低黏度汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性發(fā)動機(jī)測試方法研究

張威力,楊鶴,盧文彤,邢建強(qiáng),徐巖

(中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

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)未來國際競爭力，歐美日等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在采取積極措施，推動和促進(jìn)汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展、提高汽車燃料經(jīng)濟(jì)性水平，相繼完成新一輪針對乘用車燃料消耗量標(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限值要求和標(biāo)示制度，要求到2020年乘用車CO2排放達(dá)到95 g/km的目標(biāo)，相當(dāng)于3.8 L/100 km左右。美國汽車企業(yè)平均燃料經(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年乘用車平均燃料經(jīng)濟(jì)性水平達(dá)到20.3 km/L，相當(dāng)于5L/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)油黏度可以減少發(fā)動機(jī)摩擦損耗，提高發(fā)動效率，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。《乘用車燃料消耗量限值》[2]、《乘用車燃料消耗量評價(jià)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[4]。在2020年第14號中國國家標(biāo)準(zhǔn)公告中發(fā)布了GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》，該方法2021年1月1日起實(shí)施，受該方法更新影響，新的《乘用車燃料消耗限值》、《乘用車燃料消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)》目前也在修訂中，預(yù)計(jì)到2025年我國乘用車平均燃料消耗量水平降至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機(jī)油添加劑[5]，使用節(jié)能型發(fā)動機(jī)油是汽車制造廠商(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[6-8]，其節(jié)能評定臺架也從程序Ⅵ發(fā)展到程序ⅥD[9]，程序ⅥD試驗(yàn)工況條件見表1，GF-6規(guī)格已于2019年發(fā)布，使用程序ⅥE/ⅥF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C6[10],另外C1～C5、A1/B1及A5/B5也有對應(yīng)節(jié)能要求，其節(jié)能性能用臺架M111和JASO M366評定[11]。

表1 程序ⅥD試驗(yàn)工況條件

國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)主要采用ASTM的標(biāo)準(zhǔn)，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[12-13]，程序ⅥD選用6個試驗(yàn)工況(如表1所示)[14]，覆蓋發(fā)動機(jī)低速、中速、高速區(qū)域，ⅥD研究報(bào)告表明，該試驗(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[15]，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)。本文應(yīng)用某型號發(fā)動機(jī)開發(fā)一種汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法，考察方法重復(fù)性。

1 發(fā)動機(jī)臺架及試驗(yàn)方法

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)。本次節(jié)能試驗(yàn)主要選用某型號1.8 L四缸汽油發(fā)動機(jī)開展試驗(yàn)，具體工況條件見表2。

表2 試驗(yàn)工況條件

因機(jī)油的節(jié)能效果很小，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，引入某品牌市售SN 0W-20汽油機(jī)油作為參比油。試驗(yàn)過程中需進(jìn)行2次參比油試驗(yàn)，分別在試驗(yàn)油測量前后，以測量結(jié)果作為參照，通過計(jì)算試驗(yàn)油并與前后兩個參比油的平均值進(jìn)行比較，計(jì)算得到試驗(yàn)油的節(jié)能效果。每個油樣的試驗(yàn)過程分為9個階段(如表3所示)，試驗(yàn)工況覆蓋發(fā)動機(jī)低速、中速及高速區(qū)域，同時通過輔助系統(tǒng)的控制調(diào)整機(jī)油、冷卻液處于低溫和高溫區(qū)域，最后綜合各工況的比油耗(BSFC)，加權(quán)得到油樣的燃油消耗量。同時，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3列出了典型的燃油理化指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表3 典型的試驗(yàn)燃油數(shù)據(jù)

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)結(jié)果

2.1 臺架精度確認(rèn)

臺架建設(shè)完成后，在正式測試前，為確認(rèn)臺架精度和重復(fù)性，首先采用同一種汽油機(jī)油開展3次9工況測試，并比較其結(jié)果，所得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，對試驗(yàn)結(jié)果的分析見表5。

表4 同一種汽油機(jī)油的三次測試結(jié)果 kg

表5 同一種汽油機(jī)油的三次測試結(jié)果分析 kg

通過對三次參比油的測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：三次測試的最大偏差為第1次和第2次(0.11%)，最小偏差為第2次和第3次(0.1%)，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。

2.2 0W-16油品的試驗(yàn)過程及結(jié)果

臺架精度確認(rèn)完成后，選用某品牌0W-16油品A開展燃油經(jīng)濟(jì)性測試，試驗(yàn)按參比油第1次(BL1)、參比油第2次(BL2)、試驗(yàn)油A、參比油第3次(BL3)的順序進(jìn)行。

在具體試驗(yàn)過程中，為控制系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)前后進(jìn)行兩次參比油試驗(yàn)，若前后兩次參比油燃油消耗量差距<0.2%，則視為試驗(yàn)臺架誤差在允許范圍內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)油的試驗(yàn)。具體到本次試驗(yàn)，兩次參比油總?cè)加拖牧坎罹酁?.067%。

試驗(yàn)油A處于兩個參比油之間，參比油BL2和參比油BL3的總?cè)加拖牧科骄禐?65.0196，由此計(jì)算得到試驗(yàn)油A的節(jié)能效果為0.9698%，見表6。

表6 0W-16新油試驗(yàn)結(jié)果

表6(續(xù))

3 結(jié)論

通過應(yīng)用某型號發(fā)動機(jī)建立汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性臺架并開展相關(guān)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)應(yīng)用某型號發(fā)動機(jī)制定的汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性測試方法有很好的重復(fù)性。

(2)測試結(jié)果表明，0W-16級別低黏度機(jī)油較0W-20級別機(jī)油更能提升發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。