柳国立 韩俊楠 桃春生 贺占忠 谭昭波

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

低粘度润滑油对发动机燃油经济性及可靠性影响的研究

柳国立 韩俊楠 桃春生 贺占忠 谭昭波

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

从燃油经济性及可靠性两方面详细研究了匹配低粘度润滑油对CA4GA5发动机整机的影响。燃油经济性主要通过台架反拖测量摩擦功及整车NEDC循环试验进行评价，通过验证证明采用低粘度润滑油具备1%～2%的节油空间；通过对整机性能、润滑油压力、漏气量、润滑油消耗量及轴承磨损等进行评价，用于确定采用低粘度润滑油对整机可靠性的影响。

1 前言

随着第3阶段乘用车油耗法规实施的日益临近，目前国内各品牌制造商都开展了降低油耗方法的相关研究，其中通过降低整机摩擦功而实现节油受到了越来越多的重视，而采用低粘度润滑油[1]能够对降低整机摩擦功起到立竿见影的效果。然而，润滑油粘度对整机可靠性起着至关重要的作用，因此如何在不影响可靠性的前提下最大限度的优化润滑油粘度成为需要研究的重要内容。

本文通过对CA4GA5发动机进行润滑油粘度对燃油消耗量及可靠性影响的相关研究与试验，对整机润滑油匹配工作进行初步探索。

2 润滑油粘度选择的基本依据

Stribeck曲线[2]是一个被广泛熟知的摩擦理论，如图1所示。润滑状态分为压力润滑、混合润滑及边界润滑3种形式。当施加的力（F）和相对速度（V）保持一定时，随着润滑油粘度（η）的降低，润滑状态的变化顺序由压力润滑（Ⅲ）到混合润滑（Ⅱ）再到边界润滑（Ⅰ）。

图1也表达了摩擦系数随润滑状态的变化趋势。在压力润滑情况下，摩擦系数随着粘度的降低而减小，这也是应用低粘度润滑油能够降低摩擦功的主要理论依据；当粘度降低到一个临界点后，润滑状态变为混合润滑或者边界润滑，从而使摩擦系数迅速增大，此时不仅不会降低摩擦功，反而会造成运动件磨损加剧，最终导致整机可靠性无法保证等问题。

结合图1，可知发动机主要运动部件所处的润滑状态如下：

a.主轴承、连杆轴承、凸轮轴承均处于压力润滑范围内；

b.缸筒、活塞环组成的摩擦副则介于压力润滑与混合润滑之间；

c.链条、凸轮以及阀系则介于混合润滑与边界润滑之间。

对发动机润滑油来讲，低粘度和摩擦改进剂（FM）是获取燃油经济性的两个关键因素。

通过上述分析，得出采用低粘度润滑油需要关注以下几个方面：

a.轴承磨损。由于降低润滑油粘度可能造成轴承油膜厚度降低，因此必须验证轴承是否会出现异常磨损；

b.润滑油消耗量增加。因为低粘度润滑油包含更多的小分子，所以挥发量更多，因此随着润滑油消耗量的增加，需要特别关注该问题；

c.加工精度。由于国内部件加工精度较差，因此需要验证低粘度润滑油是否能够适应国内加工精度。

3 低粘度润滑油对燃油经济性的影响

3.1 发动机基本参数

试验搭载的是型号为CA4GA5的发动机，其基本参数如表1所列。

表1 发动机基本参数

3.2 台架反拖摩擦功试验

3.2.1 台架反拖摩擦功测试方法

台架测量整机摩擦功主要是通过电力测功机反拖发动机的方法进行的。

需要注意的是，在试验时，不允许增加润滑油辅助循环系统，所以试验前在增加润滑油加热装置时，一定要确定油面的变化不会影响整机摩擦功。

3.2.2 润滑油主参数

试验主要对比的是现生产采用的SL级10 W-30和SM级0 W-20两种润滑油，油样的元素含量对比见表2，粘温曲线如图2所示。

表2 不同油样元素含量对比μg/g

从两组油样元素含量以及粘温曲线对比结果可以看出，除了粘度等级不同外，SM级0W-20机油还添加了以钼化合物为主的摩擦改进剂，用于优化处于混合润滑以及边界润滑时摩擦表面的摩擦系数。

3.2.3 试验结果

通过台架反拖摩擦功试验得到的试验结果如图3所示。从试验结果可以看出，在不同发动机转速、不同润滑油温度工况下（通过外接水恒温装置，将水温控制在85±5℃范围内），采用0W-20润滑油均能够降低整机摩擦功，尤其在1 000～3 000 r/min（乘用车常用工况）时降幅尤为明显，可达到2.7%～5.9%。

3.3 整车NEDC循环试验

在完成整机摩擦功试验后，为了进一步验证整车节能情况，通过A130整车搭载CA4GA5发动机进行NEDC循环试验，试验结果如图4所示。通过试验可以看出，采用0 W-20润滑油后，整车NEDC循环下的油耗能够降低1.5%～2%，从而证明低粘度润滑油有助于改善油耗。

4 低粘度润滑油对可靠性的影响

4.1 轴瓦油膜厚度校核

5．药敏纸片试验结果见表2。药敏纸片试验结果表明敏感的药物依次是：头孢菌素、环丙沙星；中度敏感的依次是：青霉素和卡那霉素；而对土霉素、链霉素、庆大霉素具有抗药性。

在进行可靠性试验前，首先针对不同粘度润滑油对轴瓦油膜厚度进行校核，校核结果如图5、图6所示。

通过分析结果可以看出，采用低粘度润滑油后，无论主轴承还是连杆轴承，油膜厚度都明显减小，接近评价指标，但需通过试验进行进一步验证。

4.2 可靠性试验边界条件控制

低粘度润滑油对可靠性影响主要通过搭载本公司标准可靠性台架试验规范进行验证，通过评价整机性能、油压、漏气量、机油消耗量以及轴瓦磨损来判定试验是否通过。

为了能够准确的验证润滑油对可靠性的影响，需要对试验时的润滑油加注量、油温、换油周期、功率、扭矩、水温以及外循环进行设定，具体见表3。

表3 可靠性试验边界条件

4.3 可靠性试验结果

4.3.1 整机性能影响

针对不同油品进行功率及油耗对比试验，结果如图7、图8所示。从对比试验结果可以看出，采用0 W-20润滑油后，整机功率、油耗基本无变化，其主要与试验工况有关，在进行外特性数据测量时，一般都是在水温85℃、油温100℃边界下（与NEDC工况有较大差异）进行，此时通过采用低粘度润滑油降低的摩擦功相对较小，同时由于发动机处于全负荷工况，摩擦功所占的比例相对于整车NEDC工况（发动机主要工况为部分负荷）下要小很多，因此此时节油效果几乎体现不出来。

4.3.2 润滑油压力试验结果

在进行可靠性试验前、后分别进行润滑油压力及漏气量的试验，以评价整机磨损对发动机可靠性的影响。试验结果如图11、图12所示。

通过试验结果可以看出，可靠性试验后润滑油压力降低、漏气量明显增加，说明整机产生一定程度的磨损，但润滑油压力、漏气量均未达到试验规范中限值的要求。

4.3.3 润滑油消耗量试验结果

在进行可靠性试验的同时，检测整机润滑油消耗量的变化，并通过与参比油对比，评价润滑油消耗量是否满足要求。润滑油消耗量试验结果如图13所示。

通过试验结果可以看出，采用低粘度润滑油后其消耗量有一定增加，但试验结束时的润滑油消耗量仅为0.53‰，远小于国际标准3‰的要求。

4.3.4 轴瓦磨损试验结果

可靠性试验前、后分别测量主轴瓦、连杆轴瓦的质量，以此来评价降低粘度后油膜厚度是否能够满足轴瓦工作要求。

主轴瓦、连杆轴瓦失重对比如图14、图15所示，可以看出，相对于SL级10W-30机油，采用SM级0W-20润滑油后主轴瓦、连杆轴瓦失重虽然有一定增加，但处于正常范围内，因此降低粘度后的油膜厚度仍满足要求。

5 结束语

通过搭载CA4GA5发动机及A130整车进行低粘度润滑油燃油对经济性及整机可靠性验证，可以得出以下结论：

a.采用低粘度润滑油后，整机摩擦功有明显改善，在1000～3000r/min时降幅更为明显，达到2.7%～5.9%；在NEDC工况下，整车燃油消耗量降低1%～2%。

b.采用0W～20润滑油相对于现生产10W～30润滑油对发动机整机性能影响不大，可靠性试验结束后，主要指标（性能、油压、漏气量）均满足要求。

c.采用低粘度润滑油后，润滑油消耗增加量在正常范围内。

d.采用低粘度润滑油后，不会出现由于油膜厚度降低而导致轴瓦异常磨损的现象。

通过本次研究可以证明，0 W-20粘度的润滑油完全能够满足一汽集团自主研发的TA1系列自然吸气发动机的要求。

1Kobayashi N.，Suzuki T.，karmoka R.，etal.Study of Future Engine Oil(First Report):Future Engine Oil Scenario.SAE Technical Paper，2007-01-1997.

2Yosuke Okuyama，Daichi Shimokoji，Takayuki Sakurai，etal. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability.SAE，2011-01-1247.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2013年11月1日。

Impact Study of Low Viscosity Lubricating Oil on Engine Fuel Economy and Reliability

Liu Guoli，Han Junnan，Tao Chunsheng，He Zhanzhong，Tan Shaobo
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

This article studies in details the effect of low-viscosity lubricating oil on fuel efficiency and reliability of engine CA4GA5.The fuel economy is mainly evaluated through the reverse-drag friction work measurement and NEDC test.The results prove that low-viscosity engine oil contributes to oil-saving of about 1%～2%.The engine performance，oil pressure，gas leakage，lubricant oil consumption and bearing wear are evaluated to confirm the effect of low-viscosity oil on engine reliability.

Low viscosity lubricating oil,Fuel economy,Reliability

低粘度润滑油燃油经济性可靠性

U461.8

：A

：1000-3703(2014)01-0054-04