先聲明,我並非本科系出身,以下的內容僅是我 google 網路所得的知識,自己拼湊出來的,內容可能有誤,歡迎討論錯誤所在,我大致上分 1. 曲軸軸承 2.渦輪軸承 3.汽缸與活塞間 的潤滑這3部位來討論
1. 首先,機件間靠潤滑油潤滑,其原理跟人在水面上滑水很類似:
當速度夠快,人就可靠一片滑板在水面上滑行,而越大片的滑板需要的速度越低,越重的人則需要越大片的滑板或是越快的速度來維持在水面上滑行
https://www.stle.org/images/pdf/STLE_ORG/BOK/LS/Bearings/Selecting%20the%20Correct%20Lubricant%20for%20Plain%20Bearings_tlt%20article_Sept08.pdf
我們希望的狀態是兩個金屬間有一層油膜存在,使得兩個金屬表面部會直接摩擦:
根據此原理,我們可以看到 W 的壓力越大時,需要越濃的油,或是選擇圓柱形的 l, d 更大的設計
而一個機油品牌的介紹是否可使用低濃度的機油? 關鍵在於引擎是否有針對低濃度的機油來做設計,如果沒有對應的設計,引擎會損壞:
從上面的理論,我們可以推測,當選用更稀的機油,我們需要把曲軸軸承的 l或 d 加大來維持兩個金屬間有一層夠厚的油膜來避免金屬摩擦
一般我們做 ECU 一階的改裝,都會加大渦輪的增壓值,同時變高空燃比從 14.7 降到 12.5 的最佳動力空燃比,所以燃氣在每次燃燒後,汽缸的壓力會明顯加大,推動連桿,連桿在推動曲軸,此時一階的改裝並沒有把曲軸的l或 d 加大來對應改裝後W 變大的需求,因此改裝 ECU 後,曲軸軸承這部位的油膜,視必比原廠設計的還薄,
就有壽命縮短的疑慮
而如果要改加大的曲軸軸承,連桿直徑,寬度等,必定費用相當的高
所以增加機油濃度, HTHS,縮短機油使用歷程,必免後期濃度不足,變成是一個最便宜的選擇.
這時, HTHS 要比原廠高多少? 變成是一個需要評估的項目, 選太高保護性夠,但引擎運轉阻力高, 耗油,太低則保護性不足
https://bobistheoilguy.com/forums/threads/explain-the-hths-viscosity-at-100c-relationship-to-me.296348/page-2
這份資料,Y軸為油膜厚度,可以看到當引擎轉速 RPM越小, HTHS 越小, LOAD 越大,這些因素都會使得油膜變薄
LOAD 就類似汽缸每次燃氣所產生的壓力, 因此我們把LOAD改得比原廠設計還高時,選用原廠認證油,油膜勢必比原廠設定的還薄.
Y 軸也可以讓我們了解,這層油膜大約就是 0.5~2um, 而EA888 三代,四代,從改裝廠那邊得知,曲軸軸承的 oil clearance (油道間隙) 大約為 30~50um,是遠比這層油膜還大
https://k1technologies.com/blog/bearing-clearance-and-oil-viscosity-explained
這份網路資料:
let’s start with a 2.00-inch rod journal with 0.0020-inch of clearance. This assumes we will have 0.001-inch on the top and bottom of the journal, which is true but only in a theoretical sense.
而 EA888 三代曲軸軸承是 48mm,1/1000 計算起來 oil clearance 需要為 48 um左右,這跟改裝廠老闆所說的 30~50um 相當
常有一個說法是近代新的引擎,oil clearance 已經做很小,需要夠稀的油才能良好潤滑,從數據上來看,這說法我認為不正確,但近代的引擎為了油耗,環保要求,引擎製造上被迫調整設計以符合稀機油的使用倒是就合理
EA888 四大代即使使用 10W60 的機油在馬力機上測試,基本也看不到因為濃油使引擎潤滑不足而出問題:
https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=effect_of_oil_viscosity_on_hydrodynamic_friction_of_engine_bearings
軸承的流體動力潤滑參數是使用 King Engine Bearings 開發的軟件從理論上計算的。該軟件名為 ENSIM™，是一種先進的發動機模擬軟件。
這份模擬資料說曲軸軸承油膜厚度 0.38~2um:
http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:644848/FULLTEXT01.pdf
Page 22:
從這篇我們能看到 表面粗糙度 vs 需要的最低油膜厚度的關係,以這份資料的舉例來說,兩個表面平整度 0.2~0.3um的金屬表面,需要的最低油膜厚度為 1.06um,
這跟前面提到的目前機油可提供的油膜厚度大約為 0.5~2 um 算是數量級相當的厚度
由於我們不知道原廠選擇 HTHS 3.5保留了多少空間給 1.未來引擎動力加大 2.機油後期的 HTHS降低 3.大量生產需要保留的安全空間,我想到的估計方法是保持 RPM*HTHS/LOAD 這個值不變,
而 LOAD 我則是用最大扭力取代
假設 EA888 4代曲軸大小也沒有變更,那計算出來的 HTHS 3.83 就夠,如果以 3代原廠數據推算則 HTHS 需要 4.24, 這種值即使是 5W40 也是少數的機油可達到,例如 Motul 300V 5W40,大部分是需要 5W50 才有這麼高的 HTHS, 5W30 以下最高我只找到 HTHS 3.7
另外,最近提倡稀濃度機油,有一個說法是稀的機油流速快,這說法我認為也是一半對,一半錯,機油的輸送是利用機油幫浦內的齒輪來壓送機油:
這種設計,只要引擎轉速一樣,壓送出的機油體積,流量就是一樣多,當然機油從管口噴出在機件表面流動時,還是稀的機油流動比較快
近年為了油耗,EA888 機油幫浦改成這種有高低流量的設計,低流量是靠一個彈簧在調節的,在這種模式下,確實就濃一點的油,流量會小一點,原廠原本就設計磨合期前 1000km 時期,會固定在高流量模式來幫助引擎散熱:
所以可以用 VCDS 在引擎選項中,把油壓設定成磨合期 run in模式,這樣就會使機油幫浦常態性保持最高流量,但代價是會比較耗油
2. 渦輪軸承:
https://www.jurnaltribologi.mytribos.org/v30/JT-30-13-23.pdf
渦輪軸承的 oil clearnace 約15um, 由於轉速很高,所以油膜厚度會接近 15um
https://www.highpowermedia.com/Archive/the-turbocharger-bearing-a-unique-challenge
渦輪的軸承間隙,查了兩份資料,內: 20~50um 外:70~100um,內(shaft to bearing)稍微比較小,或許這就是油溫低,未到工作溫度, ECU 會避免全增壓來保護的原因
不過基本上,到了工作油溫,即使是 10W60 的機油,應該油膜厚度也是幾 um ,應該都比 20um 還小,冷車就真的不能大腳了,渦輪附近的油溫聽說是到200多度,會比曲軸軸承更高溫,所以油膜厚度也會更薄
目前想得到最小的油道,油縫看起來, 10W60 都還能用,原廠選用 5W30, 0W20, 應該是在原廠設計的動力下,選高濃度不會保護比較好,只是更耗油而已,但改裝引擎後,原廠選擇的油應該就不適最理想的了,需要在保護性上加強一些
3.汽缸與活塞間:
https://www.researchgate.net/figure/Effect-of-engine-speed-on-oil-film-thickness-between-top-ring-and-cylinder-liner-at-SAE_fig14_282831023
汽缸與汽缸環間的油膜厚度 0~4um:
汽缸環的缺口約為 0.16~0.2吋,這是 400~500um, 需要換算成半徑或直徑來估算 oil clearance,但不知道達工作溫度後會變小多少,只是這樣設計的 oil clearance 應該都明顯高於 4um, 而活塞又比汽缸明顯小,也看不出濃一點的油(10W60)會有油道過小的問題
https://www.aa1car.com/library/ring_end_gap.htm
總之,目前網路上的資料看起來,在常見的機油最高濃度 10W60 也不太會有因為機油過濃油道太小造成潤滑不足的問題,不過看網路上的影片確實聽說過 Benz S500, S600 這類的引擎機油使用過濃,會造成問題,而 EA888 3,4 代,看改裝廠實際使用 10W60 機油並沒有什麼問題,再保守一點我這部 2017 Golf R,德國原廠建議使用的機油為 VW502.00 基本上都是 5W40的機油,所以這顆引擎使用 5W40 機油應該是相當安全,為了因應 ECU 一階改裝,目前我是找 5W40, HTHS 4~4.2的機油來使用,這種機油要找到 VW502.00的也不容易,所以它的添加劑 Mo, Zn, P, Ca 等濃度,SA %我是找跟 VW502.00的相當的.
基於這些原因,我測試了 5W30, 5W40的油溫:
https://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=214&t=6748430&p=1#86962968
當然 5W40 通常引擎的震動度會比較小,這也是我喜歡的,但要注意並不是每一款 5W40的機油 HTHS 都有4以上,其實大部分 5W40 機油 HTHS 也僅有 3.5,跟目前 VW 504.00 的5W30認證一樣而已,要找 HTHS ~4的機油必須要刻意去找:
而近期的引擎裝有 GPF, OPF 的車種如果改引擎後想找非認證油來用則須注意,需要選用添加劑含量更低的,這可以從原廠要求的認證油濃度來參考
