低黏度機(jī)油對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響研究

史程中，賀 娜，鐘建勤，周 付，張 威，張?jiān)獤|，袁 爽，沈 源，王瑞平,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，寧波 315000； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，寧波 315800)

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2015189

低黏度機(jī)油對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響研究

史程中1，賀 娜1，鐘建勤1，周 付1，張 威1，張?jiān)獤|1，袁 爽1，沈 源1，王瑞平1,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，寧波 315000； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，寧波 315800)

為揭示低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，選用5種機(jī)油(3種不同黏度低黏度機(jī)油SN 0W-20、作為基礎(chǔ)油的SL 5W-30和高黏度機(jī)油SL 10W-40)進(jìn)行了一系列的臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)、外特性試驗(yàn)、萬(wàn)有特性試驗(yàn)、基于NEDC工況的模擬工況試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，與基礎(chǔ)油相比，使用低黏度機(jī)油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗降低了1%～2%，而在3種低黏度機(jī)油中，黏度越低，節(jié)油率越高。

發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油經(jīng)濟(jì)性；低黏度機(jī)油；臺(tái)架試驗(yàn)

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油不僅承擔(dān)著關(guān)鍵的潤(rùn)滑作用，同時(shí)還起著冷卻、密封、清潔、防銹和緩和沖擊負(fù)荷等作用[1]，在發(fā)動(dòng)機(jī)中起著重要作用。各大OEM在研發(fā)不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)皆須選擇不同類型和黏度等級(jí)的機(jī)油，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)擁有可靠的耐久性能。

隨著油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格和環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，如何在選擇合適機(jī)油的同時(shí)兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性，就成了OEM必須要考慮的問(wèn)題。不同黏度的機(jī)油在機(jī)械損失和燃油消耗方面都有不同的表現(xiàn)。在歐美市場(chǎng)，已有眾多OEM使用黏度級(jí)別為0W-20的機(jī)油[2]，甚至在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出自己規(guī)格的專用機(jī)油，而亞洲市場(chǎng)，技術(shù)領(lǐng)先的日本，已開(kāi)始使用16級(jí)別甚至8級(jí)別的機(jī)油。近年來(lái)，低黏度機(jī)油在國(guó)內(nèi)也越來(lái)越受到關(guān)注。隨著油耗法規(guī)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和油品技術(shù)的推動(dòng)，越來(lái)越多的有關(guān)公司致力于高性能、低油耗的環(huán)保型機(jī)油開(kāi)發(fā)，為各大OEM提供了更多更好的選擇。

本文中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)目前市場(chǎng)上普遍使用的10W-40，5W-30和0W-20進(jìn)行細(xì)致深入的臺(tái)架試驗(yàn)，探究低黏度機(jī)油的節(jié)油潛力和不同廠商低黏度機(jī)油之間的節(jié)油差異。

1 試驗(yàn)用油

本文中定義的低黏度機(jī)油為相對(duì)概念。目前國(guó)內(nèi)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油普遍為5W-30，因而將黏度相對(duì)較低的0W-20定義為低黏度機(jī)油。研究中使用符合API[3]和SAE[4]規(guī)范的SL 5W-30作為基礎(chǔ)油，SN 0W-20和SL 10W-40作為試驗(yàn)油進(jìn)行研究，試驗(yàn)用油黏度特性見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)油黏度特性

2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為吉利自主開(kāi)發(fā)的1.5L汽油機(jī)，部分性能參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)使用AVL臺(tái)架及相關(guān)測(cè)試設(shè)備。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

3 試驗(yàn)程序

每種機(jī)油試驗(yàn)前，須按試驗(yàn)規(guī)范完成以下準(zhǔn)備：

(1) 使用測(cè)試機(jī)油清洗發(fā)動(dòng)機(jī)2次，第3次加注的機(jī)油用于油耗試驗(yàn)；

(2) 測(cè)試機(jī)油在全速全負(fù)荷工況磨合2h；

(3) 每次換油均更換新機(jī)油濾清器；

(4) 為保證不同機(jī)油同一液位，測(cè)試機(jī)油精確測(cè)量質(zhì)量：機(jī)油液位中線偏上，首次加注3 150g，平均整個(gè)測(cè)試加注3 360g。

試驗(yàn)時(shí)，按表1中試驗(yàn)油品序號(hào)：3a→2→3b→1→3c的次序進(jìn)行機(jī)油的更換與試驗(yàn)。每種機(jī)油進(jìn)行4種試驗(yàn)，試驗(yàn)程序[5]如下：

(1) 機(jī)械損失試驗(yàn)(冷機(jī)狀態(tài)下油門全開(kāi)、全關(guān)，熱機(jī)狀態(tài)下油門全開(kāi)、全關(guān))；

(2) 外特性試驗(yàn)；

(3) 萬(wàn)有特性試驗(yàn)；

(4) 模擬工況試驗(yàn)(3種溫度條件：35±5℃，55±5℃，95±5℃)。

4 臺(tái)架油耗試驗(yàn)

4.1 機(jī)械損失試驗(yàn)

機(jī)械損失試驗(yàn)使用倒拖法[6]進(jìn)行，分別測(cè)試?yán)錂C(jī)油門全開(kāi)、全關(guān)和熱機(jī)油門全開(kāi)、全關(guān)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，相同工況點(diǎn)機(jī)油溫度的變動(dòng)控制在2℃范圍內(nèi)。

4.1.1 冷機(jī)狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。與5W-30相比，3種0W-20的機(jī)械損失在各個(gè)轉(zhuǎn)速下均有降低。3種0W-20中，由于3c的KV40最小，因此3c的機(jī)械損失也最小，相比于5W-30，其機(jī)械損失全轉(zhuǎn)速降幅達(dá)到3～5N·m，而10W-40的機(jī)械損失在油門全開(kāi)的情況下與5W-30基本一致，油門全關(guān)的情況下略有升高，符合潤(rùn)滑理論的機(jī)理[7]和黏度變化的趨勢(shì)[8]。

4.1.2 熱機(jī)狀態(tài)

熱機(jī)狀態(tài)，試驗(yàn)油溫由冷機(jī)時(shí)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(yīng)減小，此時(shí)KV100占主導(dǎo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4?？梢钥闯?，相比于冷機(jī)狀態(tài)測(cè)試，無(wú)論是油門全開(kāi)還是油門全關(guān)，5種機(jī)油的機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩整體減小5N·m左右，且5種機(jī)油之間的機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩的差異(范圍)也相應(yīng)減小，3種0W-20與5W-30相比，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩降幅減小到2N·m以內(nèi)，變化趨勢(shì)與冷機(jī)狀態(tài)一致。

由于3種0W-20的KV100很接近，因此，其機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩也很接近，其中3c的KV100最小，其機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩也最小。試驗(yàn)結(jié)果很好地印證了機(jī)油黏溫特性和潤(rùn)滑理論。

4.2 外特性試驗(yàn)

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

同等功率輸出的情況下，由于機(jī)械損失減小，轉(zhuǎn)矩增加。

4.3 萬(wàn)有特性試驗(yàn)

萬(wàn)有特性試驗(yàn)中，將全MAP油耗率按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相減的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)計(jì)算，從而得到各試驗(yàn)油相對(duì)于基礎(chǔ)油的節(jié)油比。

相比于5W-30，低黏度機(jī)油0W-20和10W-40的油耗MAP見(jiàn)圖9。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，低黏度機(jī)油0W-20的油耗區(qū)域比基礎(chǔ)油5W-30有所擴(kuò)大，且最小油耗區(qū)域面積也增大，說(shuō)明在萬(wàn)有特性中，低黏度機(jī)油有更好的油耗結(jié)果，而10W-40則更加費(fèi)油。

圖10為全MAP低黏度機(jī)油0W-20和10W-40相比于基礎(chǔ)油5W-30的節(jié)油量，圖譜上線條數(shù)值為正的區(qū)域?yàn)楣?jié)油，圖譜上線條數(shù)值為負(fù)的區(qū)域?yàn)橘M(fèi)油，顏色越深(數(shù)值絕對(duì)值越大)，說(shuō)明節(jié)油量、費(fèi)油量越大。從圖10可以看出，低黏度機(jī)油0W-20最大的節(jié)油區(qū)域?yàn)楦咚俸偷拓?fù)荷區(qū)域，而常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的節(jié)油量不大。

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

4.4 模擬工況點(diǎn)試驗(yàn)

模擬工況點(diǎn)試驗(yàn)是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在整車NEDC[9]試驗(yàn)中的油耗試驗(yàn)。本次試驗(yàn)通過(guò)整車油耗仿真，得到發(fā)動(dòng)機(jī)端12個(gè)具有代表性的工況點(diǎn)，這12個(gè)工況點(diǎn)的油耗代表了整車NEDC仿真油耗的97%以上。因此，在沒(méi)有進(jìn)行整車NEDC轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)前，可用這12個(gè)模擬工況點(diǎn)的油耗近似代表整車NEDC的油耗，以快速預(yù)判低黏度機(jī)油在整車中的實(shí)際表現(xiàn)。模擬工況點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 模擬工況點(diǎn)

試驗(yàn)在3個(gè)機(jī)油溫度下進(jìn)行，分別是35±5℃，55±5℃和95±5℃，分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)工況、熱機(jī)工況和持續(xù)運(yùn)行工況。試驗(yàn)過(guò)程中，各試驗(yàn)溫度下的相同工況點(diǎn)油溫控制在2℃以內(nèi)，水溫控制在3℃以內(nèi)。

模擬工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)NEDC中JLB-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油溫升曲線(圖11)，35±5℃的油耗結(jié)果代表NEDC中溫度區(qū)間為25～50℃的油耗，運(yùn)行時(shí)間約300s；55±5℃的油耗結(jié)果代表NEDC中溫度區(qū)間為50～70℃的油耗，運(yùn)行時(shí)間約300s；95±5℃的油耗結(jié)果代表NEDC中溫度大于70℃以上的油耗，運(yùn)行時(shí)間約600s。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的占比，對(duì)3種溫度下的油耗結(jié)果進(jìn)行1∶1∶2的加權(quán)平均處理，最終得到模擬工況中全溫度范圍內(nèi)的油耗結(jié)果。

表4 模擬工況油耗結(jié)果 %

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

5 機(jī)油壓力

在使用低黏度機(jī)油之后，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)油壓降低，特別是在熱怠速和額定轉(zhuǎn)速，表5為機(jī)油壓力測(cè)試結(jié)果。從表5中可看出，3種低黏度機(jī)油的油壓均低于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)油壓需求。

表5 機(jī)油壓力測(cè)試結(jié)果

由于受臺(tái)架所限，機(jī)油溫度均低于130℃，在整車駕駛中，在最苛刻的條件下，機(jī)油溫度能達(dá)到140℃以上，甚至150℃以上，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)油壓提出了更高的要求。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，必須在追求更低的油耗率之前率先保證發(fā)動(dòng)機(jī)功能。

6 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，相比于基礎(chǔ)油SL 5W-30，可得到以下結(jié)論：

(1) 低黏度機(jī)油SN 0W-20具有一定的節(jié)油效果，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上節(jié)油效果在2%以內(nèi)，最終節(jié)油效果需要在整車NEDC中測(cè)量；

(2) 不同廠家同樣SN 0W-20機(jī)油，黏度越低，節(jié)油效果越明顯；

(3) 使用SN 0W-20低黏度機(jī)油之后，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油壓會(huì)降低，開(kāi)發(fā)前須分析驗(yàn)證系統(tǒng)壓力是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。

(4) 本文中研究為低黏度機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)和整車上的運(yùn)用提供了參考。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證低黏度機(jī)油的適用性，后續(xù)還需進(jìn)行低黏度機(jī)油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)、整車耐久試驗(yàn)和機(jī)油消耗試驗(yàn)等試驗(yàn)，并在試驗(yàn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，對(duì)摩擦副進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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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。