低黏度润滑油对重型商用柴油机节能减排和可靠性的影响研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.05.019

摘要/Abstract

摘要：

从摩擦损失和泵送功耗两个方向论证了低黏度润滑油的有效性；从仿真计算和摩擦学试验两个手段探测了低黏度润滑油的可行性；从经济性、排放性、可靠性3个维度验证了低黏度润滑油对重型商用柴油机的影响。经济性主要通过倒拖摩擦功和万有油耗进行对比评价；排放性主要通过WHTC排放循环和机油耗进行对比评价；可靠性主要通过台架耐久和路试验证进行对比评价。结果表明：摩擦功可降低3.6%~12.5%；燃油经济性受负荷影响显著，常用工况区可节油（1~2） g/（kW?h）；NO _x 和PM排放几无影响；24 h机油耗影响差异在5%以内；耐久过程中机油压力及漏气量波动率符合限值要求、油液监测数据正常；耐久后关键摩擦副表观正常，磨损变化量小，在可靠性接受范围内；市场验证节油效果在6.41%左右，且换油期未受影响。研究结论对于双碳目标的完成和低黏度润滑油的推介应用尤其是在售成熟机型切换提供了数据依据。

关键词: 低黏度润滑油, 摩擦损失, 燃油经济性, 可靠性

Abstract:

The effectiveness of low viscosity lubricating oil is demonstrated from the two aspects of friction loss and pumping power consumption， and its feasibility is investigated by simulation calculation and tribological test. The effect of low viscosity lubricating oil on heavy-duty commercial diesel engines is studied from three dimensions of economy， emission and reliability. The economy is mainly evaluated by comparing the friction loss and fuel consumption. The emission performance is evaluated by the WHTC emission cycle and oil consumption. The reliability is evaluated by comparison of bench durability and road test. The results show that the friction loss can be reduced by 3.6%~12.5%. The fuel economy is significantly affected by the load， and at the common working conditions low viscosity lubricating oil cand save （1~2） g/（kW?h）. There is little effect on NO _x and PM emissions. Oil consumption differences are within 5%. In the durability process， the oil pressure and leakage fluctuation meet the requirements， and the oil monitoring data are acceptable. After durability， the appearance of the key friction pairs is acceptable and the change of wear dimension is small， so the reliability is acceptable. The market verifies that the fuel saving effect is about 6.41%， and the oil change interval is not affected by low viscosity lubricating oil. The research conclusions provide data basis for the completion of dual-carbon targets and the promotion and application of low-viscosity lubricants， especially the switch of mature models in sale.

Key words: low viscosity lubricating oil, friction loss, fuel economy, reliability

崔永,刘军,王超,王意宝,刘建卫,张林川. 低黏度润滑油对重型商用柴油机节能减排和可靠性的影响研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(5): 935-944.

Yong Cui,Jun Liu,Chao Wang,Yibao Wang,Jianwei Liu,Linchuan Zhang. Study on the Effect of Low Viscosity Lubricating Oil on Fuel Economy and Durability of Heavy Commercial Diesel Engine[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(5): 935-944.

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参考文献 24

1	辛千凡. 柴油发动机系统设计［M］. 上海：上海科学技术文献出版社， 2015： 549-561.
	XIN Q F. Diesel engine system design［M］. Shanghai： Shanghai Scientific and Technological Literature Press， 2015： 549-561.
2	武彬. 汽油机低摩擦系统优化及其对节能影响研究［D］. 长春：吉林大学， 2013.
	WU B. Study on low friction system optimization of gasoline engine and its effects on energy-saving［D］. Changchun： Jilin University， 2013.
3	柳国立，韩俊楠，桃春生，等. 低黏度润滑油对发动机燃油经济性及可靠性影响的研究［J］. 汽车技术， 2014（1）： 54-57.
	LIU G L， HAN J T， TAO C S， et al. Impact study of low viscosity lubricating oil on engine fuel economy and reliability［J］. Automobile Technology， 2014（1）： 54-57.
4	贾鹏辉. 超低粘度发动机油润滑风险研究［D］. 郑州：华北水利水电大学， 2020.
	JIA P H. Research on lubrication risk of ultra-low viscosity engine oil［D］. Zhengzhou： North China University of Water Resources and Electric Power， 2020.
5	VICENTE M， BERNARDO T， SANTIAGO R， et al. Low viscosity engine oils： study of wear effects and oil key parameters in a heavy duty engine fleet test［J］. Tribology International， 2016， 94： 240-248.
6	史程中，贺娜，钟建勤，等. 低黏度机油对汽油发动机燃油经济性的影响研究［J］. 汽车工程， 2015， 37（10）： 1103-1108，1122.
	SHI C Z， HE N， ZHONG J Q， et al. A study on the effects of low viscosity oil on the fuel economy of a gasoline engine［J］. Automotive Engineering， 2015， 37（10）： 1103-1108，1122.
7	汤春球，尹凯峰，莫易敏，等. 低黏度润滑油对汽油机经济性及耐久性能影响研究［J］.汽车工程， 2018， 40（6）： 632-637，645.
	TANG C Q， YIN K F， MO Y M， et al. A study on the effects of low viscosity lubricating oils on the fuel economy and durability of gasoline engines［J］. Automotive Engineering， 2018， 40（6）： 632-637，645.
8	秦晓东，范亦工. 润滑油燃料经济性要求及其对发动机油发展影响［J］. 润滑油， 2008（1）： 1-4.
	QIN X D， FAN Y G. The fuel economy of lubricant and its impact on the development of engine oil［J］. Lubricating Oil， 2008（1）： 1-4.
9	BERNARDO T， J. A J， TIANSHI F， et al. Numerical assessment of tribological performance of different low viscosity engine oils in a 4-stroke CI light-duty ICE［J］. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility， 2022， 4（5）： 1524-1536.
10	MACIAN V， TORMOS B， RUIZ S， et al. Low viscosity engine oils： study of wear effects and oil key parameters in a heavy duty engine fleet test［J］. Tribology International， 2016， 94： 240-248.
11	石顺友，王雪梅. 美国重负荷柴油机油新规格CK-4和FA-4及其影响［J］. 润滑油， 2017， 32（6）： 47-55.
	SHI S Y，WANG X M. The new CK-4 & FA-4 specification of American heavy-duty diesel engines oil and their impacts［J］. Lubricating oil， 2017， 32（6）： 47-55.
12	OKUYAMA Y， SHIMOKOJI D， SAKURAI T， et al. Study of low-viscosity engine oil on fuel economy and engine reliability［C］. SAE Paper 2011-01-1247..
13	BERNARDO T， LEONARDO R， JENS J， et al. Fuel consumption and friction benefits of low viscosity engine oils for heavy duty applications［J］. Tribology International， 2017， 110： 23-34.
14	汤春球，尹凯峰，莫易敏，等.润滑油对发动机活塞环油膜厚度及整车油耗的影响［J］.润滑与密封，2017，42（10）：108-113.
	TANG C Q， YIN K F， MO Y M， et al. Effect of lubricating oil on oil film thickness of engine piston and vehicle fuel consumption［J］. Lubrication Engineering， 2017， 42（10）： 108-113.
15	晁珅，刘成，朱桂香，等.内燃机凸轮-滚子接触副时变非牛顿润滑分析［J］.内燃机工程，2023，44（3）：24-33，43.
	CHAO S， LIU C， ZHU G X， et al. Lubrication analysis for transient non-newtonian of the cam-roller pair in an internal combustion engine［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2023， 44（3）： 24-33，43.
16	田侃，辜勇，董明望. 圆柱凸轮侧向传动机构最小油膜厚度计算公式［J］. 润滑与密封， 2018， 43（8）： 121-125.
	TIAN K， GU Y， DONG M W. Calculation of minimum lubricant film thickness for cylindricalcam lateral transmission mechanism［J］. Lubrication Engineering， 2018， 43（8）： 121-125.
17	PEI J， HAN X， TAO Y. A reliability analysis method for gear elastohydrodynamic lubrication under stochastic load［J］. Tribology Transactions， 2020： 1-18.
18	汪德涛. 润滑技术手册［M］. 北京：机械工业出版社， 1998： 18.
	WANG D T. Lubrication technical manual［M］. Beijing： China Machine Press， 1998：18.
19	内燃机机油泵第1部分：总成技术条件：JB/T8413.1—2010 ［S］.2010.
	Internal combustion engine — oil pump — part 1： assembly — technical conditions ：JB/T8413.1—2010 ［S］.2010.
20	LIN J Z， LIANG X， KU X K. A successive iteration method on predicting properties of turbulent fiber suspensions and its application to pipe flows［J］. Computers & Fluids， 2013， 71（1）： 461-468.
21	邱宇. 汽油发动机润滑系统性能优化研究［D］. 上海：上海交通大学， 2012.
	QIU Y. Optimization of gasoline engine lubrication system［D］. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2012.
22	罗海棠，孔晓伟，卢智聪，等. SRV摩擦磨损试验机在发动机油及车辆齿轮油研究中的应用［J］. 合成润滑材料， 2022， 49（1）： 13-17.
	LUO H T， SUN X W， LU Z C， et al. Application of SRV friction and wear tester in study of engine oils and vehicle gear lubricants［J］. Synthetic Lubricants， 2022， 49（1）： 13-17.
23	刘军，郭灵燕，刘杰，等.机油中Cu元素来源探究［J］.内燃机与动力装置，2017，34（1）：58.
	LIU J， GUO L Y， LIU J， et al. The research of Cu element in the oil［J］. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2017， 34（1）： 58.
24	BOUYER J， FILLON M. Experimental measurement of the friction torque on hydrodynamic plain journal bearings during start-up ［J］. Tribology International， 2011， 44（7-8）：772-781.

发动机型式	直列、六缸、四冲程、四气门、增压中冷、高压共轨
缸径×行程/（mm×mm）	127×165
排量/L	12.54
额定功率/kW	405
额定转速/（r·min^-1）	1 900
最大转矩/（N·m）	2 550
最大转矩转速/（r·min^-1）	950-1 400
压缩比	17∶1
爆压/MPa	17.5

设备名称	型号	精度	生产厂家
测功机	CAC600	转速±1 r/min；转矩±0.1%FS	湘仪动力测试仪器有限公司
油耗仪	735	0.12%	奥地利AVL公司
气体排放设备	MEXA-ONE	量程0~10000×10^-6	HORIBA
颗粒排放设备	472	分辨率±0.1 L/min；测量精度±2%	AVL
摩擦磨损试验机	SRV-4	载荷1-2 000 N和0.5-200 N；频率1-511 Hz和0.01-511 Hz 行程0.01-5 mm；低温模块-35~350 ℃ 高温模块室温~900 ℃	德国Optimol
原子发射光谱分析仪	SPECTROILM	0.1 mg/kg	美国超普公司
石油产品运动黏度测定器	SYP1003-1X	0.01 mm²/s	上海神开石油仪器有限公司

质量等级规格	黏度等级规格	机器兼容性	润滑油兼容性	对燃油要求
CK-4	对应XW-30及以上的黏度级别。	对于以往型号发动机具有较好的兼容性，特别适用于采用EGR、DPF、SCR等技术的柴油发动机；长换油周期性。	可向下兼容CH-4、CI-4、CK-4+和CJ-4等现行的柴油机油规格。	硫含量不大于500 μg/g，但硫含量高于15 μg/g会影响后处理系统的耐久性和发动机换油周期。
FA-4	对应XW-30及以下的黏度级别，对于高温高剪切黏度限制严格。	不兼容现有的柴油机，建议匹配新型柴油机。	与现行其他规格机油不能兼容混用。	要求使用硫含量低于15 μg/g的燃料。

排放指标	参比油A	试验油B	试验油C
NO _x /（g·（kW·h）^-1）	7.87	7.81	7.7
PM/（g·（kW·h）^-1）	0.031	0.031	0.036

[1]	丁志杰,王亚飞,章翼辰,邬明宇,王亦乐. 基于复合动态采样的自动驾驶矿车节能路径规划方法[J]. 汽车工程, 2024, 46(4): 588-595.
[2]	王俊峰,陈吉清,兰凤崇,刘青山. 矢量-角度几何映射的方向重要抽样分布函数近似化方法及多失效模式可靠性分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1081-1089.
[3]	吕辉,钟顺江,李振聪,曹懿莎,上官文斌,赵克刚. 基于多维子平行六面体模型的可靠性分析方法及应用[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1090-1098.
[4]	方川,袁殿,邵扬斌,徐梁飞,李飞强,胡尊严,李建秋,周宝,戴威. 面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 535-544.
[5]	尤国贵,苏俊收,陈太荣. 重型半挂牵引车燃油经济性提升研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(2): 171-178.
[6]	尤国贵,卢剑伟,苏俊收,栾铭湧,黄帅. 重型半挂牵引车行驶工况研究及其动力传动系统优化[J]. 汽车工程, 2022, 44(11): 1735-1745.
[7]	赵礼辉,周驰,徐侃峰,王震,郑松林. 基于用户大数据的电子助力制动器可靠性工况特征研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(9): 1375-1382.
[8]	谷先广,高梦琳,王笑乐,黄岳竹. 基于GWO⁃KRG近似模型的乘员约束系统可靠性优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 870-876.
[9]	赵祥模,张心睿,王润民,徐志刚,凡海金. 网联交叉口信号-车辆轨迹协同优化控制方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(11): 1577-1586.
[10]	魏彤辉, 左文杰, 郑宏伟, 李锋. 基于降维算法的车身可靠性优化^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(7): 941-948.
[11]	柯俊, 祖洪飞, 史文库. 基于有限元法及遗传算法的推力杆球铰多目标优化方法^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(2): 178-183.
[12]	郭景华, 王班, 王靖瑶, 罗禹贡, 李克强. 智能网联混合动力汽车队列模型预测分层控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(10): 1293-1301.
[13]	赵礼辉, 王震, 冯金芝, 郑松林. 基于用户大数据的电驱动系统可靠性工况特征研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(10): 1386-1396.
[14]	贺宜, Xiao-Yun LU, 褚端峰, 吴超仲. 车路环境耦合作用下侧向动力学模型可靠性估计[J]. 汽车工程, 2019, 41(7): 800-806.
[15]	王琼, 黄志亮. 含概率区间混合不确定性的汽车正面碰撞可靠性优化设计^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(5): 545-549.