不同黏度润滑油与冷却水温度对发动机性能影响研究*

孔祥恩 姜雪丽 赵令猛 张 钊 吴洋亦 刘海峰

（1-先进内燃动力全国重点实验室（天津大学）天津 300072 2-山东京博石油化工有限公司3-玉柴机器股份有限公司）

引言

发动机润滑系统的性能与发动机整机的动力性、经济性、排放性能以及发动机的寿命息息相关。发动机润滑系统的性能除了与发动机润滑系统零部件的设计有关外，还与润滑油的特性相关[1]。

润滑油对发动机的重要作用主要体现在6 个方面：润滑、冷却、密封、清洁、防锈、缓冲[2]。有效的润滑能够减少摩擦功，提高发动机热效率和可靠性。润滑油黏度是影响发动机性能最关键的因素之一，它直接影响发动机零部件的磨损、燃油消耗量和发动机使用寿命。润滑油的黏度过大，会引起发动机起动困难、曲轴转动阻力增大、冷却效果和清洁效果变差等问题，使发动机磨损加大、燃油消耗率升高和功率下降；黏度过小，会引起油膜变薄，导致机件磨损增加、气缸漏气、润滑油消耗量增加和燃油消耗率升高等问题[3]。研究表明，在保证发动机良好润滑的情况下，采用低黏度润滑油具有一定的节油效果[4]。

发动机运行过程中，润滑油会通过缸内蒸发、窜气等方式进入燃烧室，与燃油一起燃烧，从而影响发动机排放性能[5-8]。张武高等[9]研究了润滑油的基础油特性、蒸发损失率以及润滑油温度和发动机负荷等运转参数对柴油机颗粒物排放的影响。结果表明，通过降低润滑油的灰分含量、降低蒸发损失率、降低润滑油温度和增加发动机负荷，可以减少颗粒物排放量。Froelund K.等[10]对比研究了3 种润滑油。结果发现，合成润滑油的平均颗粒排放总量比矿物润滑油降低了18%。王月森等[11]研究发现，润滑油基础油的黏度对发动机动力性、经济性和排放性能有直接影响，小黏度的基础油会导致发动机功率损失增加、未燃HC排放增加，但对NOx和CO 排放的影响较小。由于润滑油挥发性及热特性的差异，润滑油基础油对发动机排放尤其是颗粒物排放有明显的影响。皮恒志等[12]研究发现，怠速和低速中低负荷工况下，润滑油消耗量会增加，导致颗粒物质量和数量显著增加。杨友文等[13]研究了润滑油对直喷汽油机低速早燃的影响。结果表明，润滑油的类型、抗氧剂以及硫酸盐灰分的含量对增压直喷汽油机随机早燃的形成具有显著影响，进而影响发动机的经济性与排放性能。

发动机冷却水温度直接影响润滑油的黏度和发动机性能。冷却水温度过高，会造成润滑油黏度减小、机油烧损、发动机各润滑部位油膜破坏，加速部件磨损，严重时会造成拉缸、烧瓦等事故。发动机温度过高还会导致燃油提前着火，功率下降。因此，发动机必须得到可靠的冷却。然而，过分冷却也会造成润滑油黏度增大，流动性变差，运动件之间的摩擦力增大等不良后果。

综上所述，润滑油对发动机的强化程度、缸内燃烧压力、发动机经济性和排放性能有显著影响。随着排放标准的日益严格和发动机技术的不断发展，柴油机的爆发压力不断提高，有必要重新认识润滑油对柴油机的经济性和排放性能的影响。本文在一台满足GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[14]（简称国六排放标准）的重型柴油机上使用5W-30 和15W-40 两种黏度等级的润滑油开展外特性和负荷特性试验，对使用两种润滑油在不同工况下发动机的动力性、经济性和排放性能开展系统研究。同时，为了避免对发动机造成损害，试验过程中，只对每个转速下的中低负荷进行冷却水温度变化（50 ℃、70 ℃、90 ℃）的试验，比较不同冷却水温度和不同润滑油黏度对发动机经济性的影响。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验内容

在85℃的冷却水温度下，针对柴油机外特性和5 个转速（900、1 200、1 500、1 800、2 100 r/min）下的负荷特性开展试验，对比使用15W-40 和5W-30 两种黏度等级的润滑油在不同工况下发动机的动力性、经济性和排放性能。同时，在不同冷却水温度（50 ℃、70 ℃、90 ℃）下，各转速中低负荷工况，进行不同润滑油对发动机性能的影响试验。

1.2 试验用发动机及仪器设备

发动机试验台架如图1 所示。

表1 为试验用发动机主要技术参数。

表2 为试验用主要仪器设备及型号。

表2 试验用主要仪器设备及型号

1.3 试验用润滑油

试验用润滑油选用的是市售合成柴油机专用润滑油，其黏度等级分别为5W-30 和15W-40，表3 为两种润滑油的物理特性参数。

表3 试验用润滑油的物理特性参数

2 试验结果及分析

2.1 不同润滑油对外特性的影响

图2 为使用两种润滑油的发动机外特性（转矩、功率、燃油消耗率和最高爆发压力）对比。

图2 外特性曲线

图2a 和图2b 表明，使用不同润滑油时，发动机转矩和功率的变化趋势均一致。在1 200～1 600 r/min转速之间，使用5W-30 润滑油的转矩和功率略低于使用15W-40 润滑油；其他转速下，使用5W-30 润滑油的转矩和功率与使用15W-40 润滑油相当。这是由于中等转速下，负荷达到最大，黏度等级低的润滑油对气缸的密封能力略差，易发生漏气，气缸压力降低，导致转矩和功率降低。

图2c 表明，使用5W-30 润滑油的发动机燃油消耗率高于使用15W-40 润滑油，最多高1.76%。这是由于在外特性工况下，小黏度润滑油不利于形成油膜，使摩擦表面处于不利的边界润滑或者较干摩擦状态，使内部摩擦功耗增大，导致发动机燃油消耗率升高。使用小黏度润滑油，虽然能使机油泵的功耗减小，但在外特性工况下，摩擦功耗增大和机油泵功耗减小的综合作用使得燃油消耗率升高。

图2d 表明，低转速下，由于缸内最大爆发压力较低，两种润滑油的密封性能差异较小；在高转速下，发动机爆发压力较高，缸内温度也较高，使得两种润滑油的密封性能相差不明显。因此，在低转速和高转速下，两种润滑油对发动机功率和转矩的影响都很小。

图3 为外特性试验3 个不同转速下的气缸压力和放热率。

图3 外特性试验3 个转速下的气缸压力和放热率

由图3 可知，在3 个转速下，使用15W-40 润滑油的气缸压力峰值比使用5W-30 润滑油略高。在3个转速下，使用5W-30 润滑油时，预混燃烧放热阶段的放热率更高；使用15W-40 润滑油时，扩散燃烧阶段的放热率更高。这是由于使用5W-30 润滑油，发动机燃油消耗率较高，每循环喷油量较大，喷油速率升高，会增加可燃混合气形成数量，导致预混燃烧放热比例较大，扩散燃烧放热比例较小。

表4 为提取的外特性曲线数据分析。表4 中，最大测量功率指的是试验最大功率。

表4 外特性曲线数据分析

从表4 可知，使用5W-30 润滑油的发动机最大功率与使用15W-40 润滑油相差不大；使用15W-40润滑油的最大转矩、最低燃油消耗率、最大测量功率燃油消耗率、最大转矩燃油消耗率和3 种燃油消耗率平均值比使用5W-30 润滑油分别高0.7%、-1.51%、0.95%、-1.77%和-0.61%。使用两种润滑油时，最大测量功率不在同一工况下产生。使用5W-30润滑油时，最大测量功率的工况为1 144 N·m @2 100 r/min；使用15W-40 润滑油时，最大测量功率的工况为1 089 N·m@2 200 r/min。

2.2 负荷特性试验不同润滑油对发动机燃油消耗率的影响

图4 为负荷特性试验不同润滑油对燃油消耗率的影响对比。图5 为使用不同润滑油的燃油消耗率万有特性等高线图。

图5 使用不同润滑油的燃油消耗率万有特性等高线图

从图4 和图5 可以看出：

1）发动机在低转速（900 r/min）下，使用5W-30润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油高；随着转矩增大，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油高的程度增大，最多高1.14%。原因是在低速工况下使用小黏度的5W-30 润滑油，对发动机摩擦副润滑作用变差，摩擦损失增大。另外，由于小黏度润滑油的附着性较差，活塞环的密封性降低，导致燃油消耗率升高[12]。

2）在中等转速（1 200～1 800 r/min）下，中高负荷时，与使用15W-40 润滑油相比，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率有时略高，有时略低，存在一定的波动性；其余工况，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油略低。

3）在高转速（2 100 r/min）下，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油低，最多低0.36%。原因是高转速下，使用大黏度的15W-40 润滑油，内摩擦力较大，导致燃油消耗率较高。另外，高转速下，气缸压力较高，导致两种润滑油的附着性对活塞环密封性能影响区别减小。综合2 种因素，导致高转速时使用15W-40 润滑油的燃油消耗率较高。

2.3 负荷特性试验不同润滑油对排放的影响

2.3.1 负荷特性试验不同润滑油对THC 排放的影响

图6 为负荷特性试验不同润滑油对THC 排放的影响对比。

图6 负荷特性试验不同润滑油对THC 排放的影响

从图6 可以看出，在转速分别为900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min 和2 100 r/min时，使用5W-30 润滑油的THC 排放比使用15W-40润滑油分别高0.85%～15.51%、8.85%～27.17%、13.70%～51.92%、12.00%～67.55%和10.15%～129.62%。总体上，在整个转速范围内，使用5W-30 润滑油的THC排放均比使用15W-40 润滑油高；中高负荷时，随着转速的升高，使用5W-30 润滑油的THC 排放比使用15W-40 润滑油高更多。这是由于润滑油的挥发性和黏度指数对润滑油消耗有较大影响，小黏度润滑油蒸发快，会使润滑油消耗量增加[15]，而THC 排放会随润滑油消耗量增加而升高[16]。另一方面，中高负荷时，随着转速的升高，发动机温度升高，润滑油的温度也升高，导致小黏度润滑油的黏度减小更快，加剧了润滑油的消耗。因而，中高负荷时，随着转速的升高，使用小黏度润滑油造成的THC 排放比使用大黏度润滑油高的程度增大。

图7 为使用不同润滑油的THC 排放万有特性等高线图。

图7 使用不同润滑油的THC 排放万有特性等高线图

从图7 可以看出，在全工况范围内，使用15W-40润滑油的THC 排放均低于使用5W-30 润滑油；在中高负荷时，使用15W-40 润滑油的THC 排放比使用5W-30 润滑低的程度更大。

2.3.2 负荷特性试验不同润滑油对碳烟排放的影响

润滑油导致的颗粒物排放中，质量占比最高的为碳烟颗粒[17]，因此碳烟排放情况在一定程度上能反映出颗粒物排放情况。图8 为负荷特性试验使用不同润滑油的碳烟排放对比。

图8 不同转速下不同润滑油对碳烟排放的影响

从图8 可以看出，转速低于2 100 r/min 时，碳烟排放很低，尽管个别工况下使用两种润滑油产生的碳烟排放差异较大，但是从工程上讲，是碳烟排放太低导致的波动。在转速为2 100 r/min 的中高负荷下，使用5W-30 润滑油产生的碳烟排放比使用15W-40润滑油高3.92%～10.74%。这是由于在高转速高负荷时，缸内温度升高，缸内压力增大，小黏度润滑油的密封性能下降，因润滑油泄露进入气缸内的量增大，润滑油燃烧不充分，导致碳烟排放升高。

图9 为使用不同润滑油的碳烟排放万有特性等高线图。

图9 使用不同润滑油的碳烟排放万有特性等高线图

从图9 可以看出，总体上，两种润滑油对碳烟排放的影响较小。

2.3.3 负荷特性试验不同润滑油对NOx和CO 排放的影响

本负荷特性试验中，使用两种润滑油的NOx排放和CO 排放差异较小，这与王月森等[11]的研究结果相同。

2.4 负荷特性试验不同润滑油和冷却水温度对发动机燃油消耗率的影响

图10 为负荷特性试验使用两种润滑油在不同冷却水温度下发动机燃油消耗率的差别。

图10 负荷特性试验两种润滑油在不同冷却水温度下发动机燃油消耗率对比

从图10 可以看出：

1）在中等转速中等负荷下，随着冷却水温度的升高，低燃油消耗率区域面积逐渐增大。这是由于随着冷却水温度的升高，发动机的传热损失逐渐减少。

2）冷却水温度为50 ℃时，在低转速低负荷下，使用两种润滑油的燃油消耗率差异较小；在中等转速中等负荷下，使用15W-40 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油低。原因是冷却水温度过低，对两种润滑油黏度的影响较小，导致燃油消耗率差异不明显。

3）冷却水温度分别为70℃、90℃时，使用5W-30润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油低，尤其是冷却水温度为90 ℃时，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油低的程度更大；随着负荷降低，使用两种润滑油的燃油消耗率差距减小。原因是随着冷却水温度的升高，两种润滑油的黏度差异增大，5W-30 润滑油的黏度随着冷却水温度的升高而减小，并且减小幅度比15W-40 润滑油大，摩擦损失减少的比例比15W-40 润滑油大。因此，随着冷却水温度的升高，使用5W-30 润滑油的节油效果更明显。

3 结论

本文在一台满足国六排放标准的重型柴油机上进行了外特性和负荷特性试验，研究了15W-40 和5W-30 两种黏度等级的润滑油与冷却水温度对发动机性能的影响，得出如下结论：

1）外特性试验，使用小黏度的5W-30 润滑油，发动机燃油消耗率比使用大黏度的15W-40 润滑油高，最多高1.76%；使用两种润滑油的最大功率相同，最大转矩、最高爆发压力差异微小。

2）负荷特性试验，在低转速下，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率更高；随着转矩增大，使用5W-30润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油高的程度增大，最多高1.14%。在中等转速下，中高负荷时，与使用15W-40 润滑油相比，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率有时略高，有时略低，存在一定的波动性；其余工况，使用5W-30 润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油略低。在高转速下，使用5W-30润滑油的燃油消耗率比使用15W-40 润滑油低，最多低0.36%。

3）负荷特性试验，在全工况范围内，使用15W-40润滑油的THC 排放均低于使用5W-30 润滑油；中高负荷时，随着转速的升高，使用5W-40 润滑油的THC 排放比使用5W-30 润滑油低更多。总体上，两种润滑油对碳烟排放影响较小。而两种润滑油对NOx和CO 排放基本没有影响。

4）负荷特性试验，冷却水温度较低时，使用两种润滑油的燃油消耗率差别较小。随着冷却水温度的升高，使用5W-30 润滑油的节油效果更明显。