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(chǎng)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(huì)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(shí)施，以及下一階段更嚴(yán)苛油耗限值的壓力，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗、提升燃油經(jīng)濟(jì)性的需求越來(lái)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(shì)在必行。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)副零部件間的潤(rùn)滑狀態(tài)分為流體潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑及邊界潤(rùn)滑。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(rùn)滑狀態(tài)不同而變化。在流體潤(rùn)滑時(shí)，摩擦系數(shù)隨著潤(rùn)滑油粘度的降低而降低，因此，應(yīng)用低粘度潤(rùn)滑油能夠降低摩擦功，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑時(shí)，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(guò)于降低后，運(yùn)動(dòng)副零部件潤(rùn)滑狀態(tài)變?yōu)檫吔鐫?rùn)滑，摩擦系數(shù)也隨之變大，從而造成運(yùn)動(dòng)副零部件磨損嚴(yán)重，最終減少發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性壽命。

 

摩擦改進(jìn)劑的主要作用是降低運(yùn)動(dòng)副間的摩擦系數(shù)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)物理或化學(xué)的形式吸附在運(yùn)動(dòng)副表面，形成一層膜。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副處在邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑時(shí)，摩擦改進(jìn)劑可以充分降低運(yùn)動(dòng)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(dòng)副表面上，并且呈現(xiàn)出直線排列的次級(jí)結(jié)構(gòu)膜來(lái)達(dá)到減摩效果；另外，添加劑在運(yùn)動(dòng)副表面上分解生成化合物，并聚集在運(yùn)動(dòng)副表面的凹處，從而使運(yùn)動(dòng)副表面達(dá)到光滑的狀態(tài)，有效地降低運(yùn)動(dòng)副間的摩擦系數(shù)。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(dòng)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(guó)六排放六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其參數(shù)為排量 7.8L、額定轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min、額定功率為 252 kW；對(duì)其穩(wěn)態(tài) 13 工況及WHTC 瞬態(tài)工況進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)驗(yàn)?zāi)Σ粮倪M(jìn)劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗(yàn)中采用同一配方、同一粘度的潤(rùn)滑油（CJ-4/15W40）以排除潤(rùn)滑油粘度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果如圖1 所示，可見，全新開發(fā)的摩擦改進(jìn)劑對(duì)提高發(fā)動(dòng)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(cè)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(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試中，全新摩擦改進(jìn)劑能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高約0.2%。

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

 

發(fā)動(dòng)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(rùn)滑狀態(tài)，可以通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算出曲軸與軸瓦之間以及連桿與軸瓦之間的摩擦損失功

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(rùn)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(rùn)滑油粘度可以降低曲軸、連桿軸承與軸瓦之間摩擦損失功。

 

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

其中：d min 為最小油膜厚度；v 為在特定轉(zhuǎn)角下的活塞運(yùn)動(dòng)速度；η 為潤(rùn)滑油黏度；p MEP 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(rùn)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(guò)度降低，會(huì)使得上止點(diǎn)附近的油膜厚度過(guò)小，導(dǎo)致更多的混合潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑，甚至干摩擦的產(chǎn)生，導(dǎo)致磨損加劇。

 

綜上，過(guò)度降低潤(rùn)滑油的粘度會(huì)降低油膜厚度，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性造成影響。因此，臺(tái)架試驗(yàn)開始前需要利用計(jì)算機(jī)輔助工程進(jìn)行低粘度潤(rùn)滑油的彈性流體動(dòng)力學(xué)油膜厚度計(jì)算，主要使用潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度、密度、比熱容等參數(shù)進(jìn)行油膜厚度的模擬計(jì)算，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)使用要求。發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)、模擬計(jì)算時(shí)對(duì)于相同配方和質(zhì)量等級(jí)的潤(rùn)滑油，通常是選取較低的粘度級(jí)別進(jìn)行計(jì)算與分析，即低粘度級(jí)別能滿足要求則高粘度級(jí)別同樣能滿足。因此，選取較低粘度級(jí)別的CJ-4/10W30 作為參比油進(jìn)行模擬計(jì)算，而臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)選取目前市場(chǎng)上常用的 CJ-4/15W40粘度級(jí)別作為參比油，以便更好地與現(xiàn)實(shí)使用情景進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。本研究中以某六缸國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)為計(jì)算模型，分別計(jì)算 FA-4/5W30 和 CJ-4/10W30 潤(rùn)滑油的油膜厚度。各潤(rùn)滑油主要參數(shù)如表1所示。

主軸瓦的最小油膜厚度（d min ）可用來(lái)表征曲軸與軸瓦間的潤(rùn)滑情況，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的油膜厚度標(biāo)準(zhǔn)為＞ 0.5 µm。EHD 計(jì) 算 結(jié) 果 顯 示：FA-4/5W30 和 CJ-4/10W30（簡(jiǎn)稱為 FA/5W、CJ/10W，下同）機(jī)油的油膜厚度都能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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（Δd min ）為 9.60%，具體見圖 2b；因?yàn)槊扛纵S瓦受力規(guī)律不一樣，曲軸、軸瓦變形也不一樣，所以計(jì)算結(jié)果每缸主軸瓦 EHD 油膜厚度的變化幅度會(huì)有差異。

 

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(rùn)滑情況。EHD 計(jì)算得到 FA/5W 和CJ/10W 機(jī)油的連桿瓦 EHD 最小油膜厚度（d min ），可見圖 3a ；FA/5W 和 CJ/10W 機(jī)油的油膜厚度都能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，只是前者比后者有所降低，最大降低幅度（Δd min ）為12.2%，具體見圖 3b；每缸 d min 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。

為驗(yàn)證新研制的新一代低粘度節(jié)能型機(jī)油的實(shí)際使用效果，采用本公司研發(fā)的某六缸國(guó)六重負(fù)荷柴油機(jī)（CAE 計(jì)算模型機(jī)型）進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，工況采用萬(wàn)有特性循環(huán)測(cè)試。同時(shí)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(jí)為 5W30。為評(píng)估測(cè)量的精度，選用的參比油前后各測(cè)量1次，確保數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)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。雖然高溫高剪切粘度值越低，潤(rùn)滑油的節(jié)能效果越好，但是過(guò)低會(huì)造成過(guò)度磨損。因此，采用滿足 FA-4 級(jí)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(shí)也可以兼顧抗磨損性。進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的萬(wàn)有特性試驗(yàn)和瞬態(tài) WHTC 循環(huán)測(cè)試驗(yàn)證低粘度潤(rùn)滑油的節(jié)能效果，試驗(yàn)過(guò)程中將發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制在 90（±1）℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 4 所示。從萬(wàn)有特性測(cè)試試驗(yàn)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(cè)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(cè)試的誤差 0.125%，誤差在允許范圍內(nèi)?？傮w來(lái)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%。

潤(rùn)滑油粘度降低會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力、機(jī)油密度和比熱容，降低油膜厚度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性造成影響。因此，低粘度潤(rùn)滑油要通過(guò)搭載發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)量可靠性前后機(jī)油壓力、活塞漏氣量以及關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副零件的磨損程度，采用舊油檢測(cè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定 FA-4/5W30 低粘度機(jī)油性能是否通過(guò)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)考核，相關(guān)的可靠性試驗(yàn)邊界參數(shù)見表 2 所示。

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)前、試驗(yàn)后分別測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力及活塞漏氣量，以評(píng)價(jià)使用 FA-4/5W30 低粘度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際可靠性指標(biāo)的影響，測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。

測(cè)試結(jié)果表明：可靠性試驗(yàn)后的機(jī)油壓力略有降低約 20 kPa，活塞漏氣量略有增加，說(shuō)明發(fā)動(dòng)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)。

 

為了評(píng)價(jià)使用低粘度機(jī)油是否會(huì)導(dǎo)致機(jī)油消耗量惡化，在可靠性試驗(yàn)前、試驗(yàn)后，及試驗(yàn)過(guò)程都對(duì)機(jī)油消耗量進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 6 所示。測(cè)試結(jié)果表明：可靠性試驗(yàn)前（0 h）、試驗(yàn)中 （250h）、試驗(yàn)后（500 h）的機(jī)油消耗量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但在指標(biāo)（機(jī)燃比≤ 0.08%）范圍內(nèi)。

為了評(píng)價(jià)使用低粘度機(jī)油是否能夠滿足運(yùn)動(dòng)副零部件的使用要求，分別測(cè)量了可靠性試驗(yàn)前、試驗(yàn)后關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副零部件的重量（G）。關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副零部件在試驗(yàn)前、試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果表明：可靠性試驗(yàn)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(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)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。

 

 

整個(gè)可靠性試驗(yàn)過(guò)程都對(duì)機(jī)油油樣進(jìn)行了抽樣（每隔 50 h 取樣一次）、檢測(cè)，以隨時(shí)監(jiān)控機(jī)油性能變化、及發(fā)動(dòng)機(jī)磨損情況。

 

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

氧化值、硝化值體現(xiàn)了潤(rùn)滑油抗氧化、抗硝化的性能。因此，檢測(cè)氧化值、硝化值可以直接反應(yīng)機(jī)油的老化程度可以評(píng)價(jià)機(jī)油的可靠性程度。如圖 9 是試驗(yàn)油的氧化值、硝化值變化曲線，如圖所示，試驗(yàn)中試驗(yàn)油的氧化值、硝化隨著試驗(yàn)的進(jìn)行都出現(xiàn)了增長(zhǎng)，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。

酸值、堿值變化可以顯示潤(rùn)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(guò)程中，潤(rùn)滑油受到高溫氧化作用，加上燃燒過(guò)程中酸性物質(zhì)混入，會(huì)使油品的酸值增大，從而造成零部件腐蝕，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)加劇零部件的磨損、加快油品老化等問題。通過(guò)酸、堿值數(shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的老化、氧化程度。試驗(yàn)過(guò)程中的酸值、堿值變化情況見圖10。從圖10 可見，試驗(yàn)過(guò)程中酸值、堿值沒有出現(xiàn)異常的變化，說(shuō)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(yàn)過(guò)程中酸值、堿值沒有出現(xiàn)異常的變化，說(shuō)明油品具有優(yōu)良的堿值保持性能及抗老化氧化性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，各運(yùn)動(dòng)副零件始終都會(huì)產(chǎn)生一定程度的磨損，同時(shí)，潤(rùn)滑油氧化變質(zhì)及煙炱等污染物的混入也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的磨損。通過(guò)檢測(cè)各金屬元素含量的變化可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損程度。試驗(yàn)中試驗(yàn)油的金屬元素（Fe、Cu、Al）變化情況見圖11。由圖12可見，試驗(yàn)油在使用過(guò)程中金屬元素含量總體變化平穩(wěn)。鋁元素在 250~500 h 時(shí)含量較高，主要是因?yàn)樵?250 h 時(shí)更換了凸輪軸考核件，由于臺(tái)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(zhǎng)較大，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)部分零件使用了銅材質(zhì)的焊料，運(yùn)行過(guò)程中銅元素可能會(huì)被析出從而導(dǎo)致銅元素增長(zhǎng)，并且試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的基本使用性需求。

 

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(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）計(jì)算得到的油膜厚度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使用全新的某六缸國(guó)六重負(fù)荷柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試和可靠性耐久驗(yàn)證試驗(yàn)。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(shí)滿足發(fā)動(dòng)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(guò)了兩輪 250 h臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件拆檢無(wú)異常磨損，舊油檢測(cè)在正常范圍內(nèi)。