yán)苛的油耗和排放法規(guī)，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)研發(fā)的一個關(guān)鍵驅(qū)動力。

目前，傳統(tǒng)燃油車仍是市場主體，屬于降油耗研究的重點。在眾多燃油車降耗方案中，提升潤滑油性能可以在較低的成本、較小的改動條件下提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。另外，渦輪增壓技術(shù)可回收排氣能量，提高循環(huán)熱效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，相比于自然吸氣發(fā)動機(jī)，渦輪增壓發(fā)動機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。因此，研究潤滑油對渦輪增壓發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響對于節(jié)能減排意義重大。

通過提升發(fā)動機(jī)潤滑油性能來降低油耗主要有2種途徑：一是通過降低潤滑油黏度來降低流體動力摩擦；二是通過添加摩擦改性劑來降低邊界摩擦。MOODY等[2]使用MTM試驗機(jī)研究了梳狀和星型2種聚合物摩擦改進(jìn)劑對0W-20發(fā)動機(jī)潤滑油摩擦性能的影響。SAGAWA等[3]通過優(yōu)化基礎(chǔ)油和使用二烷基二硫代甲酸鉬(MoDTC)調(diào)配了SAE16發(fā)動機(jī)潤滑油，并對其減摩抗磨性能進(jìn)行研究。郝麗春等[4]利用SRV-IV 試驗機(jī)和3D光學(xué)表面輪廓儀研究了MoDTC、無灰減摩劑油酸甘油酯(GMO)和油酸酰胺對0W-16基礎(chǔ)油摩擦磨損性能的影響。OKUDA等[5]使用GTL基礎(chǔ)油和MoDTC調(diào)配了0W-8超低黏度潤滑油，并對其減摩抗磨性能進(jìn)行了研究。KOCSIS等[6]研究了0W-8超低黏度潤滑油及摩擦改性劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

但是，目前的研究主要集中在各種單劑對低黏度潤滑油性能的改善，對于不同添加劑復(fù)配效果的研究較少。此外，大多數(shù)研究采用的是標(biāo)準(zhǔn)摩擦模擬試驗，這與摩擦副真實接觸條件差異較大，尤其是針對渦輪增壓發(fā)動機(jī)，其工作時的壓力、溫度及動力密度都大幅升高，標(biāo)準(zhǔn)摩擦模擬試驗無法準(zhǔn)確評估低黏度潤滑油的減摩性能。

本文作者針對某國產(chǎn)渦輪增壓發(fā)動機(jī)，調(diào)配了5種0W-20低黏度發(fā)動機(jī)潤滑油，使用真實環(huán)套摩擦副試樣進(jìn)行往復(fù)摩擦模擬試驗，測試潤滑油的減摩效果；通過整車油耗試驗測試不同潤滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性，分析潤滑油黏度與不同添加劑配合時的燃油經(jīng)濟(jì)性提升程度。此外，通過比較摩擦模擬實驗的結(jié)果與整車油耗結(jié)果，評估了使用真實摩擦副的環(huán)套摩擦模擬試驗?zāi)芊褡鳛榭焖贉y定潤滑油降耗的方法。

1 試驗油樣

針對某國產(chǎn)渦輪增壓發(fā)動機(jī)，以其原廠油樣(5W-30)作為基準(zhǔn)油(Baseline Oil,BO)，調(diào)配了不同配方的5種的0W-20潤滑油。為了評估潤滑油黏度對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，在原廠油樣配方的基礎(chǔ)上調(diào)整黏度等級為0W-20，作為1號油樣。

在潤滑油配方中，摩擦改進(jìn)劑對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響最為重要，其中，MoDTC摩擦改進(jìn)劑有助于降低邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦[7]，硼類添加劑具有一定的減摩效果[8]，作為一種環(huán)保型添加劑具有廣泛應(yīng)用前景。在硼類添加劑中，硼酸鹽類清凈劑具有增稠效果小，氧化穩(wěn)定性好的優(yōu)點[9]。因此，為探討MoDTC與硼酸鹽類清凈劑復(fù)配對潤滑油減摩性能以及發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，通過添加不同劑量的MoDTC和硼酸鹽類清凈劑，調(diào)配了4種0W-20油樣(2～5號油樣)。在調(diào)配這4種油樣配方的過程中，考慮到以下幾點：

(1)由于渦輪增壓發(fā)動機(jī)容易產(chǎn)生LSPI現(xiàn)象，導(dǎo)致爆震，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞發(fā)動機(jī)[10]。然而LSPI會隨著Ca含量的增加而增加[11]，因此，所有低黏度油樣均采用Ca-Mg系清凈劑。

(2)ZDDP不僅具有很好的抗氧抗腐性，而且還具有良好的極壓抗磨性，對于LSPI也具有抑制作用。但是由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)配有三元催化器，而磷含量過高會造成汽油發(fā)動機(jī)后處理系統(tǒng)中的催化劑中毒，縮短后處理系統(tǒng)的使用壽命。根據(jù)SP/GF-6限值要求[12]，對P元素的限值為0.06%～0.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，試驗油樣中ZDDP的加劑量均達(dá)到上限值。

(3)為減小溫度變化時潤滑劑的黏度變化，試驗油樣均采用了PMA類型的黏度指數(shù)改進(jìn)劑。

所有試驗油樣均采用API III類基礎(chǔ)油，油樣配方如表1所示，測定各試驗油樣基本理化參數(shù)如表2所示。

表1 試驗油樣配方

表2 試驗油樣理化性能

發(fā)動機(jī)潤滑油中添加劑元素含量是表示油品質(zhì)量和使用性能的重要指標(biāo)之一。采用ICP-AES分析儀對各油樣的微量元素進(jìn)行定量檢測，如表3所示。

表3 試驗油樣微量元素測定

2 環(huán)套摩擦模擬試驗

2.1 試驗設(shè)備及方案

活塞環(huán)-缸套摩擦副產(chǎn)生的摩擦損失約占發(fā)動機(jī)總摩擦損失的50%以上[13]，是內(nèi)燃機(jī)中最為關(guān)鍵的摩擦副，對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響至關(guān)重要。文中使用真實發(fā)動機(jī)零件的活塞環(huán)和氣缸套試樣，模擬實際活塞環(huán)-缸套摩擦副在止點附近的工作環(huán)境和潤滑狀態(tài)，使用Cameron-Plint TE77往復(fù)試驗機(jī)研究各油樣在關(guān)鍵工況下的摩擦性能。摩擦模擬試驗臺及活塞環(huán)-缸套摩擦副布置示意圖分別如圖1(a)和(b)所示。圖1(c)所示為活塞環(huán)和缸套摩擦副試樣，其中活塞環(huán)試樣為使用電火花線切割機(jī)截取的發(fā)動機(jī)部分油環(huán)實體(約50 mm)，缸套試樣為截取的發(fā)動機(jī)部分缸套實體(約30 mm×20 mm)。

試驗以活塞環(huán)為動試樣，缸套為定試樣。動試樣固定在托架內(nèi)，相對于下面的定試樣做往復(fù)運動，定試樣置于不銹鋼油池內(nèi)，加入約15 mL的試驗油樣浸沒缸套。根據(jù)該渦輪增壓發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵工況(2 000 r/min，0.2 MPa)以及活塞環(huán)-缸套的工作環(huán)境以潤滑狀態(tài)，測試選取的載荷、頻率以及油溫等參數(shù)如表4所示。載荷直接施加在動試樣上，從20 N開始線性加載到100 N，加載時間為20 min，達(dá)到設(shè)定載荷后，保持恒定載荷運行20 min。試驗測量了整個過程中的摩擦因數(shù)和接觸電勢，比較不同油樣的摩擦性能和成膜能力。

每次試驗前，使用壓力膜檢查活塞環(huán)和缸套的一致性。為避免油樣的攜帶效應(yīng)，需在250 N和1 Hz下用待測試油樣進(jìn)行60 min的洗滌程序。在每次測量前，都要對活塞環(huán)和氣缸套樣品進(jìn)行一定時間的磨合。

圖1 活塞環(huán)-缸套摩擦試驗臺架及試樣

表4 活塞環(huán)-缸套試驗參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果及分析

環(huán)套摩擦模擬試驗獲得的各油樣的摩擦因數(shù)變化曲線，如圖2所示。隨載荷逐漸升高，在磨合階段(0～20 min)只有BO和1號油樣的摩擦因數(shù)逐漸升高，其他4種油樣的摩擦因數(shù)并沒有明顯變化；在穩(wěn)定階段(20～40 min)，各油樣的摩擦因數(shù)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 各油樣潤滑下的摩擦因數(shù)曲線

計算得到的各油樣在20～40 min的平均摩擦因數(shù)及相對于BO的減摩效果如圖3所示。可知，相比于BO，5種潤滑油均具有一定的減摩效果。其中僅降低黏度的1號油樣的減摩效果較差，不到10%；而使用含有MoDTC的潤滑油(2～5號油樣)具有更為明顯的減摩效果，均在40%以上。這是因為降低黏度僅僅可以改善流體潤滑區(qū)的摩擦，而添加MoDTC后，在邊界潤滑區(qū)MoDTC發(fā)生了分解，在摩擦副表面生成MoS2、MoO3和FeS 等反應(yīng)膜，有效降低了摩擦[4]，使得減摩效果的提升更明顯。此外，4號油樣的減摩效果高于2號油樣，即MoDTC加劑量的提高可以提升減摩效果；3號油樣的減摩效果高于2號油樣，5號油樣的減摩效果略高于4號油樣，表明硼酸鹽類清凈劑增強(qiáng)了MoDTC的減摩效果，二者復(fù)配具有協(xié)同效果。這是由于硼酸鹽型清凈劑通過形成硼酸膜促進(jìn)二硫化鉬的形成[9]，有助于減少摩擦。另外，在MoDTC加劑量較低時，硼酸鹽類清凈劑的促進(jìn)作用更為明顯，與MoDTC復(fù)配后的協(xié)同效果更強(qiáng)；在MoDTC加劑量較高時，二硫化鉬更容易形成，硼酸鹽類清凈劑的促進(jìn)作用相對變?nèi)酰虼?號油樣的減摩效果與4號油樣大致相同。

圖3 各油樣平均摩擦因數(shù)及相對于BO的減摩效果

3 整車油耗測試

環(huán)套模擬試驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)各油樣在摩擦性能方面的差異。然而，由于相對速度、負(fù)載、幾何形狀等運行條件的差異，在模擬測試中觀察到的行為與發(fā)動機(jī)中的表現(xiàn)不是完全相同。為了測試不同油樣在WLTC工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性提升效果，有必要進(jìn)行整車油耗試驗，直接對發(fā)動機(jī)潤滑油進(jìn)行性能評估。

3.1 整車油耗測試方法及設(shè)備

采用整車轉(zhuǎn)轂臺架測試各油樣潤滑下的真實油耗，測試現(xiàn)場如圖4所示。所選用的車輛為某國產(chǎn)SUV車型，搭載文中所研究的1.5 L渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)，車輛參數(shù)如表5所示。

圖4 整車油耗測試現(xiàn)場

表5 試驗車輛參數(shù)

油耗測試按照GB 18352.6—2016《輕型車輛排放限值和測量方法》[14]進(jìn)行，采用WLTC工況，由低速、中速、高速和超高速4個階段組成，持續(xù)時間共1 800 s，行駛距離23.25 km，最高車速131 km/h。其中低速段的持續(xù)時間為589 s，中速段的持續(xù)時間為433 s，高速段的持續(xù)時間為455 s，超高速段的持續(xù)時間為323 s。WLTC工況曲線如圖5所示。

圖5 WLTC循環(huán)曲線

在底盤測功機(jī)上進(jìn)行的整車油耗試驗涉及的設(shè)備較為復(fù)雜且含有人為操作的因素，按照國家標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果耦合誤差在4%以內(nèi)即為合格。然而，在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差范圍，不同低黏度潤滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性改善的差異性很難區(qū)分[15]，這顯然不滿足文中測試的需求。為了保證測量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，需要對測試過程各種可控因素進(jìn)行一致性要求：

(1)由于整車磨合前后的阻力狀態(tài)存在較大差異，在測試之前，整車需進(jìn)行磨合3 000 km以上，使整車零部件狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。

(2)發(fā)動潤滑油初始溫應(yīng)保證在(23±0.5)℃以內(nèi)。

(3)在汽車通電狀態(tài)下測試蓄電池電壓，需要控制在12～12.3 V范圍內(nèi)，驅(qū)動輪輪胎壓力控制在230 kPa。

(4)所有測試由同一位經(jīng)驗豐富的駕駛員進(jìn)行，測試著裝為某實驗中心要求工裝。

(5)試驗要求環(huán)境艙溫度為(25±2)℃，絕對濕度(水/干空氣)為5.5～12.2 g/kg。

3.2 FEI測試方案

為更準(zhǔn)確地比較每種試驗油樣的燃油經(jīng)濟(jì)性提升效果(Fuel Economy Improve，F(xiàn)EI)，避免系統(tǒng)誤差，每組測試設(shè)定前基準(zhǔn)油、試驗油和后基準(zhǔn)油。此外，由于測試系統(tǒng)標(biāo)定前后油耗測試結(jié)果波動較大，每組測試需要在同一標(biāo)定周期進(jìn)行。

試驗油樣的FEI定義為該油樣的平均油耗相對于前后基準(zhǔn)油平均油耗的下降百分比，計算公式見式(1)。為了節(jié)省時間和成本，若測試連續(xù)進(jìn)行，則后基準(zhǔn)油測試結(jié)果可作為下一次試驗油測試的前基準(zhǔn)油測試結(jié)果。

(1)

式中：qBO1、qBO2分別為前、后基準(zhǔn)油油耗；qi(i=1,2,…,5)為5種試驗油樣的油耗。

每種油樣的測試由沖洗、預(yù)處理和油耗測試3部分組成，具體流程如圖6所示。

圖6 油樣測試流程

(1)沖洗流程：每次進(jìn)行沖洗前，打開放油螺栓，排空發(fā)動機(jī)潤滑油，并靜置30 min。先更換機(jī)濾，添加基準(zhǔn)/試驗潤滑油；之后將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 000 r/min左右，運行20 min；之后將發(fā)動機(jī)潤滑油排空，靜置15 min。按上述方式?jīng)_洗3次，然后更換機(jī)濾，加入新的基準(zhǔn)/試驗潤滑油。需要注意的是，每次加注潤滑油應(yīng)加至油尺中點處。

(2)預(yù)處理流程：試驗發(fā)現(xiàn)，在對同一油樣進(jìn)行多次油耗測試時，第一次的測試結(jié)果與其他測試結(jié)果差異較大，而其他結(jié)果的油耗值基本穩(wěn)定。分析其原因：一方面可能是更換新的潤滑油后，形成新的保護(hù)膜是需要一定的時間，另一方面，可能是整車熱平衡狀態(tài)差異導(dǎo)致，即第一次試驗前，整車是由沖洗工況運轉(zhuǎn)后，浸車?yán)鋮s的狀態(tài)，后續(xù)試驗前，整車是由測試工況運轉(zhuǎn)后，浸車?yán)鋮s的狀態(tài)。因此，每次更換潤滑油后，對試驗車進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理工況即為測試工況。

(2)

(3)

(4)

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 試驗一致性分析

為了保證試驗結(jié)果的有效性，準(zhǔn)確地測量出各油樣的FEI，需要對測試臺架的一致性進(jìn)行分析。定義基準(zhǔn)油相對偏移量(Baseline Drift)如式(5)所示，這表示發(fā)動機(jī)狀況隨時間的變化[16]。在燃油經(jīng)濟(jì)性測試中，發(fā)動機(jī)在中等條件下運行，多次進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性測試可能會獲得更好的磨合，使得試驗期間后基準(zhǔn)油的油耗比前基準(zhǔn)油的油耗低，即Baseline Drift一直為正。

(5)

圖7顯示了按測試運行編號的基準(zhǔn)油相對偏移量。各組測試的相對偏移量都在±1.0%范圍內(nèi)。這說明每組測試前后基準(zhǔn)油的油耗結(jié)果比較穩(wěn)定。從整體趨勢看，略有下降，然而Baseline Drift結(jié)果出現(xiàn)在X軸的兩側(cè)。基于這些結(jié)果，可以得出，發(fā)動機(jī)磨合效應(yīng)不顯著，整車狀態(tài)保持一致，試驗數(shù)據(jù)的一致性較好。

對試驗得到各油樣測試結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)方法處理，驗證試驗結(jié)果的有效性。圖8所示為使用不同油樣的整車油耗及起波動范圍。可以看出，各油樣測試結(jié)果的變異系數(shù)在許可范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)有效。

圖7 基準(zhǔn)油相對偏移量變化

圖8 整車油耗測試結(jié)果及波動范圍

3.3.2 FEI結(jié)果分析

計算各油樣的FEI如表6所示，所有0W-20潤滑油油樣的FEI都顯示出優(yōu)于BO的結(jié)果，具有一定的降耗效果。

表6 不同油樣FEI比較

由表6可知，1號油樣在中低速階段具有一定的減摩效果，但是在高速階段，潤滑油的減摩效果變差，甚至產(chǎn)生了負(fù)優(yōu)化。分析其原因可能是在高速和超高速階段，油溫不斷升高，潤滑油變稀，油膜變薄導(dǎo)致微凸體接觸，發(fā)生邊界潤滑，摩擦因數(shù)反而會增加。相比于1號油樣，含有MoDTC的全配方潤滑油的FEI值更高，降耗效果更好，且在一定范圍內(nèi)，降耗效果隨著MoDTC加劑量的升高而升高。同時，3號油樣的FEI高于2號油樣，5號油樣高于4號油樣，這也進(jìn)一步驗證了添加硼酸鹽清凈劑可以進(jìn)一步提升MoDTC的減摩效果。此外，含有硼酸鹽清凈劑的潤滑油在低速階段的FEI較高，這是因為硼元素在摩擦副表面通過電荷的作用而形成沉積膜[17]，改善了低溫階段的潤滑條件。

比較環(huán)套摩擦模擬試驗與整車油耗試驗，二者均可以區(qū)分出不同潤滑油的減摩性能，且試驗結(jié)果一致。但是環(huán)套模擬試驗的減摩效果與整車油耗試驗的FEI在絕對數(shù)值上是存在差異的。因此，設(shè)定合適工況的環(huán)套摩擦模擬試驗可以快速區(qū)分潤滑油的減摩效果，但無法反映真實的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升程度。

4 結(jié)論

(1)僅降低潤滑油黏度對燃油經(jīng)濟(jì)性的改善很小，通過添加劑可以顯著改善潤滑油的減摩性能。

(2)在一定范圍內(nèi)，MoDTC減摩劑的含量越高，潤滑油的減摩效果越好，且在高溫高速階段的燃油經(jīng)濟(jì)性提升程度越高。此外，硼酸鹽清凈劑與MoDTC復(fù)配具有協(xié)同作用，可以進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)摩擦副的摩擦，且在MoDTC加劑量較低時，協(xié)同作用更好。

(3)使用真實的環(huán)套摩擦副組件，在特定工況下進(jìn)行摩擦模擬試驗，可以快速區(qū)分低黏度潤滑油的減摩效果，但是無法反映真實的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升程度。