不同黏度潤滑油與冷卻水溫度對發動機性能影響研究*

孔祥恩 姜雪麗 趙令猛 張 釗 吳洋亦 劉海峰

（1-先進內燃動力全國重點實驗室（天津大學）天津 300072 2-山東京博石油化工有限公司3-玉柴機器股份有限公司）

引言

發動機潤滑系統的性能與發動機整機的動力性、經濟性、排放性能以及發動機的壽命息息相關。發動機潤滑系統的性能除了與發動機潤滑系統零部件的設計有關外，還與潤滑油的特性相關[1]。

潤滑油對發動機的重要作用主要體現在6 個方面：潤滑、冷卻、密封、清潔、防銹、緩沖[2]。有效的潤滑能夠減少摩擦功，提高發動機熱效率和可靠性。潤滑油黏度是影響發動機性能最關鍵的因素之一，它直接影響發動機零部件的磨損、燃油消耗量和發動機使用壽命。潤滑油的黏度過大，會引起發動機起動困難、曲軸轉動阻力增大、冷卻效果和清潔效果變差等問題，使發動機磨損加大、燃油消耗率升高和功率下降；黏度過小，會引起油膜變薄，導致機件磨損增加、氣缸漏氣、潤滑油消耗量增加和燃油消耗率升高等問題[3]。研究表明，在保證發動機良好潤滑的情況下，采用低黏度潤滑油具有一定的節油效果[4]。

發動機運行過程中，潤滑油會通過缸內蒸發、竄氣等方式進入燃燒室，與燃油一起燃燒，從而影響發動機排放性能[5-8]。張武高等[9]研究了潤滑油的基礎油特性、蒸發損失率以及潤滑油溫度和發動機負荷等運轉參數對柴油機顆粒物排放的影響。結果表明，通過降低潤滑油的灰分含量、降低蒸發損失率、降低潤滑油溫度和增加發動機負荷，可以減少顆粒物排放量。Froelund K.等[10]對比研究了3 種潤滑油。結果發現，合成潤滑油的平均顆粒排放總量比礦物潤滑油降低了18%。王月森等[11]研究發現，潤滑油基礎油的黏度對發動機動力性、經濟性和排放性能有直接影響，小黏度的基礎油會導致發動機功率損失增加、未燃HC排放增加，但對NOx和CO 排放的影響較小。由于潤滑油揮發性及熱特性的差異，潤滑油基礎油對發動機排放尤其是顆粒物排放有明顯的影響。皮恒志等[12]研究發現，怠速和低速中低負荷工況下，潤滑油消耗量會增加，導致顆粒物質量和數量顯著增加。楊友文等[13]研究了潤滑油對直噴汽油機低速早燃的影響。結果表明，潤滑油的類型、抗氧劑以及硫酸鹽灰分的含量對增壓直噴汽油機隨機早燃的形成具有顯著影響，進而影響發動機的經濟性與排放性能。

發動機冷卻水溫度直接影響潤滑油的黏度和發動機性能。冷卻水溫度過高，會造成潤滑油黏度減小、機油燒損、發動機各潤滑部位油膜破壞，加速部件磨損，嚴重時會造成拉缸、燒瓦等事故。發動機溫度過高還會導致燃油提前著火，功率下降。因此，發動機必須得到可靠的冷卻。然而，過分冷卻也會造成潤滑油黏度增大，流動性變差，運動件之間的摩擦力增大等不良后果。

綜上所述，潤滑油對發動機的強化程度、缸內燃燒壓力、發動機經濟性和排放性能有顯著影響。隨著排放標準的日益嚴格和發動機技術的不斷發展，柴油機的爆發壓力不斷提高，有必要重新認識潤滑油對柴油機的經濟性和排放性能的影響。本文在一臺滿足GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[14]（簡稱國六排放標準）的重型柴油機上使用5W-30 和15W-40 兩種黏度等級的潤滑油開展外特性和負荷特性試驗，對使用兩種潤滑油在不同工況下發動機的動力性、經濟性和排放性能開展系統研究。同時，為了避免對發動機造成損害，試驗過程中，只對每個轉速下的中低負荷進行冷卻水溫度變化（50 ℃、70 ℃、90 ℃）的試驗，比較不同冷卻水溫度和不同潤滑油黏度對發動機經濟性的影響。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗內容

在85℃的冷卻水溫度下，針對柴油機外特性和5 個轉速（900、1 200、1 500、1 800、2 100 r/min）下的負荷特性開展試驗，對比使用15W-40 和5W-30 兩種黏度等級的潤滑油在不同工況下發動機的動力性、經濟性和排放性能。同時，在不同冷卻水溫度（50 ℃、70 ℃、90 ℃）下，各轉速中低負荷工況，進行不同潤滑油對發動機性能的影響試驗。

1.2 試驗用發動機及儀器設備

發動機試驗臺架如圖1 所示。

表1 為試驗用發動機主要技術參數。

表2 為試驗用主要儀器設備及型號。

表2 試驗用主要儀器設備及型號

1.3 試驗用潤滑油

試驗用潤滑油選用的是市售合成柴油機專用潤滑油，其黏度等級分別為5W-30 和15W-40，表3 為兩種潤滑油的物理特性參數。

表3 試驗用潤滑油的物理特性參數

2 試驗結果及分析

2.1 不同潤滑油對外特性的影響

圖2 為使用兩種潤滑油的發動機外特性（轉矩、功率、燃油消耗率和最高爆發壓力）對比。

圖2 外特性曲線

圖2a 和圖2b 表明，使用不同潤滑油時，發動機轉矩和功率的變化趨勢均一致。在1 200～1 600 r/min轉速之間，使用5W-30 潤滑油的轉矩和功率略低于使用15W-40 潤滑油；其他轉速下，使用5W-30 潤滑油的轉矩和功率與使用15W-40 潤滑油相當。這是由于中等轉速下，負荷達到最大，黏度等級低的潤滑油對氣缸的密封能力略差，易發生漏氣，氣缸壓力降低，導致轉矩和功率降低。

圖2c 表明，使用5W-30 潤滑油的發動機燃油消耗率高于使用15W-40 潤滑油，最多高1.76%。這是由于在外特性工況下，小黏度潤滑油不利于形成油膜，使摩擦表面處于不利的邊界潤滑或者較干摩擦狀態，使內部摩擦功耗增大，導致發動機燃油消耗率升高。使用小黏度潤滑油，雖然能使機油泵的功耗減小，但在外特性工況下，摩擦功耗增大和機油泵功耗減小的綜合作用使得燃油消耗率升高。

圖2d 表明，低轉速下，由于缸內最大爆發壓力較低，兩種潤滑油的密封性能差異較??；在高轉速下，發動機爆發壓力較高，缸內溫度也較高，使得兩種潤滑油的密封性能相差不明顯。因此，在低轉速和高轉速下，兩種潤滑油對發動機功率和轉矩的影響都很小。

圖3 為外特性試驗3 個不同轉速下的氣缸壓力和放熱率。

圖3 外特性試驗3 個轉速下的氣缸壓力和放熱率

由圖3 可知，在3 個轉速下，使用15W-40 潤滑油的氣缸壓力峰值比使用5W-30 潤滑油略高。在3個轉速下，使用5W-30 潤滑油時，預混燃燒放熱階段的放熱率更高；使用15W-40 潤滑油時，擴散燃燒階段的放熱率更高。這是由于使用5W-30 潤滑油，發動機燃油消耗率較高，每循環噴油量較大，噴油速率升高，會增加可燃混合氣形成數量，導致預混燃燒放熱比例較大，擴散燃燒放熱比例較小。

表4 為提取的外特性曲線數據分析。表4 中，最大測量功率指的是試驗最大功率。

表4 外特性曲線數據分析

從表4 可知，使用5W-30 潤滑油的發動機最大功率與使用15W-40 潤滑油相差不大；使用15W-40潤滑油的最大轉矩、最低燃油消耗率、最大測量功率燃油消耗率、最大轉矩燃油消耗率和3 種燃油消耗率平均值比使用5W-30 潤滑油分別高0.7%、-1.51%、0.95%、-1.77%和-0.61%。使用兩種潤滑油時，最大測量功率不在同一工況下產生。使用5W-30潤滑油時，最大測量功率的工況為1 144 N·m @2 100 r/min；使用15W-40 潤滑油時，最大測量功率的工況為1 089 N·m@2 200 r/min。

2.2 負荷特性試驗不同潤滑油對發動機燃油消耗率的影響

圖4 為負荷特性試驗不同潤滑油對燃油消耗率的影響對比。圖5 為使用不同潤滑油的燃油消耗率萬有特性等高線圖。

圖5 使用不同潤滑油的燃油消耗率萬有特性等高線圖

從圖4 和圖5 可以看出：

1）發動機在低轉速（900 r/min）下，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高；隨著轉矩增大，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高的程度增大，最多高1.14%。原因是在低速工況下使用小黏度的5W-30 潤滑油，對發動機摩擦副潤滑作用變差，摩擦損失增大。另外，由于小黏度潤滑油的附著性較差，活塞環的密封性降低，導致燃油消耗率升高[12]。

2）在中等轉速（1 200～1 800 r/min）下，中高負荷時，與使用15W-40 潤滑油相比，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率有時略高，有時略低，存在一定的波動性；其余工況，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油略低。

3）在高轉速（2 100 r/min）下，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，最多低0.36%。原因是高轉速下，使用大黏度的15W-40 潤滑油，內摩擦力較大，導致燃油消耗率較高。另外，高轉速下，氣缸壓力較高，導致兩種潤滑油的附著性對活塞環密封性能影響區別減小。綜合2 種因素，導致高轉速時使用15W-40 潤滑油的燃油消耗率較高。

2.3 負荷特性試驗不同潤滑油對排放的影響

2.3.1 負荷特性試驗不同潤滑油對THC 排放的影響

圖6 為負荷特性試驗不同潤滑油對THC 排放的影響對比。

圖6 負荷特性試驗不同潤滑油對THC 排放的影響

從圖6 可以看出，在轉速分別為900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min 和2 100 r/min時，使用5W-30 潤滑油的THC 排放比使用15W-40潤滑油分別高0.85%～15.51%、8.85%～27.17%、13.70%～51.92%、12.00%～67.55%和10.15%～129.62%?？傮w上，在整個轉速范圍內，使用5W-30 潤滑油的THC排放均比使用15W-40 潤滑油高；中高負荷時，隨著轉速的升高，使用5W-30 潤滑油的THC 排放比使用15W-40 潤滑油高更多。這是由于潤滑油的揮發性和黏度指數對潤滑油消耗有較大影響，小黏度潤滑油蒸發快，會使潤滑油消耗量增加[15]，而THC 排放會隨潤滑油消耗量增加而升高[16]。另一方面，中高負荷時，隨著轉速的升高，發動機溫度升高，潤滑油的溫度也升高，導致小黏度潤滑油的黏度減小更快，加劇了潤滑油的消耗。因而，中高負荷時，隨著轉速的升高，使用小黏度潤滑油造成的THC 排放比使用大黏度潤滑油高的程度增大。

圖7 為使用不同潤滑油的THC 排放萬有特性等高線圖。

圖7 使用不同潤滑油的THC 排放萬有特性等高線圖

從圖7 可以看出，在全工況范圍內，使用15W-40潤滑油的THC 排放均低于使用5W-30 潤滑油；在中高負荷時，使用15W-40 潤滑油的THC 排放比使用5W-30 潤滑低的程度更大。

2.3.2 負荷特性試驗不同潤滑油對碳煙排放的影響

潤滑油導致的顆粒物排放中，質量占比最高的為碳煙顆粒[17]，因此碳煙排放情況在一定程度上能反映出顆粒物排放情況。圖8 為負荷特性試驗使用不同潤滑油的碳煙排放對比。

圖8 不同轉速下不同潤滑油對碳煙排放的影響

從圖8 可以看出，轉速低于2 100 r/min 時，碳煙排放很低，盡管個別工況下使用兩種潤滑油產生的碳煙排放差異較大，但是從工程上講，是碳煙排放太低導致的波動。在轉速為2 100 r/min 的中高負荷下，使用5W-30 潤滑油產生的碳煙排放比使用15W-40潤滑油高3.92%～10.74%。這是由于在高轉速高負荷時，缸內溫度升高，缸內壓力增大，小黏度潤滑油的密封性能下降，因潤滑油泄露進入氣缸內的量增大，潤滑油燃燒不充分，導致碳煙排放升高。

圖9 為使用不同潤滑油的碳煙排放萬有特性等高線圖。

圖9 使用不同潤滑油的碳煙排放萬有特性等高線圖

從圖9 可以看出，總體上，兩種潤滑油對碳煙排放的影響較小。

2.3.3 負荷特性試驗不同潤滑油對NOx和CO 排放的影響

本負荷特性試驗中，使用兩種潤滑油的NOx排放和CO 排放差異較小，這與王月森等[11]的研究結果相同。

2.4 負荷特性試驗不同潤滑油和冷卻水溫度對發動機燃油消耗率的影響

圖10 為負荷特性試驗使用兩種潤滑油在不同冷卻水溫度下發動機燃油消耗率的差別。

圖10 負荷特性試驗兩種潤滑油在不同冷卻水溫度下發動機燃油消耗率對比

從圖10 可以看出：

1）在中等轉速中等負荷下，隨著冷卻水溫度的升高，低燃油消耗率區域面積逐漸增大。這是由于隨著冷卻水溫度的升高，發動機的傳熱損失逐漸減少。

2）冷卻水溫度為50 ℃時，在低轉速低負荷下，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差異較??；在中等轉速中等負荷下，使用15W-40 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低。原因是冷卻水溫度過低，對兩種潤滑油黏度的影響較小，導致燃油消耗率差異不明顯。

3）冷卻水溫度分別為70℃、90℃時，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，尤其是冷卻水溫度為90 ℃時，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低的程度更大；隨著負荷降低，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差距減小。原因是隨著冷卻水溫度的升高，兩種潤滑油的黏度差異增大，5W-30 潤滑油的黏度隨著冷卻水溫度的升高而減小，并且減小幅度比15W-40 潤滑油大，摩擦損失減少的比例比15W-40 潤滑油大。因此，隨著冷卻水溫度的升高，使用5W-30 潤滑油的節油效果更明顯。

3 結論

本文在一臺滿足國六排放標準的重型柴油機上進行了外特性和負荷特性試驗，研究了15W-40 和5W-30 兩種黏度等級的潤滑油與冷卻水溫度對發動機性能的影響，得出如下結論：

1）外特性試驗，使用小黏度的5W-30 潤滑油，發動機燃油消耗率比使用大黏度的15W-40 潤滑油高，最多高1.76%；使用兩種潤滑油的最大功率相同，最大轉矩、最高爆發壓力差異微小。

2）負荷特性試驗，在低轉速下，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率更高；隨著轉矩增大，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油高的程度增大，最多高1.14%。在中等轉速下，中高負荷時，與使用15W-40 潤滑油相比，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率有時略高，有時略低，存在一定的波動性；其余工況，使用5W-30 潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油略低。在高轉速下，使用5W-30潤滑油的燃油消耗率比使用15W-40 潤滑油低，最多低0.36%。

3）負荷特性試驗，在全工況范圍內，使用15W-40潤滑油的THC 排放均低于使用5W-30 潤滑油；中高負荷時，隨著轉速的升高，使用5W-40 潤滑油的THC 排放比使用5W-30 潤滑油低更多?？傮w上，兩種潤滑油對碳煙排放影響較小。而兩種潤滑油對NOx和CO 排放基本沒有影響。

4）負荷特性試驗，冷卻水溫度較低時，使用兩種潤滑油的燃油消耗率差別較小。隨著冷卻水溫度的升高，使用5W-30 潤滑油的節油效果更明顯。