車用潤滑油燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法開發(fā)

賈旭巖，鄧本福，朱和菊，孫瑞雨，李程

(1.天津索克汽車試驗(yàn)有限公司，天津 300300；2.中國石化潤滑油有限公司北京研究院，北京 100085)

0 引言

隨著我國汽車保有量逐年增多，能源、環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。為節(jié)約能源， GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》[1]和GB 27999-2019《乘用車燃料消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)》[2]兩項(xiàng)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，要求至2020年乘用車平均燃油消耗水平降至5.0 L/100 km，這給汽車制造廠商提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在當(dāng)前日益成熟的發(fā)動機(jī)技術(shù)水平條件下，潤滑油作為發(fā)動機(jī)工作時(shí)的主要介質(zhì)，對機(jī)械效率、燃油經(jīng)濟(jì)性的影響日趨明顯，研究表明，潤滑油對發(fā)動機(jī)節(jié)能貢獻(xiàn)可達(dá)1%～3%[3]，節(jié)能型潤滑油可作為降低油耗的重要技術(shù)手段。

如何客觀地評價(jià)車用潤滑油對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響是從業(yè)者面臨的重要問題。當(dāng)前潤滑油對燃油經(jīng)濟(jì)性影響評價(jià)手段包括整車轉(zhuǎn)轂測試和發(fā)動機(jī)臺架測試兩種。

整車轉(zhuǎn)轂測試可直接獲得潤滑油對整車燃油經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)，但是受限于試驗(yàn)室測試設(shè)備及環(huán)境、駕駛員操作、傳動系統(tǒng)總機(jī)械效率、輪胎、蓄電池電壓等變量因素影響，測試結(jié)果重復(fù)性誤差基本在1%～2%，無法很好識別發(fā)動機(jī)潤滑油的燃油經(jīng)濟(jì)性能差異[4-5]。

美國石油學(xué)會(API)、歐洲汽車制造協(xié)會(ACEA)、國際潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及認(rèn)證委員會(ILSAC)等行業(yè)組織均對節(jié)能潤滑油評價(jià)均采用發(fā)動機(jī)臺架測試，如API出臺的程序VIE(GF-6A)和VIF(GF-6B)[6]和ACEA正在使用的M111[7-8]測試方法。

乘用車制造企業(yè)和潤滑油公司也紛紛出臺了自己的基于發(fā)動機(jī)臺架燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法，同時(shí)行業(yè)內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)方法的比較研究[9-11]，筆者認(rèn)為發(fā)動機(jī)臺架測試由于邊界條件可控，測試重復(fù)性較高，可區(qū)分出不同潤滑油對燃油經(jīng)濟(jì)性影響差異。

目前較為常用的臺架測試方法為發(fā)動機(jī)倒拖測試和穩(wěn)態(tài)循環(huán)測試，以上兩種測試方法，所獲得測試結(jié)果無法直接與整車燃油消耗率法規(guī)測試相結(jié)合，即主機(jī)廠無法直接獲得燃油消耗率法規(guī)測試時(shí)，潤滑油對燃油的經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)。

基于上述情況，本評價(jià)方法將發(fā)動機(jī)臺架測試與整車測試相結(jié)合，即采用發(fā)動機(jī)臺架測試手段模擬整車油耗法規(guī)測試，充分利用兩者的優(yōu)勢。通過對測試程序的創(chuàng)新和完善，進(jìn)一步提高測試精度，同時(shí)在保證測試精度及測試可區(qū)分度的前提下，使得臺架測試結(jié)果與整車法規(guī)測試結(jié)果強(qiáng)相關(guān)，測試結(jié)果能夠直接服務(wù)于汽車制造企業(yè)潤滑油篩選和潤滑油公司產(chǎn)品開發(fā)。

1 評價(jià)方法介紹

結(jié)合GB 27999-2019《乘用車燃料消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)》對第五階段燃料消耗量測量方法的要求，本評價(jià)采用發(fā)動機(jī)臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試。WLTC測試循環(huán)包括低速、中速、高速和超高速四個(gè)部分組成，總時(shí)長為1800 s，行駛里程為23.27 km，循環(huán)工況如圖1所示。

圖1 WLTC循環(huán)曲線

發(fā)動機(jī)臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試是在假設(shè)發(fā)動機(jī)燃燒熱效率一致的前提下，通過整車循環(huán)測試直接獲得車輛測試過程中相關(guān)參數(shù)，并采用發(fā)動機(jī)臺架測試方式復(fù)現(xiàn)整車循環(huán)測試。在發(fā)動機(jī)凈輸出功率、環(huán)境參量與整車循環(huán)一致條件下，考察不同潤滑油對燃油消耗影響。

該測試方法分為三階段進(jìn)行，分別為整車WLTC循環(huán)測試、整車測試循環(huán)轉(zhuǎn)化為臺架測試循環(huán)、臺架測試階段。其中整車循環(huán)測試裝車發(fā)動機(jī)與臺架測試用發(fā)動機(jī)一致。

1.1 整車循環(huán)測試

整車循環(huán)測試目的為獲取相應(yīng)參量，并作為臺架測試循環(huán)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對于某一款試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行潤滑油燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)前，采用其相對應(yīng)的整車進(jìn)行燃油消耗率法規(guī)測試，并讀取測試過程中ECU參數(shù)，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、冷卻液溫度及潤滑油溫度。整車循環(huán)測試中記錄ECU相關(guān)輸出參量及監(jiān)測意義如下：

(1)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩。監(jiān)測并記錄整車測試中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、凈輸出扭矩，保證模擬循環(huán)測試時(shí)發(fā)動機(jī)對外輸出功率與整車測試時(shí)相一致。

(2)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度。冷卻液溫度對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性存在影響，溫度過低，發(fā)動機(jī)噴油量增加，同時(shí)熱效率降低；溫度過高，發(fā)動機(jī)充氣效率降低，燃燒不充分。為保證模擬循環(huán)測試能夠復(fù)現(xiàn)整車循環(huán)工作狀態(tài)，需控制模擬循環(huán)測試時(shí)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度與整車測試時(shí)相一致。

(3)油底殼機(jī)油溫度。機(jī)油溫度對發(fā)動機(jī)摩擦阻力存在直接影響，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。為保證臺架模擬循環(huán)測試能夠復(fù)現(xiàn)整車循環(huán)工作狀態(tài)，需控制模擬循環(huán)測試時(shí)機(jī)油溫度與整車測試時(shí)相一致。

1.2 整車測試循環(huán)轉(zhuǎn)化為臺架模擬測試循環(huán)

發(fā)動機(jī)臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試為逐秒變化的瞬態(tài)測試循環(huán)，循環(huán)長度及每測試點(diǎn)工況包括轉(zhuǎn)速、凈輸出扭矩、冷卻液溫度、油底殼機(jī)油溫度與整車循環(huán)測試時(shí)發(fā)動機(jī)工況基本一致，整個(gè)測試循環(huán)要求能夠復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)樣機(jī)在整車測試時(shí)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)。

1.3 臺架測試階段

臺架測試階段規(guī)范了評價(jià)前處理流程、循環(huán)測試邊界條件控制要求及數(shù)據(jù)處理方式。

評價(jià)前處理程序包括潤滑油更換程序、發(fā)動機(jī)狀態(tài)確認(rèn)程序。

潤滑油添加劑會在發(fā)動機(jī)摩擦副上有一定程度的附著，當(dāng)添加劑中含有減摩劑如鉬鹽時(shí)，這種附著會對下一次測試結(jié)果造成較大影響，為盡可能排除掉上次測試殘存潤滑油對測試結(jié)果的影響，需規(guī)范潤滑油路清洗流程及清洗次數(shù)。結(jié)合已有驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為4次潤滑油路清洗，分別為兩次清洗油清洗和兩次待測潤滑油清洗，同時(shí)每次清洗需更換機(jī)油濾清器，基本可以消除掉殘留潤滑油對測試結(jié)果的影響。

正式測試前潤滑油加注量的多少會對發(fā)動機(jī)工作時(shí)油膜厚度和摩擦阻力的大小產(chǎn)生一定影響，因此需針對試驗(yàn)樣機(jī)情況，規(guī)定正式測試前潤滑油加注量。

發(fā)動機(jī)狀態(tài)的穩(wěn)定性情況對測試結(jié)果造成直接影響，尤其是在對比不同潤滑油之間燃油經(jīng)濟(jì)性差異時(shí)，因此需在正式測試前對發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行考察。發(fā)動機(jī)狀態(tài)考察可采用凈功率和負(fù)荷特性方式進(jìn)行，測試方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》[12]，其中測試工況點(diǎn)可結(jié)合試驗(yàn)樣機(jī)循環(huán)測試時(shí)工況占比選取。

正式循環(huán)測試時(shí)，本著單一變量的原則，需規(guī)范邊界條件測試起點(diǎn)，包括潤滑油溫度及冷卻液溫度；測試過程中潤滑油溫度曲線及冷卻液溫度曲線與整車循環(huán)目標(biāo)值差異限值及重復(fù)性測試時(shí)各自差異限值；同時(shí)對其他邊界條件進(jìn)行規(guī)范，如進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度以及供電電壓等；對測試用燃油進(jìn)行規(guī)范。

對于循環(huán)測試結(jié)果處理，通過對循環(huán)過程中各測試點(diǎn)燃油消耗量進(jìn)行積分，獲得循環(huán)燃油消耗量。結(jié)合燃油密度、模擬行駛里程等參量，計(jì)算出模擬循環(huán)燃油消耗率，如對同一潤滑油進(jìn)行多次重復(fù)性測試，需考察測試標(biāo)準(zhǔn)差以評估測試結(jié)果可靠性。

2 驗(yàn)證及結(jié)果

本階段采用上述測試方法進(jìn)行同一潤滑油測試結(jié)果的重復(fù)性、與整車關(guān)聯(lián)性情況，以及不同潤滑油對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響可區(qū)分性驗(yàn)證工作。

其中測試結(jié)果重復(fù)性以及與整車關(guān)聯(lián)性情況驗(yàn)證，采用同一潤滑油進(jìn)行5次重復(fù)性測試，考察測試邊界條件一致性、測試結(jié)果重復(fù)性狀況，并結(jié)合試驗(yàn)燃油密度、循環(huán)模擬行駛里程計(jì)算出循環(huán)燃油消耗率，對比整車燃油消耗率測試結(jié)果，考察臺架測試結(jié)果與整車關(guān)聯(lián)性情況。

不同潤滑油對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響可區(qū)分性驗(yàn)證工作，分別采用潤滑油R及潤滑油A進(jìn)行臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試，測試順序?yàn)镽/A/R，通過A測試結(jié)果與R測試結(jié)果均值對比，考察兩者測試結(jié)果差異。

其中，整車WLTC循環(huán)測試已提前完成，并獲得所需控制參數(shù)及測試結(jié)果。所選用潤滑油為R，燃油與臺架測試一致。

2.1 測試對象及設(shè)備

測試用潤滑油選取如表1所示。

表1 測試潤滑油

測試用發(fā)動機(jī)為某款1.5 TGDI發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)屬國Ⅵ系列發(fā)動機(jī)，排量為1.5 L，額定功率為124 kW，具體參數(shù)見表2，發(fā)動機(jī)在臺架試驗(yàn)室狀態(tài)如圖2所示。

表2 臺架試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)

圖2 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)室狀態(tài)

整車循環(huán)測試車輛：搭載上述發(fā)動機(jī)的某款B級乘用車，車輛已運(yùn)行里程為10231 km，且車輛狀態(tài)穩(wěn)定。

發(fā)動機(jī)臺架測試中各參量控制(測試)方式及涉及到試驗(yàn)設(shè)備如表3所示。

表3 臺架測試設(shè)備

2.2 重復(fù)性及與整車一致性驗(yàn)證

2.2.1 邊界條件一致性

圖3～圖6為5次重復(fù)性測試中邊界條件控制情況。

圖3 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一致性

圖4 發(fā)動機(jī)扭矩一致性

圖5 油底殼潤滑油溫度曲線

圖6 冷卻液溫度曲線

圖3～圖6中整車曲線是指整車WLTC循環(huán)測試時(shí)ECU相關(guān)輸出參量，對比模擬測試曲線與整車測試曲線變化情況可知，在發(fā)動機(jī)臺架WLTC模擬循環(huán)測試中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油底殼潤滑油溫度、冷卻水溫與整車測試目標(biāo)曲線基本一致，臺架模擬循環(huán)測試中發(fā)動機(jī)能夠復(fù)現(xiàn)其在整車測試時(shí)工作狀態(tài)。

5次重復(fù)性測試時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩瞬態(tài)響應(yīng)及重復(fù)性測試一致性較好；各測試點(diǎn)油底殼機(jī)油溫度變化趨勢一致，最大重復(fù)性差異不超過±2.5 ℃；冷卻液溫度變化趨勢一致，且各測試點(diǎn)溫度最大重復(fù)差異不超過±2.5 ℃。發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)室測控設(shè)備動態(tài)響應(yīng)及控制精度滿足模擬測試需求。

2.2.2 測試結(jié)果一致性及與整車關(guān)聯(lián)性

表4為R潤滑油進(jìn)行5次重復(fù)性測試燃油消耗量結(jié)果，由表4可知，在5次重復(fù)性測試中，臺架模擬循環(huán)測試燃油消耗量相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.1%，測試結(jié)果重復(fù)性情況滿足潤滑油對燃油經(jīng)濟(jì)性差異區(qū)分需求。

表4 R燃油消耗率測試結(jié)果

基于R潤滑油測試結(jié)果均值，燃油密度以及所模擬行駛里程，計(jì)算出循環(huán)燃油消耗率，臺架循環(huán)燃油消耗率與整車測試結(jié)果對比情況如表5所示，臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試結(jié)果與整車WLTC循環(huán)測試結(jié)果均值相差為0.07 L/100 km，兩者有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

表5 臺架測試結(jié)果與整車測試結(jié)果比較

2.3 可區(qū)分性驗(yàn)證

分別應(yīng)用R潤滑油與A潤滑油進(jìn)行臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試，測試順序?yàn)镽1/A/R2，每樣品均進(jìn)行5次重復(fù)性測試，測試結(jié)果如表6所示，其中R1結(jié)果為重復(fù)性驗(yàn)證工作中R測試結(jié)果。

由數(shù)據(jù)可知，每種潤滑油進(jìn)行5次重復(fù)性測試，測試結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)差未超過0.1%，且R潤滑油兩次測試均值相差不超過0.05%，測試系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有較高的重復(fù)性水平。

如圖7所示，本次驗(yàn)證中，相對于R潤滑油，應(yīng)用A潤滑油進(jìn)行臺架模擬WLTC循環(huán)測試時(shí)，燃油消耗量降低0.38%，燃油消耗量的降低主要體現(xiàn)在低速階段，其他車速區(qū)間未有明顯區(qū)別。WLTC循環(huán)測試中，低速區(qū)間段溫度較低，而A潤滑油低溫黏度較參比油小，造成摩擦阻力相對較小，燃油消耗量降低。

表6 可區(qū)分性驗(yàn)證結(jié)果

圖7 可區(qū)分性驗(yàn)證結(jié)果

綜合上述分析，本評價(jià)方法從測試結(jié)果的重復(fù)性、不同潤滑油間結(jié)果的可區(qū)分性、臺架測試結(jié)果與整車關(guān)聯(lián)性的角度看，滿足不同潤滑油對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響評估需求，可直接服務(wù)于整車制造企業(yè)的初裝油選型及潤滑油和添加劑公司的產(chǎn)品研發(fā)。

3 結(jié)論

(1)發(fā)動機(jī)臺架模擬WLTC循環(huán)測試方法邊界條件可控，能夠復(fù)現(xiàn)整車WLTC循環(huán)測試時(shí)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)。

(2)對于同一潤滑油，發(fā)動機(jī)臺架模擬整車WLTC循環(huán)測試結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.1%。

(3)發(fā)動機(jī)臺架模擬WLTC循環(huán)測試燃油消耗率計(jì)算結(jié)果與整車測試結(jié)果接近，具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

(4)本評價(jià)方法對于不同潤滑油對燃油經(jīng)濟(jì)性影響差異具有明顯的可區(qū)分性。

(5)本評價(jià)方法可直接服務(wù)于主機(jī)廠及潤滑油公司產(chǎn)品研發(fā)。

(6)本評價(jià)方法不局限于模擬整車WLTC循環(huán)測試，通過邊界控制調(diào)整，可適用于其他瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)燃油消耗測試。