低黏度潤滑油對汽車燃油經濟性的影響研究*

莫易敏 羅旭 劉青春 呂俊成 張偶

（1.武漢理工大學，武漢430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州540057）

主題詞：低黏度 潤滑油 發動機 臺架試驗 燃油經濟性

1 前言

提高汽車燃油經濟性有助于緩解資源短缺問題[1]，國內外學者針對燃油經濟性的提升開展了很多研究：王震等[2]通過改裝48 V微混系統，利用優化高轉速起動控制、加速電機助力、制動能量回收等控制策略達到降低燃油消耗量的目的；龐鳳[3]采用發動機低慣量增壓器、電磁離合器風扇和優化整車結構等方法降低燃油消耗量；Macian等[4]研究了15W40、5W30和10W40 3種不同黏度潤滑油對燃油經濟性的影響，結果表明，低黏度潤滑油可以降低燃油消耗量，同時產生更少的CO、CO2、HC 等污染物。上述方法適用范圍有限，不能為已生產車輛提供最優的解決方案。

本文通過發動機臺架試驗對測試油0W20 和參比油5W30 的機械摩擦損失進行測試，比較2 種發動機潤滑油對發動機燃油經濟性的影響，并針對3 款測試油0W20 進行整車燃油經濟性試驗，對比分析含不同添加劑的低黏化發動機潤滑油對整車燃油經濟性的影響。

2 試驗用潤滑油與發動機臺架試驗

2.1 試驗用潤滑油和發動機

試驗采用的是直列四缸渦輪增壓直噴發動機，其基本參數如表1所示。

表1 發動機主要參數

所用潤滑油以原廠潤滑油SM 5W30 作為參照，配制出3 款不同類型的低黏度SM 0W20 潤滑油。為減少除黏度外其他因素對燃油經濟性的影響，在配制過程中采用相同質量等級的基礎油和相同品牌的添加劑，但潤滑油黏度降低后，會導致摩擦副從流體潤滑狀態向邊界/混合潤滑狀態轉化，使得摩擦力增大、磨損增加，因此在試驗油中加入一定量的含鉬添加劑[5]，以減小這種負面影響。4種試驗油主要參數如表2所示。

表2 試驗油基本參數

2.2 試驗設備與試驗流程

本文采用倒拖法，以摩擦力矩為參照衡量節氣門全開和全閉2種狀態下的機械損失[6]。使用AVL自動控制試驗臺架，并與發動機搭接，如圖1所示，試驗現場如圖2所示。發動機通過電力測功機倒拖工作，利用冷卻液溫控系統和油溫控制系統滿足試驗過程中的溫度要求，以減小溫度對潤滑油黏度的影響。試驗開始前，先將試驗發動機進行5 h左右的磨合處理，同時在試驗過程中控制變量，使其滿足如表3所示的要求。

圖1 臺架試驗系統

圖2 試驗現場

表3 試驗過程中的基本要求

試驗開始時，需對發動機進行熱機操作，使其在額定轉速的75%左右和20%左右的負載條件下運行，潤滑油溫度和冷卻液溫度在誤差范圍內。節氣門全開，發動機以額定速度工作，然后關閉潤滑油回路并燃燒掉潤滑油回路中的殘留燃油。需要注意的是，在上述狀態下，摩擦力矩的測量包含了發動機泵氣損失[7]。關閉發動機點火電源，起動測功機倒拖發動機工作，在從額定轉速逐漸降低至最低轉速過程中取點進行數據記錄。完成節氣門全開工況測量后，立即在節氣門全閉工況下開展測量，試驗過程應盡量緊湊，避免更多的干擾因素影響試驗結果。不同黏度的潤滑油在切換過程中，需用待測油液沖洗發動機2～3 次，更換機油濾清器，并使用量杯加注，保證每次添加的量一定。

2.3 試驗結果分析

試驗過程中，利用AVL 電力測功機和數據采集系統得到不同黏度潤滑油在1 000～5 500 r/min 轉速條件下的摩擦力矩，如圖3所示。

圖3 各工況下不同潤滑油的發動機摩擦力矩

發動機摩擦力矩越大，相同時間內所消耗的能量也越多，導致燃油消耗量升高，所以摩擦力矩越大代表燃油經濟性越差，由圖3所示的曲線可知：

a.除特殊點，節氣門全開和全閉狀態下隨著轉速的增加，摩擦力矩近似線性增加，同時在高轉速下，4種潤滑油對應摩擦力矩的差距增大。

b.比較圖3a、圖3b，節氣門全閉狀態的摩擦力矩上限比全開時小。節氣門全開狀態下，摩擦力矩的測量包含了發動機泵氣損失，且其隨著轉速的增加而增大。

c.節氣門全開工況下以3 000 r/min 為分界點，在大于該轉速的情況下，4種潤滑油的摩擦扭矩存在明顯區別，相差百分比最大的情況出現在4 750 r/min 左右，0W20#2 比5W30 的摩擦力矩小13.9%。在1 500 r/min時，發動機轉速較小，摩擦副之間從混合摩擦向流體摩擦過度，使得磨損曲線呈下降趨勢[8]。

為了更好地反映各種潤滑油的差異，消除部分點帶來的誤差，將試驗數據采用最小二乘法進行直線擬合，如圖4所示。

圖4 不同潤滑油的發動機摩擦力矩擬合

由圖4 可知，相對于原廠潤滑油5W30，3 種低黏度的0W20具有更低的摩擦力矩，這表明該黏度的潤滑油可以使摩擦部件處于流體潤滑狀態，證明降低潤滑油黏度改善燃油經濟性的方案可行，同時，在配制的3 種低黏度潤滑油中，0W20#2 潤滑油在發動機全轉速過程中均小于其他類型的摩擦力矩。

3 整車燃油經濟性試驗

3.1 試驗車輛及方案

為進一步驗證低黏度潤滑油對汽車燃油經濟性的影響，進行整車實際路況試驗，汽車的主要參數如表4所示。

表4 整車參數

汽車燃油消耗量可以通過碳平衡的方法獲得[9]，其基本原理是燃燒前、后的碳含量保持不變，通過測量CO2、CO和HC的排放量來確定消耗的燃油總量，根據質量守恒原理，有：

式中，Q為燃油消耗量；Q(CO2)、Q(CO)、Q(HC)分別為CO2、CO、HC的排放量；D為燃油的密度。

試驗分為4 組，即分別采用原廠的5W30 和新配制的3種低黏度潤滑油開展試驗，每組試驗進行3次以確保試驗結果的準確性。開始前，先用待測潤滑油對發動機進行2～3次沖洗，之后對發動機進行磨合預熱處理使各摩擦副充滿待測潤滑油，最后在全球統一輕型車輛測試循環（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）工況下進行整車燃油經濟性試驗，計算平均燃油消耗量。試驗現場如圖5所示。

3.2 試驗結果分析

通過上述試驗可以得到每組的整車燃油消耗量，每組取3次試驗的均值作為燃油消耗量的有效值，計算出每組的變異系數：

式中，cv為變異系數；σ為樣本數據的標準差；μ為樣本數據的平均值。

結果匯總如表5所示。在數據統計過程中，每組試驗數據的變異系數均小于0.3%，誤差在允許范圍內，試驗可靠性高。

由表5可知：

表5 整車燃油消耗量試驗數據

a.低黏度的0W20相比于原廠的5W30潤滑油經濟性有明顯改善，燃油消耗量降低了1%左右。

b.在新調配的3 種潤滑油中，0W20#2 潤滑油的燃油消耗量降低幅度最大，達到了1.28%，黏度最低的0W20#3 潤滑油在一定程度上提升了燃油經濟性，但是降油耗效果比0W20#2 低0.14 百分點，主要原因是0W20#2 潤滑油中添加了較多的鉬元素，使得發動機摩擦損失減小，燃油經濟性更好。

4 結束語

本文通過發動機臺架試驗，比較了參比油SM 5W30和測試油SM 0W20的差別，利用整車燃油經濟性試驗分析了不同成分的低黏度測試油SM 0W20對燃油經濟性的影響，可以得到如下結論：

a.3款0W20潤滑油較原廠5W30在WLTC工況下節約了1%左右的燃油消耗量，其中0W20#2潤滑油的油耗降低幅度最大，達到了1.28%。

b.潤滑油添加劑中的鉬元素可以改善潤滑油的性能，降低摩擦損失，提高汽車的燃油經濟性。相較于原廠5W30潤滑油，0W20#2潤滑油比0W20#3潤滑油的綜合燃油消耗量降低0.14百分點。