低黏度汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法區(qū)分性研究

張威力，楊 鶴，郝麗春，盧文彤，張建榮，孟 皓

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

為應(yīng)對全球性的資源短缺和氣候變暖，鞏固和提高汽車工業(yè)未來的國際競爭力，歐洲、美國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都在采取積極措施，推動和促進(jìn)汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展、提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性水平，相繼完成新一輪針對乘用車燃料消耗量的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定，對乘用車燃料消耗量及對應(yīng)的CO2排放提出更加嚴(yán)格的要求。

世界各主要國家和地區(qū)對燃油經(jīng)濟(jì)性均有明確要求。其中，歐盟于2009年通過強(qiáng)制性的法律手段取代自愿性的CO2減排協(xié)議，在歐盟范圍內(nèi)推行汽車燃料消耗量和CO2排放限值要求和標(biāo)示制度，要求到2020年乘用車CO2排放降至95 gkm的目標(biāo)，相當(dāng)于油耗3.8 L(100 km)左右。美國汽車企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性(CAFE)新規(guī)規(guī)定，到2025年美國輕型汽車的平均油耗要達(dá)到4.32 L(100 km)。日本2020年乘用車平均燃油經(jīng)濟(jì)性水平達(dá)到20.3 kmL，相當(dāng)于油耗5 L(100 km)左右[1]。因此，推動和促進(jìn)汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展，提升燃油經(jīng)濟(jì)性成為各大汽車制造廠商(OEM)和石油公司最為重要的研究課題。

汽車降低燃油消耗有多項(xiàng)技術(shù)措施，其中使用節(jié)能型發(fā)動機(jī)油是重要措施之一。通過對發(fā)動機(jī)油的不斷優(yōu)化來減小發(fā)動機(jī)摩擦副的摩擦，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。研究結(jié)果表明，降低機(jī)油黏度可以降低發(fā)動機(jī)摩擦損耗，提高發(fā)動機(jī)效率，有利于發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善，同時該方法較發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及燃燒方式的優(yōu)化具有成本低、易實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，得到了眾多OEM的青睞。

在我國石油資源需求不斷增長，供需矛盾日益突出和霧霾頻繁肆虐的背景下，節(jié)能環(huán)保汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及石油化工行業(yè)對其的支撐作用成為各方關(guān)注熱點(diǎn)。我國乘用車燃料消耗量第四階段標(biāo)準(zhǔn)方案現(xiàn)已形成?！冻擞密嚾剂舷牧肯拗怠穂2]、《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》[3]已于2014年12月22日正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定到2020年我國乘用車平均燃料消耗量水平將從2015年的6.9 L(100 km)下降至5 L(100 km)左右。在2020年第14號中國國家標(biāo)準(zhǔn)公告中發(fā)布了GBT 19233—2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》，該方法預(yù)計于2021年1月1日起實(shí)施，受該方法更新影響，新的標(biāo)準(zhǔn)《乘用車燃料消耗限值》、《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》目前也在修訂中，預(yù)計到2025年我國乘用車平均油耗將降至4 L(100 km)左右。

汽車降低燃油消耗有多項(xiàng)技術(shù)措施，涉及到車用油品的包括燃油添加劑和潤滑油添加劑，使用節(jié)能型發(fā)動機(jī)油是OEM采取的重要措施之一。經(jīng)過十多年的發(fā)展，由美日汽車制造商聯(lián)合組成的國際組織ILSAC頒布的節(jié)能發(fā)動機(jī)油的規(guī)格已經(jīng)從GF-1發(fā)展到GF-5[4]，其節(jié)能評定臺架也從程序Ⅵ發(fā)展到程序ⅥD[5]，GF-6規(guī)格已于2019年發(fā)布，使用程序ⅥEVIF臺架評定其節(jié)能性能。歐洲ACEA節(jié)能潤滑油最高規(guī)格為C1，另外C2，A1B1，A5B5節(jié)能要求也較高，其節(jié)能性能用臺架M111評定。

國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)主要采用ASTM的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行ASTM標(biāo)準(zhǔn)中汽油機(jī)油最高等級為GF-5，GF-5級汽油機(jī)油所采用的節(jié)能試驗(yàn)為程序ⅥD[6]，程序ⅥD的6個試驗(yàn)工況覆蓋發(fā)動低速、中速、高速區(qū)域。ⅥD研究報告表明，ⅥD試驗(yàn)方法對含有不同種類基礎(chǔ)油和添加劑的內(nèi)燃機(jī)油具有顯著區(qū)分性。然而，通用型國際標(biāo)準(zhǔn)使用一種臺架(一種發(fā)動機(jī)機(jī)型)來評定用于多種發(fā)動機(jī)的潤滑油的節(jié)能性能，并不具備廣泛的代表性，所以各大汽車制造商基于自身發(fā)動機(jī)技術(shù)特點(diǎn)，都建有自己的潤滑油節(jié)能評定方法，即OEM臺架方法，設(shè)定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為其油品供應(yīng)商的通過指標(biāo)。本研究基于某型號發(fā)動機(jī)開發(fā)一種汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性評價方法，并考察該方法的重復(fù)性和區(qū)分性。

1 發(fā)動機(jī)臺架的建立

1.1 試驗(yàn)用油

在汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性測試中，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對試驗(yàn)所用燃油進(jìn)行限制，表1列出了本方法規(guī)定使用的燃油理化指標(biāo)。

表1 本方法規(guī)定使用的燃油理化指標(biāo)

選取某公司生產(chǎn)的GF-6級別的3種低黏度的0W-16汽油機(jī)油A，B，C作為試驗(yàn)油品，選取某品牌市售的汽油機(jī)油SN 0W-20作為參比油，試驗(yàn)油品和參比油的主要性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)油品和參比油的主要性質(zhì)

1.2 發(fā)動機(jī)臺架簡介

發(fā)動機(jī)臺架的構(gòu)成主要包含：測功機(jī)、發(fā)動機(jī)托盤及支撐、發(fā)動機(jī)、冷卻水系統(tǒng)、機(jī)油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氣源等系統(tǒng)。選用某OEM 1.8L四缸汽油發(fā)動機(jī)建立發(fā)動機(jī)臺架，開展燃油經(jīng)濟(jì)性測試，發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表3所示。燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法包含9個階段穩(wěn)態(tài)工況，用來模擬整車NEDC循環(huán)，工況覆蓋發(fā)動機(jī)低速、中速及高速區(qū)域(669～2 631 rmin)，同時通過輔助系統(tǒng)的控制調(diào)整機(jī)油溫度(33～101 ℃)、冷卻液溫度(33～91 ℃)，覆蓋低溫、中溫和高溫區(qū)域，最后綜合各工況的比油耗(BSFC)，加權(quán)得到試驗(yàn)油品的燃油消耗量。

表3 發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)

因汽油機(jī)油的節(jié)能效果很小(約1%～3%)，為了盡最大可能降低系統(tǒng)誤差對節(jié)能試驗(yàn)結(jié)果的影響，需從試驗(yàn)方法角度提升臺架精度。在測量試驗(yàn)油品前后開展兩次參比油試驗(yàn)進(jìn)行對照，通過將試驗(yàn)油品的結(jié)果與前后兩個參比油的平均值進(jìn)行比較，計算得到試驗(yàn)油品的節(jié)能效果。

在試驗(yàn)過程中，為了進(jìn)一步確認(rèn)臺架的穩(wěn)定性同時控制系統(tǒng)誤差，在整個測試環(huán)節(jié)前增加一次參比油測試環(huán)節(jié)并設(shè)定判斷條件：若試驗(yàn)油品前的兩次參比油燃油消耗測試結(jié)果差異小于0.2%，則視為試驗(yàn)臺架系統(tǒng)誤差在允許范圍內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)油品的試驗(yàn)，否則認(rèn)為設(shè)備不穩(wěn)定，需檢查設(shè)備情況并進(jìn)行調(diào)整。

2 試驗(yàn)油品摩擦磨損性能評價

2.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)簡介

為驗(yàn)證臺架試驗(yàn)的區(qū)分性，在開展臺架試驗(yàn)前對試驗(yàn)油品進(jìn)行摩擦磨損性能評價。為更好地模擬臺架中缸套-活塞-活塞環(huán)組及凸輪-挺桿的摩擦狀態(tài)，采用德國Optimol公司開發(fā)的高頻往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)SRV分析試驗(yàn)油品的摩擦性能，分別開展缸套-活塞環(huán)塊非標(biāo)試驗(yàn)和極壓性能測試。

研究[7]表明，在發(fā)動機(jī)的主要摩擦副中，缸套-活塞-活塞環(huán)組引起的摩擦損失占比最高，工作條件最為苛刻，經(jīng)常處于高溫、高壓和高沖擊負(fù)荷工作狀態(tài)，因此研究汽油機(jī)油在缸套-活塞-活塞環(huán)組的潤滑條件和潤滑狀態(tài)能在一定程度上揭示其在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中節(jié)能效果的好壞。典型的缸套-活塞-活塞環(huán)組示意見圖1，圖中標(biāo)注了組件可能受到的外部影響因素。缸套-活塞-活塞環(huán)組為典型的往復(fù)滑動摩擦形式，它們之間的潤滑方式很復(fù)雜，既存在流體動壓潤滑，也存在混合潤滑和邊界潤滑。在缸套中部，活塞運(yùn)動速度高，潤滑方式為流體動壓潤滑；在上、下止點(diǎn)附近，活塞運(yùn)動速度低，潤滑方式為混合潤滑或邊界潤滑。發(fā)動機(jī)凸輪-挺桿為線接觸摩擦副，除本身承受較高的載荷外又具有較大的滑動、滾動速度，潤滑條件較為苛刻，經(jīng)常處于邊界潤滑狀態(tài)，需特別關(guān)注。

圖1 缸套-活塞-活塞環(huán)組示意

為了更好地模擬發(fā)動機(jī)缸套-活塞-活塞環(huán)組的摩擦特性，設(shè)計使用缸套-活塞環(huán)部分零件充當(dāng)摩擦磨損試驗(yàn)的摩擦副(如圖2所示)，摩擦副材料根據(jù)缸體材料的不同進(jìn)行改變。

圖2 設(shè)計使用的缸套-活塞環(huán)部分零件模擬試驗(yàn)用摩擦副及接觸示意

2.2 SRV試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在高頻往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)SRV上進(jìn)行，參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6425—2017的方法設(shè)計溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表4所示。

表4 SRV缸套活塞環(huán)模型試驗(yàn)條件

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

采用SRV高頻摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和自主開發(fā)的缸套-活塞環(huán)塊試驗(yàn)方法，評定3種試驗(yàn)油品及參比油，其缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 3種試驗(yàn)油品及參比油的缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果 —A； —B； —C； —參比油； —試驗(yàn)溫度

由圖3可以看出：隨著試驗(yàn)溫度的升高，3種試驗(yàn)油品和參比油在該測試條件下的摩擦因數(shù)均有所下降，但參比油的摩擦因數(shù)高于3種試驗(yàn)油品；3種試驗(yàn)油品的摩擦因數(shù)在溫度為43 ℃時開始下降，在溫度為100 ℃時趨于平穩(wěn)；參比油的摩擦因數(shù)在溫度為67 ℃時開始下降，在溫度為117 ℃時趨于平穩(wěn)；在低溫區(qū)(<60 ℃)時，試驗(yàn)油品C的摩擦因數(shù)較大，說明在發(fā)動機(jī)缸套-活塞-活塞環(huán)工作溫度區(qū)間，試驗(yàn)油品A和B的摩擦磨損性能優(yōu)于C。

2.4 極壓試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7421—2016對3種試驗(yàn)油品進(jìn)行極壓性能評價，在不同時間和載荷條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種試驗(yàn)油品的極壓試驗(yàn)結(jié)果 —A； —B； —C； —載荷

由圖4可以看出：在載荷為200～800 N范圍內(nèi)，3種試驗(yàn)油品極壓試驗(yàn)時的摩擦因數(shù)均保持平穩(wěn)，且較低，為0.03～0.06；隨著試驗(yàn)載荷繼續(xù)增加，油膜破裂，摩擦因數(shù)急劇變化。根據(jù)摩擦因數(shù)的變化曲線獲取3種試驗(yàn)油品的極壓OK值，結(jié)果表明試驗(yàn)油品B的極壓性能最好，其次是試驗(yàn)油品A，極壓性能最差的是試驗(yàn)油品C。

3 臺架試驗(yàn)

3.1 臺架精度確認(rèn)

臺架試驗(yàn)前，為確認(rèn)臺架精度和重復(fù)性，首先采用參比油開展3次9工況測試，燃油消耗量的結(jié)果如表5所示，參比油的總?cè)加拖牧恳姳?。

表5 參比油的3次測試的燃油消耗量 kg

表6 參比油的平均燃油消耗量、標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)

由表5和表6計算得到，3次測試的最大偏差為0.11%，最小偏差為0.1%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.107 24%,臺架控制精度及重復(fù)性良好，能夠達(dá)到0.2%的控制要求。

3.2 臺架試驗(yàn)區(qū)分性

臺架精度確認(rèn)完成后，對3種試驗(yàn)油品開展燃油經(jīng)濟(jì)性測試，結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，與參比油相比，試驗(yàn)油品A，B，C的節(jié)能率分別為1.07%，0.74%，0.14%，試驗(yàn)油品A的節(jié)能效果最好，試驗(yàn)油品C的節(jié)能效果最差。

表7 3種試驗(yàn)油品的燃油消耗量結(jié)果 kg

由表7和模擬試驗(yàn)結(jié)果對比可知：與參比油相比，3種試驗(yàn)油品均具有一定的節(jié)能效果，因?yàn)?種試驗(yàn)油品進(jìn)行試驗(yàn)時的摩擦因數(shù)均低于參比油；試驗(yàn)油品C進(jìn)行發(fā)動機(jī)極壓試驗(yàn)時極壓性能最差，進(jìn)行臺架試驗(yàn)時的節(jié)能效果也最差，與SRV模擬試驗(yàn)結(jié)果一致。3種試驗(yàn)油品測試過程中發(fā)動機(jī)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，說明試驗(yàn)油品不存在異常磨損，與SRV極壓測試結(jié)果一致。通過臺架試驗(yàn)結(jié)果與SRV模擬試驗(yàn)結(jié)果的對比，可以得出該臺架試驗(yàn)建立的測試方法有較好的區(qū)分性。

4 結(jié) 論

(1)基于某型號特種發(fā)動機(jī)開發(fā)一種汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法，應(yīng)用同一種參比油開展3次臺架測試，結(jié)果表明3次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在0.2%以內(nèi)，臺架測試方法有很好的重復(fù)性。

(2)應(yīng)用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開發(fā)針對某型號特種發(fā)動機(jī)的模擬試驗(yàn)方法，對低黏度汽油機(jī)油GF-6 0W-16的3種試驗(yàn)油品A，B，C開展缸套-活塞環(huán)塊非標(biāo)試驗(yàn)和極壓性能試驗(yàn)，結(jié)果表明SRV試驗(yàn)結(jié)果與臺架試驗(yàn)的結(jié)果具有一致性。這進(jìn)一步證明該低黏度汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法有很好的區(qū)分性。