趙國權(quán)，鄧建林

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537001，中國）

隨著人們對環(huán)保的重視以及環(huán)保法規(guī)、油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，中國柴油發(fā)動機(jī)的發(fā)展邁入了節(jié)能減排階段[1]。《GB/T 30510-2018重型商用車燃料消耗量限值》 法規(guī)已經(jīng)開始實施，重負(fù)荷柴油機(jī)燃料消耗量限值比之前降低約 15%。新油耗法規(guī)的實施對中國環(huán)境保護(hù)以及汽車發(fā)動機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展都有十分深遠(yuǎn)的意義。因此，節(jié)能技術(shù)愈來成為發(fā)動機(jī)最核心和關(guān)鍵的技術(shù)之一[2]。機(jī)械摩擦運(yùn)動消耗的能量約占柴油發(fā)動機(jī)總能量的20%，合理的摩擦學(xué)設(shè)計以及潤滑材料的應(yīng)用是提高發(fā)動機(jī)能效的最直接有效的途經(jīng)[3]。

相對于發(fā)動機(jī)硬件的改進(jìn)、優(yōu)化，開發(fā)應(yīng)用節(jié)能型低粘度潤滑油是提升發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性性價比最高、最直接有效的途徑之一。然而，粘度過低使?jié)櫥偷挠湍ず穸纫矔儽　?qiáng)度不足，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)動副零部件嚴(yán)重磨損，減少發(fā)動機(jī)的可靠性壽命。因此，如何在保證發(fā)動機(jī)可靠性前提下最大限度地優(yōu)化、降低潤滑油粘度是行業(yè)內(nèi)研究的重要內(nèi)容之一[4-5]。相比于柴油機(jī)，汽油機(jī)的壓縮比低（一般的，汽油機(jī)壓縮比8～10 : 1；柴油機(jī)壓縮比16～20 : 1）、爆壓、負(fù)荷也低很多，因而汽油機(jī)更有利于低粘度機(jī)油的應(yīng)用。目前，市場上汽油機(jī)油為0W-30、0W-40，粘度普遍較低，有些原始設(shè)備制造商（original equipment manufacturer， OEM）正在開發(fā)0W-20、0W-16等超低粘度汽油機(jī)油。柴油機(jī)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(jī)油。但是，隨著GB/T 30510-2018油耗法規(guī)的實施，以及下一階段更嚴(yán)苛油耗限值的壓力，柴油發(fā)動機(jī)降低油耗、提升燃油經(jīng)濟(jì)性的需求越來越迫切。因此，開發(fā)一款適用于重負(fù)荷柴油機(jī)的低粘度節(jié)能型機(jī)油勢在必行。

本文采用全新開發(fā)的復(fù)合水楊酸基摩擦改進(jìn)劑配方方案，以國六重負(fù)荷柴油機(jī)為基底，對FA-4/5W30低粘度機(jī)油進(jìn)行了大量前期開發(fā)工作，并結(jié)合CAE仿真分析、臺架燃油經(jīng)濟(jì)性測試以及臺架可靠性耐久試驗，對FA-4/5W30低粘度機(jī)油在國六重負(fù)荷柴油機(jī)上應(yīng)用的可行性、可靠性影響進(jìn)行了驗證，為后續(xù)推廣市場應(yīng)用做了準(zhǔn)備工作，積累了數(shù)據(jù)。

1 燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

1.1 粘度與燃油經(jīng)濟(jì)性

發(fā)動機(jī)運(yùn)動副零部件間的潤滑狀態(tài)分為流體潤滑、混合潤滑及邊界潤滑[6]。從摩擦學(xué)理論中的Stribeck曲線可以看出摩擦系數(shù)隨零部件間的潤滑狀態(tài)不同而變化。在流體潤滑時，摩擦系數(shù)隨著潤滑油粘度的降低而降低，因此，應(yīng)用低粘度潤滑油能夠降低摩擦功，提升發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。邊界潤滑和混合潤滑時，摩擦改進(jìn)劑起到主要作用，可以有效降低摩擦功。但當(dāng)粘度過于降低后，運(yùn)動副零部件潤滑狀態(tài)變?yōu)檫吔鐫櫥Σ料禂?shù)也隨之變大，從而造成運(yùn)動副零部件磨損嚴(yán)重，最終減少發(fā)動機(jī)的可靠性壽命[7-8]。

1.2 摩擦改進(jìn)劑與燃油經(jīng)濟(jì)性

摩擦改進(jìn)劑的主要作用是降低運(yùn)動副間的摩擦系數(shù)來提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，通過物理或化學(xué)的形式吸附在運(yùn)動副表面，形成一層膜。當(dāng)運(yùn)動副處在邊界潤滑和混合潤滑時，摩擦改進(jìn)劑可以充分降低運(yùn)動副零件之間的摩擦系數(shù)。減小摩擦的機(jī)理是添加劑的分子垂直吸附在運(yùn)動副表面上，并且呈現(xiàn)出直線排列的次級結(jié)構(gòu)膜來達(dá)到減摩效果；另外，添加劑在運(yùn)動副表面上分解生成化合物，并聚集在運(yùn)動副表面的凹處，從而使運(yùn)動副表面達(dá)到光滑的狀態(tài)，有效地降低運(yùn)動副間的摩擦系數(shù)[9-10]。全新開發(fā)的復(fù)合水楊酸楊基的摩擦改進(jìn)劑能夠更充分分解并密集而牢固地吸附在運(yùn)動副表面，形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)膜從而達(dá)到更好的減摩效果。本研究采用某國六排放六缸發(fā)動機(jī)，其參數(shù)為排量7.8 L、額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min、額定功率為252 kW；對其穩(wěn)態(tài)13工況及WHTC瞬態(tài)工況進(jìn)行測試，重點驗證摩擦改進(jìn)劑對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)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(jié)果的影響；試驗油為3種：1） 不含摩擦改進(jìn)劑油樣；2） 含原有摩擦改進(jìn)劑油樣；3） 含全新摩擦改進(jìn)劑油樣。試驗結(jié)果如圖1所示，可見，全新開發(fā)的摩擦改進(jìn)劑對提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的效果最好，燃油經(jīng)濟(jì)在穩(wěn)態(tài)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(jìn)劑相比，在發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性測試中，全新摩擦改進(jìn)劑能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高約0.2%。

2 低粘度節(jié)能型潤滑油對燃油經(jīng)濟(jì)性影響

發(fā)動機(jī)主要運(yùn)動副零件所處的潤滑狀態(tài)有3種：1）主軸瓦、連桿瓦處的運(yùn)動副基本屬于流體潤滑狀態(tài)；2）缸套-活塞組件間的運(yùn)動副屬于流體潤滑與混合潤滑共存的狀態(tài)；3） 凸輪以及氣門閥系處的運(yùn)動副基本屬于邊界潤滑狀態(tài)[11]。

2.1 發(fā)動機(jī)軸瓦軸承摩擦損失功分析

發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的曲軸、連桿與軸瓦之間主要為流體潤滑狀態(tài)，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[12]。

其中：W為摩擦損失功；L為橫向?qū)挾?；H為縱向?qū)挾?；D為軸承直徑；ω為軸承轉(zhuǎn)速；η為潤滑油粘度；c為徑向間隙；F為承載負(fù)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。

2.2 發(fā)動機(jī)活塞與缸套摩擦損失功分析

發(fā)動機(jī)缸套-活塞組件間的運(yùn)動副潤滑狀態(tài)較為復(fù)雜。發(fā)動機(jī)活塞組件在缸套內(nèi)運(yùn)動時，處于流體潤滑狀態(tài)；活塞運(yùn)動到上止點附近時，活塞與缸套的潤滑狀態(tài)從流體潤滑逐步變?yōu)榛旌蠞櫥?，最后完全變?yōu)檫吔鐫櫥?。油膜厚度、摩擦平均有效壓力、摩擦損失功可用式（3）—式（5）[12]表示：

其中：dmin為最小油膜厚度；v為在特定轉(zhuǎn)角下的活塞運(yùn)動速度；η為潤滑油黏度；pMEP為摩擦平均有效壓力。F為活塞環(huán)背面負(fù)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(dāng)機(jī)油粘度過度降低，會使得上止點附近的油膜厚度過小，導(dǎo)致更多的混合潤滑、邊界潤滑，甚至干摩擦的產(chǎn)生，導(dǎo)致磨損加劇[12]。

綜上，過度降低潤滑油的粘度會降低油膜厚度，從而對發(fā)動機(jī)的可靠性造成影響。因此，臺架試驗開始前需要利用計算機(jī)輔助工程 （computer aided engineering，CAE）進(jìn)行低粘度潤滑油的彈性流體動力學(xué)（elastohydrodynamic，EHD）油膜厚度計算，主要使用潤滑油運(yùn)動粘度、密度、比熱容等參數(shù)進(jìn)行油膜厚度的模擬計算，驗證是否滿足設(shè)計使用要求。發(fā)動機(jī)零件設(shè)計、模擬計算時對于相同配方和質(zhì)量等級的潤滑油，通常是選取較低的粘度級別進(jìn)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(jìn)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(xiàn)實使用情景進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性對比。本研究中以某六缸國六發(fā)動機(jī)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(shù)如表1所示。

表1 計算參比油與兩種試驗油的參數(shù)

2.3 主軸瓦EHD油膜厚度計算

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

2.4 連桿瓦EHD油膜厚度計算

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(jī)油的連桿瓦EHD最小油膜厚度（dmin），可見圖3a；FA/5W和CJ/10W機(jī)油的油膜厚度都能滿足發(fā)動機(jī)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，只是前者比后者有所降低，最大降低幅度（Δdmin）為12.2%，具體見圖3b；每缸dmin變化幅度的差異，是由于每缸軸瓦受力規(guī)律不一樣，曲軸、軸瓦變形也不一樣造成的。

2.5 臺架穩(wěn)態(tài)萬有特性測試

為驗證新研制的新一代低粘度節(jié)能型機(jī)油的實際使用效果，采用本公司研發(fā)的某六缸國六重負(fù)荷柴油機(jī)（CAE計算模型機(jī)型）進(jìn)行臺架驗證試驗，工況采用萬有特性循環(huán)測試。同時研制的低粘度節(jié)能型機(jī)油FA-4/5W30滿足FA-4規(guī)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(shù)據(jù)的有效性，同時每次試驗還要進(jìn)行沖洗，減少前一次試驗的機(jī)油殘留。雖然高溫高剪切粘度值越低，潤滑油的節(jié)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(jié)能效果，同時也可以兼顧抗磨損性。

進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的萬有特性試驗和瞬態(tài)WHTC循環(huán)測試驗證低粘度潤滑油的節(jié)能效果，試驗過程中將發(fā)動機(jī)出水溫度控制在90（±1）℃，試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。從萬有特性測試試驗數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)濟(jì)區(qū)域使用FA-4/5W30機(jī)油的比油耗為198 g/（kWh），比使用CJ-4/15W40機(jī)油的比油耗200 g/（kWh）降低了2 g/（kWh）；從WHTC測試數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)A-4/5W30機(jī)油的循環(huán)油耗為224.2 g/（kWh）比CJ-4/15W40機(jī)油的循環(huán)油耗有所降低，并且CJ-4/15W40機(jī)油前后2次測試的誤差0.125%，誤差在允許范圍內(nèi)。總體來看使用FA-4/5W30機(jī)油比使用CJ-4/15W40機(jī)油的平均油耗能降低約1%。

3 低粘度潤滑油對可靠性的影響

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

表2 可靠性試驗邊界條件

3.1 機(jī)油壓力測試結(jié)果

在進(jìn)行可靠性試驗前、試驗后分別測量了發(fā)動機(jī)的機(jī)油壓力及活塞漏氣量，以評價使用FA-4/5W30低粘度機(jī)油對發(fā)動機(jī)實際可靠性指標(biāo)的影響，測試結(jié)果如圖5所示。

測試結(jié)果表明：可靠性試驗后的機(jī)油壓力略有降低約20 kPa，活塞漏氣量略有增加，說明發(fā)動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了一定程度的磨損，但是機(jī)油壓力、活塞漏氣量變化值均還在指標(biāo)范圍內(nèi)。

3.2 機(jī)油消耗量測試結(jié)果

為了評價使用低粘度機(jī)油是否會導(dǎo)致機(jī)油消耗量惡化，在可靠性試驗前、試驗后，及試驗過程都對機(jī)油消耗量進(jìn)行了測試，試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

測試結(jié)果表明：可靠性試驗前（0 h）、試驗中 （250 h）、試驗后（500 h）的機(jī)油消耗量試驗測試結(jié)果呈現(xiàn)增長的趨勢，但在指標(biāo)（機(jī)燃比≤ 0.08%）范圍內(nèi)。

3.3 軸瓦、活塞環(huán)磨損檢測結(jié)果

為了評價使用低粘度機(jī)油是否能夠滿足運(yùn)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(guān)鍵運(yùn)動副零部件的重量（G）。關(guān)鍵運(yùn)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(huán)的重量失重≤ 0.8 g。

測試結(jié)果表明：可靠性試驗后主軸瓦、連桿瓦、活塞環(huán)等零件都存在不同程度的失重情況，說明發(fā)動機(jī)運(yùn)動副零件發(fā)生了磨損，但是失重情況都還在指標(biāo)范圍內(nèi)，并沒有發(fā)生異常磨損。

3.4 可靠性試驗舊油檢測結(jié)果

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

3.4.1 粘度的變化

在100 ℃時，運(yùn)動粘度變化率 （Δη）數(shù)據(jù)如圖8所示，運(yùn)動粘度變化平穩(wěn)，隨著試驗進(jìn)行過程中煙炱含量的增長，粘度也出現(xiàn)了增長，但都維持在指標(biāo)范圍內(nèi)，運(yùn)動粘度變化率指標(biāo)為： -20% ≤ Δη≤ 20%。

3.4.2 抗氧化硝化性能

氧化值、硝化值體現(xiàn)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(yīng)機(jī)油的老化程度可以評價機(jī)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(jìn)行都出現(xiàn)了增長，但變化較為平穩(wěn)，都維持在指標(biāo)范圍內(nèi)，氧化值、硝化值指標(biāo)為≤ 25 A/cm。

3.4.3 酸值TAN和堿值TBN的變化

酸值、堿值變化可以顯示潤滑油抗氧化性能的變化，是基礎(chǔ)油老化氧化及添加劑劣化程度的重要指標(biāo)。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(zhì)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(shù)據(jù)可以監(jiān)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(xiàn)異常的變化，說明油品具有優(yōu)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(xiàn)異常的變化，說明油品具有優(yōu)良的堿值保持性能及抗老化氧化性能。

3.4.3 金屬元素含量的變化

發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中，各運(yùn)動副零件始終都會產(chǎn)生一定程度的磨損，同時，潤滑油氧化變質(zhì)及煙炱等污染物的混入也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)各零部件的磨損。通過檢測各金屬元素含量的變化可以監(jiān)控發(fā)動機(jī)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(wěn)。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(zhì)量問題導(dǎo)致凸輪軸襯套前期有一些磨損，但總體保持平穩(wěn)。銅元素增長較大，這是由于發(fā)動機(jī)部分零件使用了銅材質(zhì)的焊料，運(yùn)行過程中銅元素可能會被析出從而導(dǎo)致銅元素增長，并且試驗結(jié)束后對發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆檢分析，并未發(fā)現(xiàn)有異常磨損。

綜上，全新開發(fā)的FA-4/5W30低粘度機(jī)油抗磨損性能能夠滿足發(fā)動機(jī)的基本使用性需求。

4 結(jié) 論

隨著國家逐步推出越來越嚴(yán)格的油耗法規(guī)，對柴油發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性需求也越來越重要，節(jié)能技術(shù)愈來成為發(fā)動機(jī)最核心和關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文研究了全新開發(fā)的復(fù)合水楊酸基摩擦改進(jìn)劑配方的FA-4/5W30低粘度節(jié)能型機(jī)油，采用計算機(jī)輔助工程（CAE）計算得到的油膜厚度能夠滿足設(shè)計要求，同時使用全新的某六缸國六重負(fù)荷柴油機(jī)進(jìn)行臺架燃油經(jīng)濟(jì)性測試和可靠性耐久驗證試驗。結(jié)果表明: 該FA-4/5W30機(jī)油可以有效提升燃油經(jīng)濟(jì)性，同時滿足發(fā)動機(jī)的基本使用性需求，與添加原有摩擦改進(jìn)劑相比，全新摩擦改進(jìn)劑能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高約0.2%；該機(jī)油節(jié)油效果顯著，WHTC循環(huán)油耗降低約1%；該機(jī)油順利通過了兩輪250 h臺架可靠性試驗，試驗后的發(fā)動機(jī)零部件拆檢無異常磨損，舊油檢測在正常范圍內(nèi)。

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