低黏度機油對汽油發動機燃油經濟性的影響研究

史程中，賀 娜，鐘建勤，周 付，張 威，張元東，袁 爽，沈 源，王瑞平,2

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，寧波 315000； 2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，寧波 315800)

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2015189

低黏度機油對汽油發動機燃油經濟性的影響研究

史程中1，賀 娜1，鐘建勤1，周 付1，張 威1，張元東1，袁 爽1，沈 源1，王瑞平1,2

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，寧波 315000； 2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，寧波 315800)

為揭示低黏度機油對發動機燃油經濟性的影響，選用5種機油(3種不同黏度低黏度機油SN 0W-20、作為基礎油的SL 5W-30和高黏度機油SL 10W-40)進行了一系列的臺架對比試驗，包括發動機機械損失試驗、外特性試驗、萬有特性試驗、基于NEDC工況的模擬工況試驗等。試驗結果表明，與基礎油相比，使用低黏度機油時發動機的燃油消耗降低了1%～2%，而在3種低黏度機油中，黏度越低，節油率越高。

發動機；燃油經濟性；低黏度機油；臺架試驗

前言

發動機機油不僅承擔著關鍵的潤滑作用，同時還起著冷卻、密封、清潔、防銹和緩和沖擊負荷等作用[1]，在發動機中起著重要作用。各大OEM在研發不同類型的發動機時皆須選擇不同類型和黏度等級的機油，以滿足發動機的使用要求，同時確保發動機擁有可靠的耐久性能。

隨著油耗法規的日益嚴格和環保意識的逐步增強，如何在選擇合適機油的同時兼顧燃油經濟性，就成了OEM必須要考慮的問題。不同黏度的機油在機械損失和燃油消耗方面都有不同的表現。在歐美市場，已有眾多OEM使用黏度級別為0W-20的機油[2]，甚至在此基礎上，研發出自己規格的專用機油，而亞洲市場，技術領先的日本，已開始使用16級別甚至8級別的機油。近年來，低黏度機油在國內也越來越受到關注。隨著油耗法規、發動機技術和油品技術的推動，越來越多的有關公司致力于高性能、低油耗的環保型機油開發，為各大OEM提供了更多更好的選擇。

本文中根據發動機的特點，對目前市場上普遍使用的10W-40，5W-30和0W-20進行細致深入的臺架試驗，探究低黏度機油的節油潛力和不同廠商低黏度機油之間的節油差異。

1 試驗用油

本文中定義的低黏度機油為相對概念。目前國內使用的發動機機油普遍為5W-30，因而將黏度相對較低的0W-20定義為低黏度機油。研究中使用符合API[3]和SAE[4]規范的SL 5W-30作為基礎油，SN 0W-20和SL 10W-40作為試驗油進行研究，試驗用油黏度特性見表1。

表1 試驗油黏度特性

2 試驗發動機

試驗使用的發動機為吉利自主開發的1.5L汽油機，部分性能參數見表2。試驗使用AVL臺架及相關測試設備。

表2 發動機性能參數表

3 試驗程序

每種機油試驗前，須按試驗規范完成以下準備：

(1) 使用測試機油清洗發動機2次，第3次加注的機油用于油耗試驗；

(2) 測試機油在全速全負荷工況磨合2h；

(3) 每次換油均更換新機油濾清器；

(4) 為保證不同機油同一液位，測試機油精確測量質量：機油液位中線偏上，首次加注3 150g，平均整個測試加注3 360g。

試驗時，按表1中試驗油品序號：3a→2→3b→1→3c的次序進行機油的更換與試驗。每種機油進行4種試驗，試驗程序[5]如下：

(1) 機械損失試驗(冷機狀態下油門全開、全關，熱機狀態下油門全開、全關)；

(2) 外特性試驗；

(3) 萬有特性試驗；

(4) 模擬工況試驗(3種溫度條件：35±5℃，55±5℃，95±5℃)。

4 臺架油耗試驗

4.1 機械損失試驗

機械損失試驗使用倒拖法[6]進行，分別測試冷機油門全開、全關和熱機油門全開、全關狀態下發動機的機械損失轉矩。為保證試驗的準確性，相同工況點機油溫度的變動控制在2℃范圍內。

4.1.1 冷機狀態

試驗結果見圖1和圖2。與5W-30相比，3種0W-20的機械損失在各個轉速下均有降低。3種0W-20中，由于3c的KV40最小，因此3c的機械損失也最小，相比于5W-30，其機械損失全轉速降幅達到3～5N·m，而10W-40的機械損失在油門全開的情況下與5W-30基本一致，油門全關的情況下略有升高，符合潤滑理論的機理[7]和黏度變化的趨勢[8]。

4.1.2 熱機狀態

熱機狀態，試驗油溫由冷機時的40℃左右提高至80～100℃之間。隨著油溫的升高，油品之間的黏度差異也相應減小，此時KV100占主導。試驗結果見圖3和圖4?？梢钥闯?，相比于冷機狀態測試，無論是油門全開還是油門全關，5種機油的機械損失轉矩整體減小5N·m左右，且5種機油之間的機械損失轉矩的差異(范圍)也相應減小，3種0W-20與5W-30相比，全轉速范圍內的機械損失轉矩降幅減小到2N·m以內，變化趨勢與冷機狀態一致。

由于3種0W-20的KV100很接近，因此，其機械損失轉矩也很接近，其中3c的KV100最小，其機械損失轉矩也最小。試驗結果很好地印證了機油黏溫特性和潤滑理論。

4.2 外特性試驗

試驗結果如圖5和圖6所示。外特性試驗中，相同工況點機油溫度(圖7)控制在2℃以內，出水溫度(圖8)控制在3℃以內。從試驗結果(圖5和圖6)可以看出，5種機油的修正功率基本一致，但低黏度機油的修正轉矩略有增加，相比于5W-30，3種0W-20的轉矩增加1～2N·m，10W-40轉矩最低。

同等功率輸出的情況下，由于機械損失減小，轉矩增加。

4.3 萬有特性試驗

萬有特性試驗中，將全MAP油耗率按點對點相減的方式進行簡單的算術計算，從而得到各試驗油相對于基礎油的節油比。

相比于5W-30，低黏度機油0W-20和10W-40的油耗MAP見圖9。從試驗結果可以看出，低黏度機油0W-20的油耗區域比基礎油5W-30有所擴大，且最小油耗區域面積也增大，說明在萬有特性中，低黏度機油有更好的油耗結果，而10W-40則更加費油。

圖10為全MAP低黏度機油0W-20和10W-40相比于基礎油5W-30的節油量，圖譜上線條數值為正的區域為節油，圖譜上線條數值為負的區域為費油，顏色越深(數值絕對值越大)，說明節油量、費油量越大。從圖10可以看出，低黏度機油0W-20最大的節油區域為高速和低負荷區域，而常用轉速范圍內的節油量不大。

相比于5W-30(2)，0W-20(3a)全MAP節油率為0.733%，0W-20(3b)的節油率為0.807%，0W-20(3c)的節油率為0.694%，10W-40(1)的節油率為-0.7%。

4.4 模擬工況點試驗

模擬工況點試驗是模擬發動機在整車NEDC[9]試驗中的油耗試驗。本次試驗通過整車油耗仿真，得到發動機端12個具有代表性的工況點，這12個工況點的油耗代表了整車NEDC仿真油耗的97%以上。因此，在沒有進行整車NEDC轉鼓試驗前，可用這12個模擬工況點的油耗近似代表整車NEDC的油耗，以快速預判低黏度機油在整車中的實際表現。模擬工況點見表3。

表3 模擬工況點

試驗在3個機油溫度下進行，分別是35±5℃，55±5℃和95±5℃，分別代表發動機的冷起動工況、熱機工況和持續運行工況。試驗過程中，各試驗溫度下的相同工況點油溫控制在2℃以內，水溫控制在3℃以內。

模擬工況點試驗結果見表4。根據NEDC中JLB-4G15發動機的機油溫升曲線(圖11)，35±5℃的油耗結果代表NEDC中溫度區間為25～50℃的油耗，運行時間約300s；55±5℃的油耗結果代表NEDC中溫度區間為50～70℃的油耗，運行時間約300s；95±5℃的油耗結果代表NEDC中溫度大于70℃以上的油耗，運行時間約600s。根據運行時間的占比，對3種溫度下的油耗結果進行1∶1∶2的加權平均處理，最終得到模擬工況中全溫度范圍內的油耗結果。

表4 模擬工況油耗結果 %

從試驗結果可以看出，與基礎油5W-30相比，10W-40節油比為-1.08%；0W-20(a)節油比為0.89%；0W-20(b)節油比為1.04%；0W-20(c)節油比為1.62%。3種0W-20中，得益于相對較低的機油黏度，3c的節油比最大，節油效果最明顯，與3a相比，3c的節油效果提升82%。模擬工況點油耗試驗結果符合機油黏度變化趨勢。

5 機油壓力

在使用低黏度機油之后，發動機系統油壓降低，特別是在熱怠速和額定轉速，表5為機油壓力測試結果。從表5中可看出，3種低黏度機油的油壓均低于發動機系統油壓需求。

表5 機油壓力測試結果

由于受臺架所限，機油溫度均低于130℃，在整車駕駛中，在最苛刻的條件下，機油溫度能達到140℃以上，甚至150℃以上，這就對發動機系統油壓提出了更高的要求。為保證發動機的性能，必須在追求更低的油耗率之前率先保證發動機功能。

6 結論

通過發動機臺架試驗，相比于基礎油SL 5W-30，可得到以下結論：

(1) 低黏度機油SN 0W-20具有一定的節油效果，發動機臺架上節油效果在2%以內，最終節油效果需要在整車NEDC中測量；

(2) 不同廠家同樣SN 0W-20機油，黏度越低，節油效果越明顯；

(3) 使用SN 0W-20低黏度機油之后，發動機潤滑系統油壓會降低，開發前須分析驗證系統壓力是否滿足發動機要求。

(4) 本文中研究為低黏度機油在發動機和整車上的運用提供了參考。

為了進一步驗證低黏度機油的適用性，后續還需進行低黏度機油發動機臺架耐久試驗、整車耐久試驗和機油消耗試驗等試驗，并在試驗后對發動機進行拆解，對摩擦副進行評價。

[1] 陸玉靖.發動機機油的作用與選擇[J].桂林航天工業高等?？茖W校學報,2005(4):61.

[2] 吳長彧.2009年及2010年美國最新內燃機油規格進展[J].潤滑油,2010(33):35-42.

[3] API Engine Oil Classifications For Service Fill Oils 2010[S].2010.

[4] SAE J300—2013 Engine Oil Viscosity Classification[S].2013.

[5] GB/T 18297—2001汽車發動機性能試驗方法[S].2001.

[6] 王建昕,帥石金.汽車發動機機原理[M].北京:清華大學出版社,2011.

[7] Yosuke Okuyama, Daichi Shimokoji. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability[C]. SAE Paper 2011-01-1247.

[8] 粟斌.發動機潤滑油粘度等級對其性能的影響[J].潤滑與密封,2011,36(1):92-94.

[9] Pudelski John, Sutton Mike, Jones Craig. Improving Vehicle Fuel Efficiency with Different Engine Oils[C]. 1stAachen Colloquium China,2011.

A Study on the Effects of Low Viscosity Oil on theFuel Economy of a Gasoline Engine

Shi Chengzhong1, He Na1, Zhong Jianqin1, Zhou Fu1, Zhang Wei1, Zhang Yuandong1,Yuan Shuang1, Shen Yuan1& Wang Ruiping1,2

1.NingboGeelyRoyalEngineComponentsCo.,Ltd.,Ningbo315000; 2.ZhejiangGeelyRoyalEngineCo.,Ltd.,Ningbo315800

For revealing the effects of low viscosity oil on the fuel economy of engine, 5 different grade lubricating oils (3 low viscosity oils SN 0W-20 with different viscosities, SL 5W-30 as base oil and a high viscosity oil SL 10W-40) are chosen to carry out a series comparative bench tests including engine mechanical loss test, full load test, mapping characteristics test and NEDC-cycle-based key operation points test. Test results show that compared with base oil, the fuel consumption of engine using low viscosity oils reduces by 1%～2%, and among 3 low viscosity oils, the oil with lower viscosity has a higher fuel saving rate.

engine; fuel economy; low viscosity oil; bench test

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月7日。