涡轮增压发动机用0W-20润滑油减摩性能研究*
时间：2023-03-23 18:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
莫易敏 孔祥馗 洪 叶 王 骏 覃 瑜
(1.武汉理工大学机电工程学院 湖北武汉 430070；
2.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 545007)
由于全球环境恶化以及石油能源短缺，世界各国出台了严苛的油耗和排放法规，节能减排已成为汽车工业研发的一个关键驱动力。
目前，传统燃油车仍是市场主体，属于降油耗研究的重点。在众多燃油车降耗方案中，提升润滑油性能可以在较低的成本、较小的改动条件下提升整车燃油经济性[1]。另外，涡轮增压技术可回收排气能量，提高循环热效率，改善燃油经济性，相比于自然吸气发动机，涡轮增压发动机得到广泛的应用。因此，研究润滑油对涡轮增压发动机燃油经济性的影响对于节能减排意义重大。
通过提升发动机润滑油性能来降低油耗主要有2种途径：一是通过降低润滑油黏度来降低流体动力摩擦；
二是通过添加摩擦改性剂来降低边界摩擦。MOODY等[2]使用MTM试验机研究了梳状和星型2种聚合物摩擦改进剂对0W-20发动机润滑油摩擦性能的影响。SAGAWA等[3]通过优化基础油和使用二烷基二硫代甲酸钼(MoDTC)调配了SAE16发动机润滑油，并对其减摩抗磨性能进行研究。郝丽春等[4]利用SRV-IV 试验机和3D光学表面轮廓仪研究了MoDTC、无灰减摩剂油酸甘油酯(GMO)和油酸酰胺对0W-16基础油摩擦磨损性能的影响。OKUDA等[5]使用GTL基础油和MoDTC调配了0W-8超低黏度润滑油，并对其减摩抗磨性能进行了研究。KOCSIS等[6]研究了0W-8超低黏度润滑油及摩擦改性剂对燃油经济性的影响。
但是，目前的研究主要集中在各种单剂对低黏度润滑油性能的改善，对于不同添加剂复配效果的研究较少。此外，大多数研究采用的是标准摩擦模拟试验，这与摩擦副真实接触条件差异较大，尤其是针对涡轮增压发动机，其工作时的压力、温度及动力密度都大幅升高，标准摩擦模拟试验无法准确评估低黏度润滑油的减摩性能。
本文作者针对某国产涡轮增压发动机，调配了5种0W-20低黏度发动机润滑油，使用真实环套摩擦副试样进行往复摩擦模拟试验，测试润滑油的减摩效果；
通过整车油耗试验测试不同润滑油的燃油经济性，分析润滑油黏度与不同添加剂配合时的燃油经济性提升程度。此外，通过比较摩擦模拟实验的结果与整车油耗结果，评估了使用真实摩擦副的环套摩擦模拟试验能否作为快速测定润滑油降耗的方法。
针对某国产涡轮增压发动机，以其原厂油样(5W-30)作为基准油(Baseline Oil,BO)，调配了不同配方的5种的0W-20润滑油。为了评估润滑油黏度对燃油经济性的影响，在原厂油样配方的基础上调整黏度等级为0W-20，作为1号油样。
在润滑油配方中，摩擦改进剂对燃油经济性的影响最为重要，其中，MoDTC摩擦改进剂有助于降低边界润滑状态下的摩擦[7]，硼类添加剂具有一定的减摩效果[8]，作为一种环保型添加剂具有广泛应用前景。在硼类添加剂中，硼酸盐类清净剂具有增稠效果小，氧化稳定性好的优点[9]。因此，为探讨MoDTC与硼酸盐类清净剂复配对润滑油减摩性能以及发动机燃油经济性的影响，通过添加不同剂量的MoDTC和硼酸盐类清净剂，调配了4种0W-20油样(2～5号油样)。在调配这4种油样配方的过程中，考虑到以下几点：
(1)由于涡轮增压发动机容易产生LSPI现象，导致爆震，严重时甚至会损坏发动机[10]。然而LSPI会随着Ca含量的增加而增加[11]，因此，所有低黏度油样均采用Ca-Mg系清净剂。
(2)ZDDP不仅具有很好的抗氧抗腐性，而且还具有良好的极压抗磨性，对于LSPI也具有抑制作用。但是由于目标发动机配有三元催化器，而磷含量过高会造成汽油发动机后处理系统中的催化剂中毒，缩短后处理系统的使用寿命。根据SP/GF-6限值要求[12]，对P元素的限值为0.06%～0.08%(质量分数)，试验油样中ZDDP的加剂量均达到上限值。
(3)为减小温度变化时润滑剂的黏度变化，试验油样均采用了PMA类型的黏度指数改进剂。
所有试验油样均采用API III类基础油，油样配方如表1所示，测定各试验油样基本理化参数如表2所示。
表1 试验油样配方
表2 试验油样理化性能
发动机润滑油中添加剂元素含量是表示油品质量和使用性能的重要指标之一。采用ICP-AES分析仪对各油样的微量元素进行定量检测，如表3所示。
表3 试验油样微量元素测定
2.1 试验设备及方案
活塞环-缸套摩擦副产生的摩擦损失约占发动机总摩擦损失的50%以上[13]，是内燃机中最为关键的摩擦副，对发动机燃油经济性的影响至关重要。文中使用真实发动机零件的活塞环和气缸套试样，模拟实际活塞环-缸套摩擦副在止点附近的工作环境和润滑状态，使用Cameron-Plint TE77往复试验机研究各油样在关键工况下的摩擦性能。摩擦模拟试验台及活塞环-缸套摩擦副布置示意图分别如图1(a)和(b)所示。图1(c)所示为活塞环和缸套摩擦副试样，其中活塞环试样为使用电火花线切割机截取的发动机部分油环实体(约50 mm)，缸套试样为截取的发动机部分缸套实体(约30 mm×20 mm)。
试验以活塞环为动试样，缸套为定试样。动试样固定在托架内，相对于下面的定试样做往复运动，定试样置于不锈钢油池内，加入约15 mL的试验油样浸没缸套。根据该涡轮增压发动机的关键工况(2 000 r/min，0.2 MPa)以及活塞环-缸套的工作环境以润滑状态，测试选取的载荷、频率以及油温等参数如表4所示。载荷直接施加在动试样上，从20 N开始线性加载到100 N，加载时间为20 min，达到设定载荷后，保持恒定载荷运行20 min。试验测量了整个过程中的摩擦因数和接触电势，比较不同油样的摩擦性能和成膜能力。
每次试验前，使用压力膜检查活塞环和缸套的一致性。为避免油样的携带效应，需在250 N和1 Hz下用待测试油样进行60 min的洗涤程序。在每次测量前，都要对活塞环和气缸套样品进行一定时间的磨合。
图1 活塞环-缸套摩擦试验台架及试样
表4 活塞环-缸套试验参数
2.2 试验结果及分析
环套摩擦模拟试验获得的各油样的摩擦因数变化曲线，如图2所示。随载荷逐渐升高，在磨合阶段(0～20 min)只有BO和1号油样的摩擦因数逐渐升高，其他4种油样的摩擦因数并没有明显变化；
在稳定阶段(20～40 min)，各油样的摩擦因数均处于稳定状态。
图2 各油样润滑下的摩擦因数曲线
计算得到的各油样在20～40 min的平均摩擦因数及相对于BO的减摩效果如图3所示。可知，相比于BO，5种润滑油均具有一定的减摩效果。其中仅降低黏度的1号油样的减摩效果较差，不到10%；
而使用含有MoDTC的润滑油(2～5号油样)具有更为明显的减摩效果，均在40%以上。这是因为降低黏度仅仅可以改善流体润滑区的摩擦，而添加MoDTC后，在边界润滑区MoDTC发生了分解，在摩擦副表面生成MoS2、MoO3和FeS 等反应膜，有效降低了摩擦[4]，使得减摩效果的提升更明显。此外，4号油样的减摩效果高于2号油样，即MoDTC加剂量的提高可以提升减摩效果；
3号油样的减摩效果高于2号油样，5号油样的减摩效果略高于4号油样，表明硼酸盐类清净剂增强了MoDTC的减摩效果，二者复配具有协同效果。这是由于硼酸盐型清净剂通过形成硼酸膜促进二硫化钼的形成[9]，有助于减少摩擦。另外，在MoDTC加剂量较低时，硼酸盐类清净剂的促进作用更为明显，与MoDTC复配后的协同效果更强；
在MoDTC加剂量较高时，二硫化钼更容易形成，硼酸盐类清净剂的促进作用相对变弱，因此5号油样的减摩效果与4号油样大致相同。
图3 各油样平均摩擦因数及相对于BO的减摩效果
环套模拟试验能够发现各油样在摩擦性能方面的差异。然而，由于相对速度、负载、几何形状等运行条件的差异，在模拟测试中观察到的行为与发动机中的表现不是完全相同。为了测试不同油样在WLTC工况下的燃油经济性提升效果，有必要进行整车油耗试验，直接对发动机润滑油进行性能评估。
3.1 整车油耗测试方法及设备
采用整车转毂台架测试各油样润滑下的真实油耗，测试现场如图4所示。所选用的车辆为某国产SUV车型，搭载文中所研究的1.5 L涡轮增压汽油发动机，车辆参数如表5所示。
图4 整车油耗测试现场
表5 试验车辆参数
油耗测试按照GB 18352.6—2016《轻型车辆排放限值和测量方法》[14]进行，采用WLTC工况，由低速、中速、高速和超高速4个阶段组成，持续时间共1 800 s，行驶距离23.25 km，最高车速131 km/h。其中低速段的持续时间为589 s，中速段的持续时间为433 s，高速段的持续时间为455 s，超高速段的持续时间为323 s。WLTC工况曲线如图5所示。
图5 WLTC循环曲线
在底盘测功机上进行的整车油耗试验涉及的设备较为复杂且含有人为操作的因素，按照国家标准测试结果耦合误差在4%以内即为合格。然而，在国家标准规定的误差范围，不同低黏度润滑油的燃油经济性改善的差异性很难区分[15]，这显然不满足文中测试的需求。为了保证测量结果的一致性和准确性，需要对测试过程各种可控因素进行一致性要求：
(1)由于整车磨合前后的阻力状态存在较大差异，在测试之前，整车需进行磨合3 000 km以上，使整车零部件状态达到稳定。
(2)发动润滑油初始温应保证在(23±0.5)℃以内。
(3)在汽车通电状态下测试蓄电池电压，需要控制在12～12.3 V范围内，驱动轮轮胎压力控制在230 kPa。
(4)所有测试由同一位经验丰富的驾驶员进行，测试着装为某实验中心要求工装。
(5)试验要求环境舱温度为(25±2)℃，绝对湿度(水/干空气)为5.5～12.2 g/kg。
3.2 FEI测试方案
为更准确地比较每种试验油样的燃油经济性提升效果(Fuel Economy Improve，FEI)，避免系统误差，每组测试设定前基准油、试验油和后基准油。此外，由于测试系统标定前后油耗测试结果波动较大，每组测试需要在同一标定周期进行。
试验油样的FEI定义为该油样的平均油耗相对于前后基准油平均油耗的下降百分比，计算公式见式(1)。为了节省时间和成本，若测试连续进行，则后基准油测试结果可作为下一次试验油测试的前基准油测试结果。
(1)
式中：qBO1、qBO2分别为前、后基准油油耗；
qi(i=1,2,…,5)为5种试验油样的油耗。
每种油样的测试由冲洗、预处理和油耗测试3部分组成，具体流程如图6所示。
图6 油样测试流程
(1)冲洗流程：每次进行冲洗前，打开放油螺栓，排空发动机润滑油，并静置30 min。先更换机滤，添加基准/试验润滑油；
之后将发动机转速控制在2 000 r/min左右，运行20 min；
之后将发动机润滑油排空，静置15 min。按上述方式冲洗3次，然后更换机滤，加入新的基准/试验润滑油。需要注意的是，每次加注润滑油应加至油尺中点处。
(2)预处理流程：试验发现，在对同一油样进行多次油耗测试时，第一次的测试结果与其他测试结果差异较大，而其他结果的油耗值基本稳定。分析其原因：一方面可能是更换新的润滑油后，形成新的保护膜是需要一定的时间，另一方面，可能是整车热平衡状态差异导致，即第一次试验前，整车是由冲洗工况运转后，浸车冷却的状态，后续试验前，整车是由测试工况运转后，浸车冷却的状态。因此，每次更换润滑油后，对试验车进行预处理，预处理工况即为测试工况。
(2)
(3)
(4)
3.3 试验结果
3.3.1 试验一致性分析
为了保证试验结果的有效性，准确地测量出各油样的FEI，需要对测试台架的一致性进行分析。定义基准油相对偏移量(Baseline Drift)如式(5)所示，这表示发动机状况随时间的变化[16]。在燃油经济性测试中，发动机在中等条件下运行，多次进行燃油经济性测试可能会获得更好的磨合，使得试验期间后基准油的油耗比前基准油的油耗低，即Baseline Drift一直为正。
(5)
图7显示了按测试运行编号的基准油相对偏移量。各组测试的相对偏移量都在±1.0%范围内。这说明每组测试前后基准油的油耗结果比较稳定。从整体趋势看，略有下降，然而Baseline Drift结果出现在X轴的两侧。基于这些结果，可以得出，发动机磨合效应不显著，整车状态保持一致，试验数据的一致性较好。
对试验得到各油样测试结果，进行统计学方法处理，验证试验结果的有效性。图8所示为使用不同油样的整车油耗及起波动范围。可以看出，各油样测试结果的变异系数在许可范围内，稳定性较好，数据有效。
图7 基准油相对偏移量变化
图8 整车油耗测试结果及波动范围
3.3.2 FEI结果分析
计算各油样的FEI如表6所示，所有0W-20润滑油油样的FEI都显示出优于BO的结果，具有一定的降耗效果。
表6 不同油样FEI比较
由表6可知，1号油样在中低速阶段具有一定的减摩效果，但是在高速阶段，润滑油的减摩效果变差，甚至产生了负优化。分析其原因可能是在高速和超高速阶段，油温不断升高，润滑油变稀，油膜变薄导致微凸体接触，发生边界润滑，摩擦因数反而会增加。相比于1号油样，含有MoDTC的全配方润滑油的FEI值更高，降耗效果更好，且在一定范围内，降耗效果随着MoDTC加剂量的升高而升高。同时，3号油样的FEI高于2号油样，5号油样高于4号油样，这也进一步验证了添加硼酸盐清净剂可以进一步提升MoDTC的减摩效果。此外，含有硼酸盐清净剂的润滑油在低速阶段的FEI较高，这是因为硼元素在摩擦副表面通过电荷的作用而形成沉积膜[17]，改善了低温阶段的润滑条件。
比较环套摩擦模拟试验与整车油耗试验，二者均可以区分出不同润滑油的减摩性能，且试验结果一致。但是环套模拟试验的减摩效果与整车油耗试验的FEI在绝对数值上是存在差异的。因此，设定合适工况的环套摩擦模拟试验可以快速区分润滑油的减摩效果，但无法反映真实的燃油经济性的提升程度。
(1)仅降低润滑油黏度对燃油经济性的改善很小，通过添加剂可以显著改善润滑油的减摩性能。
(2)在一定范围内，MoDTC减摩剂的含量越高，润滑油的减摩效果越好，且在高温高速阶段的燃油经济性提升程度越高。此外，硼酸盐清净剂与MoDTC复配具有协同作用，可以进一步降低发动机摩擦副的摩擦，且在MoDTC加剂量较低时，协同作用更好。
(3)使用真实的环套摩擦副组件，在特定工况下进行摩擦模拟试验，可以快速区分低黏度润滑油的减摩效果，但是无法反映真实的燃油经济性的提升程度。
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