低黏度機油對發動機/整車節能的影響

金海玲，向暉，金先揚， 陶勁峰，劉長期

(1.上海華普汽車有限公司，上海 201501；2.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

低黏度機油對發動機/整車節能的影響

金海玲1，向暉2，金先揚1， 陶勁峰1，劉長期2

(1.上海華普汽車有限公司，上海 201501；2.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

燃料經濟性是現代汽車的發展趨勢，優異的黏度指數改進劑和減摩劑可提高機油的燃料經濟性。根據低黏度機油的特性，結合β-4G15發動機潤滑系統特點，研究低黏度機油對發動機/整車節能的影響。以機油10W40作為基準油，通過發動機倒拖和萬有特性試驗考察了機油0W20、5W20和5W30對發動機減摩和節能的影響，并通過發動機800 h耐久試驗考察了機油5W20對發動機耐久性的影響；以機油10W40作為基準油，通過整車NEDC試驗考察了機油5W20和5W30對整車節能的影響。試驗結果表明：采用低黏度機油可有效提高發動機/整車的燃料經濟性。

燃料經濟性；低黏度機油；耐久性

0 引言

自20世紀七十年代初，為了減少內燃機對日益短缺石油基燃料的依賴，各國都在努力提高發動機燃料經濟性。圖1是各國對乘用車燃料經濟性的法規要求，可知：日本和歐洲國家對乘用車燃料經濟性的要求相對較高。

為推動我國汽車節能技術革新，持續降低我國乘用車燃料消耗量水平，縮小與國外先進水平的差距，從整體上控制我國乘用車燃料消耗量和二氧化碳的排放，使我國乘用車平均燃料消耗量在2020年達到5 L/100 km、對應二氧化碳排放為117 g/km的目標，我國已發布了GB 27999-2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》,要求到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/100 km；節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/100 km以下；商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平。

發動機是汽車的主要動力源，可以從兩個方面來降低發動機的燃料消耗量：一方面通過優化發動機進排氣系統、燃燒系統等來提升發動機的升功率；另一方面是通過改善發動機摩擦條件來降低燃料消耗量。發動機摩擦條件主要由發動機潤滑系統的性能決定，發動機潤滑系統的作用是發動機工作時連續不斷地把機油輸送到全部傳動件的摩擦表面，并在摩擦表面形成油膜，實現液體摩擦，以達到提高發動機工作可靠性和耐久性的目的。

因此，機油作為發動機的“血液”，其燃料經濟性對發動機/整車的節能具有重要的作用。各汽車主機廠和潤滑油公司都在積極開發節能型機油，優異的黏度指數改進劑和減摩劑可有效提高機油的燃料經濟性。目前歐美國家主要以開發優異黏度指數改進劑來實現機油燃料經濟性，而日本主要以開發鉬鹽來實現機油燃料經濟性[1-5]。

圖1 各國對乘用車燃料經濟性的法規要求

作者根據低黏度機油的特性，結合β-4G15發動機潤滑系統特點，研究低黏度機油對發動機/整車節能的影響。以機油10W40作為基準油，通過β-4G15發動機倒拖和萬有特性試驗考察了機油0W20、5W20和5W30對發動機減摩和節能的影響，通過發動機800 h耐久試驗考察了機油5W20對發動機耐久性的影響。此外，以機油10W40作為基準油，通過整車NEDC試驗考察了機油5W20和5W30對整車節能的影響。

1 理論分析

發動機主要有3種不同潤滑狀態的摩擦組件：曲軸和連桿軸承，凸輪和氣門挺桿，活塞和氣缸壁，如圖2所示。

圖2 發動機摩擦組件潤滑機理圖

軸承與軸頸基本處于液體潤滑狀態，摩擦因數與機油黏度具有很好的關聯性，在不出現邊界潤滑的條件下，低黏度機油能使摩擦損失相應減少；凸輪和氣門挺桿的潤滑，存在著邊界潤滑、彈性流體動壓潤滑和混合潤滑狀態；活塞與氣缸壁的摩擦面雖然與軸承相似，但由于高溫及經常改變運動方向，不易保持完全的流體潤滑，特別是上止點附近，氣缸壁會出現磨損和擦傷現象，如果機油的黏度過低且HTHS值偏低，會增大活塞與氣缸壁的磨損[6]。

降低發動機摩擦組件間摩擦因數可以減少發動機的機械損失，進而提高發動機的燃料經濟性。黏度指數改進劑可以改善機油的黏溫性能，適應寬溫度范圍內對機油的黏度要求，可以減少流體潤滑領域的摩擦，有利于降低摩擦組件間的“液體摩擦”，如圖2中右側下移后的曲線(虛線)；摩擦改進劑可以降低摩擦因數，并有效防止零件磨損，減少邊界潤滑和混合潤滑領域的摩擦，有利于降低摩擦組件間的“固體摩擦”，如圖2中左側下移后的曲線(虛線)。因此優異的黏度指數改進劑和減摩劑可以有效提高機油的燃料經濟性。此外在開發和驗證節能型機油時既要考慮機油添加劑的配伍性，也要考慮機油黏度下降后對功率、扭矩的貢獻以及其對發動機耐久性的影響。

2 試驗內容

選用4款機油進行發動機臺架試驗，機油黏度等級分別為：0W20、5W20、5W30和10W40，如表1所示。依據GB/T 18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》，分別對搭載機油0W20、5W20、5W30和10W40的β-4G15發動機進行倒拖試驗和萬有特性試驗，考察低黏度機油對發動機節能的影響；依據GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》，對搭載機油5W20的β-4G15發動機進行800 h耐久試驗，考察低黏度機油對發動機耐久性的影響。搭載的β-4G15發動機信息如表2所示。

表2 發動機信息

此外，試驗依據GB/T 19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》，分別對搭載機油5W20、5W30和10W40的CE-1P乘用車進行NEDC試驗，考察低黏度機油對整車節能的影響，搭載的CE-1P乘用車信息如表3所示。

表3 乘用車信息

3 試驗結果與分析

圖3為機油溫度控制在60和100 ℃時，使用機油0W20、5W20、5W30和10W40進行發動機倒拖試驗后的發動機機械損失對比圖。可知：低黏度機油可以減少發動機的摩擦損失,且溫度越低，低黏度機油對減少發動機摩擦損失的效果越明顯。

圖3 發動機機械損失對比圖

圖4為機油溫度控制在90 ℃時，使用機油0W20、5W20、5W30和10W40進行發動機萬有特性試驗后的發動機油耗特性圖。可知：使用低黏度機油可以降低發動機油耗，提高發動機燃料經濟性,其中使用機油5W20的發動機節能效果最好，使用機油0W20的發動機節能效果次之，使用機油5W30的發動機節能效果不明顯。

圖4 發動機油耗特性對比圖

使用低黏度機油可能會影響到發動機的耐久性，因此安排了搭載機油5W20的β-4G15發動機800 h耐久試驗(機油換油周期為50 h)。通過檢測使用過機油的運動黏度、總酸值、總堿值、燃料稀釋率、元素含量等理化指標，分析判斷機油老化變質情況，評估低黏度機油5W20對發動機耐久性的影響，檢測數據如圖5所示。可知:(1)使用過的機油40 ℃和100 ℃運動黏度(KV40和KV100)較新油下降正常，100 ℃運動黏度(KV100)下降率基本可以控制在25%以內；(2)使用過的機油總酸值或總堿值較新油波動正常，其變化可以控制在±1 mgKOH/g以內；(3)使用過的機油燃油稀釋率正常，可以控制在3.5%以內；(4)使用過的機油氧化度和硝化度可以控制在20 A/cm-1以內，機油老化正常；(5)使用過的機油元素含量正常，其中鈣(Ca)、鋅(Zn)、硼(B)、鉬(Mo)、鎂(Mg)、磷(P)主要來自添加劑的損耗；鐵(Fe)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)主要來自發動機摩擦副的磨損；硅(Si)主要來自外界的污染。鐵、鋁、銅等元素含量降低，說明發動機潤滑系統無明顯磨損。因此，使用低黏度機油5W20可以滿足β-4G15發動機的耐久性要求。

為進一步驗證低黏度機油5W20對β-4G15發動機耐久性的影響，安排了800 h耐久試驗后β-4G15發動機拆機，發動機拆機后主要摩擦零件的照片如圖6所示。

圖5 機油理化檢測數據

圖6 主要摩擦零件照片

由圖6可知: β-4G15發動機潤滑系統主要摩擦零件無明顯磨損，因此，使用低黏度機油5W20可以滿足β-4G15發動機的耐久性要求。

表4為搭載機油5W20、5W30和10W40進行整車NEDC試驗所得數據，可知：使用低黏度機油可以提高整車燃料經濟性，其中以搭載機油5W20的整車燃料經濟性表現最佳。相對于基準機油10W40，使用5W20機油可使整車的市區工況燃料消耗量持平，市郊工況燃料消耗量下降2.34%，綜合工況燃料消耗量下降1.91%。

表4 NEDC試驗數據

4 總結

(1)優異的黏度指數改進劑和減摩劑可以有效提高機油的燃料經濟性。

(2)使用低黏度機油可以減少發動機的摩擦損失和降低發動機的油耗，對發動機的節能效果明顯。

(3)低黏度機油5W20可以滿足β-4G15發動機的耐久性要求。

(4)使用低黏度機油可以提高整車的燃料經濟性。相對于基準機油10W40，使用5W20機油可使整車綜合工況燃料消耗量下降1.91%，對整車的節能效果明顯。

[1]van DAM W,MILLER T,PARSONS G.Optimizing Low Viscosity Lubricants for Improved Fuel Economy in Heavy Duty Diesel Engines[R].SAE Paper No.2011-01-1206.

[2]OKUYAMA Y,SHIMOKOJO D,SAKURAI T,et al.Study of Low-viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability[R].SAE Paper No.2011-01-1247.

[3]DARDIN A,HEDRICH K,MüLLER M,et al.Influence of Polyalkylmethacrylate Viscosity Index Improver on the Efficiency of Lubricants[R].SAE Paper No.2003-01-1967.

[4]HEDRICH K,SCHERER M,HERZOG S N,et al.The Influence of Dispersant PAMA on Soot Handling,Wear,and Fuel Economy in Heavy Duty Diesel Oils[R].SAE Paper No.2003-01-1959.

[5]KASAI M,NAKAJIMA K.Fuel Saving Four-stroke Engine Oil for Motorcycles[R].SAE Paper No.2006-32-0014.

[6]薛景文.摩擦學及潤滑技術[M].北京:兵器工業出版社,1992:1-2.

InfluenceofLowViscosityLubricantsonFuelEconomyinEngineandVehicle

JIN Hailing1, XIANG Hui2, JIN Xianyang1, TAO Jinfeng1, LIU Changqi2

(1.Shanghai Maple Automobile Co., Ltd., Shanghai 201501,China;2.Guangzhou Mechanical Science Research Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700,China)

Fuel economy is the development trend of modern automobile. Excellent viscosity index improver and friction modifier can improve the engine lubricant fuel economy. According to the characteristics of the low viscosity lubricants and β-4G15 engine lubricating system structure, the influence of low viscosity lubricants on fuel economy in engine and vehicle were studied systematically.Through the engine motored and BSFC test bench,it was demonstrated that the candidate engine lubricants 0W20,5W20 and 5W30 were better engine fuel economy and less friction loss than 10W40.And through the engine durability test bench, it was demonstrated that lubricant 5W20 can satisfy the performance of β-4G15 engine durability. Through the vehicle NEDC test,it was demonstrated that the candidate engine lubricants 5W20 and 5W30 were better vehicle fuel economy than 10W40. The results show that the low viscosity lubricant can effectively improve engine and vehicle fuel economy.

Fuel economy; Low viscosity lubricants; Durability

TE626.3

B

1674-1986(2017)11-056-06

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.014

2017-10-31

金海玲(1980—)，女，碩士，工程師，主要從事車用燃料、潤滑油和添加劑的技術研究和應用。E-mail:jhlking@163.com。