2.6 润滑及低摩擦

2.6.1 设计策略与原则

润滑系统主要由机油泵总成、油底壳总成、机油集滤器总成、机油冷却器总成、机油滤清器总成、活塞冷却喷嘴、油位计总成及润滑油道等组成。

润滑系统贯穿于整个发动机内部，在发动机工作时，系统利用机油泵提高入口机油的压力，连续不断地将数量足够、温度适宜的洁净机油输送到传动部件的摩擦副表面，并在表面间形成油膜实现液体摩擦，降低零部件的磨损，减小零部件摩擦阻力和机械功率损失，此外还要保证VVT等液压元件有足够的油压以实现其功能。

从上述润滑系统的组成和基本功能来看，润滑系统的设计主要应遵从以下设计原则：

1）机油以一定的压力供给至摩擦表面，保证主轴承、连杆轴承、活塞、配气机构、增压器等系统及零部件实现液体摩擦并降低摩擦功耗，同时保证VVT、活塞冷却喷嘴、液压挺柱等液压元件实现功能。

2）清除机油中的杂质，保持机油的清洁。一般先通过机油集滤器粗滤，再通过机油滤清器精滤，滤除机油中的杂质。

3）散出传递给机油的热量，将油温保持在一定的范围以内。在高性能大功率的强化发动机上，必须增设机油冷却器进行机油散热，控制机油的温度。

4）轴功率消耗小。润滑系统轴功率消耗主要来自于机油泵自身驱动轴功率。

5）修理和维护方便。机油及其滤清器需要定期更换，因此机油滤清器及油底壳放油螺栓要设计在方便操作位置，且能将机油排空。

结合上述设计原则，在进行润滑系统设计的时候，可按照表2-11的需求与策略进行设计。设计时综合考虑性能、可靠性、工艺性、标定控制及维修等要求，充分利用CAE手段优化润滑系统的设计。主要通过1D CFD分析确认主油道最低压力需求，分析时根据选定的润滑系统原理图，以最大轴瓦间隙和发动机允许的最高机油温度作为边界条件；另外，在采用全可变机油泵技术方案时，还需要通过1D CFD分析初步确认机油压力需求范围，为机油泵控制策略标定提供基础数据。

在设计现代高效率、大功率发动机时，应着重考虑机油压力的精确化控制、减少机油泵轴功率消耗和采用高质量等级的低黏度级别机油降低摩擦技术的应用。

2.6.2 基于属性需求的设计

油耗、排放法规的要求日益严格，因此润滑系统除了实现常规功能外，更多的节能减排新技术应用在新开发发动机上，以求最大限度地降低发动机燃油消耗。根据最近5年的市场调研，各大主机厂（如大众、丰田、通用等）在最新设计的发动机上几乎都采用了变排量机油泵，变排量机油泵在发动机不同转速、负荷下运转时能根据工况调节机油泵排量，减小机油压力，降低发动机功率损耗以取得降低油耗的效果。具体来说，本节讨论的变排量机油泵是指通过电磁阀对机油泵排量进行调节，从而实现机油压力根据需求精确控制的机油泵。试验证明，匹配成熟的变排量机油泵，可以通过机油泵排量调节将机油压力减少30%以上，从而实现油耗减少1.5%~3%。

根据排量调节形式，变排量机油泵可分为二阶变排量机油泵和全可变排量机油泵。

二阶变排量机油泵设计采用开关式电磁阀，一般以发动机压力需求作为目标，通过控制开关式电磁阀的开闭，可以实现机油压力在高低压模式下切换。如图2-49所示，绿线代表机油泵工作在低压模式下的油压，红线代表机油泵工作在高压模式下的油压，通过开关式电磁阀的开闭可实现机油压力在两者之间切换。

全可变排量机油泵设计采用比例式电磁阀，以发动机不同转速、负荷下的压力需求为目标，通过给比例式电磁阀输入不同的占空比，可以实现机油压力在最高油压和最低油压之间任意调节，满足发动机不同工况下的压力需求。如图2-50所示，绿线代表保证发动机可靠性的最低油压，红线代表机油泵不变排量下的最高油压，两者中间的油压范围都可以根据发动机需求进行调节。

大功率高性能的发动机大多采用活塞冷却喷嘴对活塞组件喷机油进行冷却降温。传统的活塞冷却喷嘴工作方式为当机油压力达到开启压力时才推动阀门开启，给活塞喷油冷却。电磁阀控制活塞冷却喷嘴技术是指利用电磁阀对喷嘴的油道进行开闭控制，主动控制活塞冷却喷嘴的喷油。目前50%以上的主机厂在采用变排量机油泵的同时，还采用了电磁阀控制活塞冷却喷嘴技术，以达到降低机油泵排量、降低油耗的目的。如图2-51所示，红线表示活塞冷却喷嘴（PCJ）开启的临界负荷需求，在油温、负荷较低时关闭喷油以提升机油、活塞升温速度，降低机油消耗率、改善发动机排放，提升燃油经济性；在大负荷时，开启喷油以降低活塞温度、抑制爆燃，提升发动机可靠性。

随着乘用车节能环保要求的不断提高，以及油耗排放法规的严苛，促使各主机厂采用直喷、涡轮增压、EGR、低黏度级别机油以及混合动力等新技术以降低油耗及排放。其中，采用低黏度级别机油以降低运动副摩擦损耗、提高发动机效率，已成为实现发动机节能减排的重要研究对象。采用低黏度级别机油有两种途径来提高发动机效率：一是降低机油黏度以减少低温或高速运转条件下的流体摩擦功耗，二是在发动机机油中添加摩擦改进剂，以减少高温和低速运转条件下运动副的混合摩擦功耗。

目前为确认机油对燃油效率的贡献大小，行业内通常采用ASTM D8114程序VIE测试规范进行测定，该测试采用通用3.6L发动机进行测定，测量发动机在机油老化16h及125h后的燃油效率。有国内主机厂目前已建立自己的测试规范。

为适应发动机技术升级带来的挑战，实现降低摩擦副摩擦损失的目标，新开发的机油质量等级在不断提高，黏度等级在不断减低。在满足摩擦副润滑的前提下，各主机厂在新发动机开发时，都将高黏度级别机油逐步升级为高质量等级的低黏度级别机油，以减少摩擦损失，提高整机效率。

以5W-30和0W-20黏度级别机油为例，在同一台发动机上测试不同转速下的倒拖转矩，0W-20黏度级别机油的倒拖转矩相比5W-30黏度级别机油改善率如图2-52所示。A、B、C为三种不同机油配方的0W-20机油，与某在用5W-30机油的倒拖转矩比较，随着黏度等级的降低都能降低倒拖转矩，其中B机油在不同转速下的倒拖转矩改善最大，降低了6.7%~9.3%，C机油的倒拖转矩改善最小，A机油处于两者之间。

随着油耗法规要求的日益严格，采用高质量等级的低黏度级别机油是汽车发动机市场发展需要及未来主流。目前成熟在产发动机以5W-30黏度级别机油为主，预计到2029年左右，市场上将以0W-20黏度级别机油为主，并有约10%的发动机采用0W-16黏度级别机油，如图2-53所示。