WLTC工況下潤滑油對整車油耗的影響研究

祁建德 陳微微 唐穎 張鴻

【摘 要】針對國家第六階段油耗標準要求的輕型車測試循環(huán)工況WLTC，配制不同黏度的發(fā)動機油進行循環(huán)試驗，并以所選車型的原廠油作為對照，分析不同潤滑油對發(fā)動機溫升和整車油耗的影響。試驗結(jié)果表明，在整個WLTC循環(huán)工況下，不同發(fā)動機油的溫升曲線變化趨勢基本一致，主要溫度差異存在于低速段和高速段;降低潤滑油黏度可以降低綜合油耗，其效果在中低速段比高速段明顯，但黏度過低會導(dǎo)致超高速段油耗增加;5款試驗油中，4#降耗效果最為明顯，整車油耗可降低1.18%，油耗成本降低0.09 L/100 km。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機;潤滑油;WLTC;整車油耗

【中圖分類號】U473.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）03-0081-04

0 引言

近年來，隨著全球氣候的持續(xù)變化和燃料成本的不斷提高，世界各國政府頒布了越來越嚴格的排放法規(guī)以控制乘用車的排放，我國在2016年12月23日發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，各大汽車廠商都采取各種措施提高車輛燃油經(jīng)濟性以降低整車油耗。潤滑油對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性有重要影響，渦輪增壓發(fā)動機擁有良好的動力性與經(jīng)濟性，但它對潤滑油的性能要求更加嚴苛，普通發(fā)動機潤滑油難以滿足要求;通過改善潤滑油的品質(zhì)降低整車油耗，不需要改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，實施簡單且具有良好的經(jīng)濟效益。

趙廣宣等人[1]對比了WLTC和NEDC工況的差異，通過AVL_CRUISE仿真和試驗驗證發(fā)現(xiàn)，在加載相同質(zhì)量及道路載荷時，WLTC工況油耗稍高于NEDC工況;史程中等人[2]通過發(fā)動機臺架試驗研究了低黏度潤滑油對發(fā)動機機械摩擦損失的影響，分別測定了3種不同黏度的潤滑油SL 10W40、SL 5W30和SM 5W20對發(fā)動機摩擦損失的影響，結(jié)果表明隨著潤滑油黏度的降低，發(fā)動機節(jié)油效果提高;邵軍等人[3]對一輛SUV匹配2.0T增壓汽油發(fā)動機進行了試驗測試，通過試驗對比NEDC工況與WLTC工況的排放摸底、觀察排溫變化，試驗結(jié)果表明WLTC工況比NEDC工況的需求扭矩更大，發(fā)動機及催化器硬件承受排溫的限值要求更高;Mainardi等人[4]通過發(fā)動機控制模塊（ECM）研究了潤滑油黏度對發(fā)動機冷態(tài)啟動性能的影響，試驗分別從潤滑油溫升、冷卻液溫升、發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升速度及燃油消耗量4個方面進行評估，試驗結(jié)果表明降低潤滑油黏度能有效減少發(fā)動機冷啟動摩擦力矩，提高發(fā)動機的冷啟動性能，降低油耗。

國內(nèi)外的學(xué)者對潤滑油性能做了大量的試驗研究，但一般只是針對潤滑油的某一種特性進行研究，在實際整車試驗驗證時存在試驗油樣單一的問題，而且關(guān)于WLTC工況下整車油耗試驗的研究較少。本文基于WLTC工況對相同規(guī)格不同黏度等級的潤滑油、相同黏度等級不同添加劑配比的潤滑油進行了整車燃油經(jīng)濟性測試，研究WLTC工況下不同配方潤滑油對車輛油耗的影響。

1 試驗原理

1.1 WLTC工況簡介

根據(jù)國標《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6—2016）[5]規(guī)定，我國目前采用WLTC（全球輕型汽車測試循環(huán)）工況進行整車油耗及排放物的測量。該循環(huán)工況分為0～589 s低速段（Low）、589～1 022 s中速段（Medium）、1 022～1 477 s高速段（High）和1 477～1 800 s超高速段（Extra High）4個部分，是一種瞬態(tài)循環(huán)，持續(xù)時間共1 800 s。與之前采用的NEDC循環(huán)工況相比，WLTC循環(huán)工況最大加/減速度范圍更大，平均速度更高且頻繁的加減速趨向于增加工況油耗。WLTC具體的工況特征和車速曲線如表1和圖1所示。

1.2 油耗計算方法

車輛燃料耗費量的測試方法按是否需要拆卸發(fā)動機供油管路傳感器可分為兩種。直接測量法直接將測量油耗的傳感器串接在發(fā)動機供油管路中，實時測出消耗的燃油量，根據(jù)傳感器的類型可分為容積法和質(zhì)量法。間接測量方法通過測量表征燃油消耗的特征參數(shù)，計算得到消耗的燃油量，目前比較成熟的間接測量方法是碳平衡法。對于新生產(chǎn)的狀態(tài)較好的車輛，碳平衡法測量車輛油耗的準確度相對較高，因此采用碳平衡法進行計算。

國標《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233—2008）[6]給出了汽車尾氣排放物與油耗的計算方法，排放物計算公式如下：

上式中，M為污染物i的排放量;Vmix為校正至標準狀態(tài)（273.2 K和101.33 kPa）的稀釋排氣體積，單位為L;Qi為標準狀態(tài)下污染物i的密度;Ci為稀釋排氣中污染物i的濃度，并按稀釋空氣中污染物i的含量進行校正;d為試驗循環(huán)期間的行駛距離。

油耗計算采用碳平衡法計算：

上式中，Q為燃油消耗量;QHC為測得的碳氫排放量;Qco為測得的一氧化碳排放量;■為測得的二氧化碳排放量;D為試驗燃油在15 ℃時的密度。

2 試驗方案

2.1 油樣配制

試驗油樣配方主要從質(zhì)量等級和黏度級別兩個方面對潤滑油性能進行考察，考慮到潤滑油的成本及基礎(chǔ)油性能差別對試驗結(jié)果的影響，所有的油樣基礎(chǔ)油均采用加氫裂解油。

5款試驗油樣的主要理化特性見表2，其中1#原廠油為參比油，2#～5#油樣為試驗油。5款試驗油樣中共包含3種黏度級別，分別為5W-30、5W-20和0W-20，1# SM 5W30機油黏度最高，黏度指數(shù)較低，4# API SN 0W20機油黏度最低，通過測試WLTC工況下不同黏度油樣的整車油耗，判斷低黏度機油對整車油耗的影響，其中2#與4#、3#與5#油樣又分別形成對比，用于研究更低黏度的0W-20機油的潤滑油特性。

2.2 試驗車輛

試驗車輛選擇國內(nèi)某汽車公司的一款SUV車型，搭載1.5 L的渦輪增壓發(fā)動機，滿足國Ⅵ排放環(huán)保標準，基本代表目前國內(nèi)汽車設(shè)計的趨勢，測試車輛主要參數(shù)見表3。

2.3 試驗流程設(shè)計

發(fā)動機油的測試需要一套嚴格的測試流程，測試所需時間比較長，在整體測試過程中車輛的性能會逐步降低，或者由于潤滑油的“攜帶效應(yīng)”的影響會導(dǎo)致試驗結(jié)果發(fā)生漂移[6]。因此，對比時間差距較大的兩組數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偏差，每隔一段時間需要對參考油進行測試，觀測參考油性能是否發(fā)生改變。換油在測試過程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，不同潤滑油中含有的成分不同，可能在摩擦副表面形成吸附膜或者化學(xué)膜，因此在油樣更換過程中需要消除前一款油對后一款油的影響。

每一組油的測試流程如圖2所示，測試流程采用參比油與測試油交替進行的測試順序，每種測試油與其前一次參比油形成對比，這樣雖會增加試驗次數(shù)，但能有效減少潤滑油“攜帶效應(yīng)”和車輛狀態(tài)的波動帶來的試驗誤差。

為了保證試驗的高精度，每一組潤滑油至少進行了5次試驗，由于外界環(huán)境的變化和試驗設(shè)備的限制，因此每次試驗的起始條件和工作條件可能發(fā)生波動，經(jīng)過多次試驗并采取統(tǒng)計的方法可以降低試驗中出現(xiàn)的誤差。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 潤滑油對發(fā)動機溫升的影響分析

為測量WLTC工況試驗過程中發(fā)動機的溫升狀況，在發(fā)動機油底殼放油螺栓上裝有溫度傳感器，利用DEWE-43-V數(shù)據(jù)采集卡，對潤滑油溫度數(shù)據(jù)進行秒采。試驗結(jié)果如圖3所示。

在試驗過程中，為防止初始油溫對試驗結(jié)果的分析產(chǎn)生干擾，將發(fā)動機初始油溫保持在相同的溫度。從發(fā)動機溫升曲線可以看出，5款發(fā)動機油的溫度隨WLTC試驗時間變化趨勢基本一致，低速段油溫主要集中在20～50 ℃，中速段油溫主要集中在50～70 ℃，高速段油溫主要集中在70～100 ℃，超高速段油溫主要集中在100～110 ℃，至WLTC試驗結(jié)束，發(fā)動機最高油溫達到110 ℃。

發(fā)動機溫升情況能在一定程度上反映發(fā)動機的摩擦損失情況，溫升速度越小，摩擦損失越小，燃油經(jīng)濟性越高;由溫升曲線可知，發(fā)動機油的溫度差異主要存在于低速段和高速段，低速段溫差較大的原因可能是初始油溫較低，低溫時較高黏度的潤滑油導(dǎo)致流體的內(nèi)摩擦力增大，進而導(dǎo)致一部分能量的消耗。

3.2 潤滑油對整車油耗的影響分析

油耗試驗結(jié)果包括低速段、中速段、高速段、超高速段工況油耗及綜合油耗。在低速和中速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，一般不超過2 500 r/min，潤滑油溫度較低;在高速和超高速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，可達3 500 r/min，潤滑油溫度較高。圖4為5款測試油WLTC試驗不同車速下的油耗對比，圖5為5款測試油WLTC試驗綜合油耗對比。

從總體來看，與參比油1#相比，4款測試油均能在一定程度上降低油耗，4種車速下的油耗趨勢與綜合油耗基本一致，中低速工況下油耗降低幅度更大，而高速和超高速工況下油耗降低幅度較小。

從不同車速下油耗對比圖可以看出，5款發(fā)動機油的油耗整體趨勢上是黏度越低油耗越小，低黏度化的發(fā)動機油在滿足發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的條件下，能降低發(fā)動機和整車的燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟性，特別在中低速工況下貢獻度更高。

從綜合油耗對比圖可以看出，5款油的試驗油耗按照1#、3#、2#、5#、#4的順序降低;4#油節(jié)油效果最好，相比1#參比油油耗降低0.09 L/100 km，油耗改善率為1.18%;5#油油耗降低0.07 L/100 km，油耗改善率為0.92%。對比2#、3#和4#、5#兩組油耗可以看出，摩擦改進劑對油品的性能提升效果比黏指劑更好。

4#試驗油的綜合油耗和低中高速油耗均為最低，但在超高速工況下油耗比3#和5#試驗油更高，分析原因可能是在中低速工況下，4#試驗油本身的低黏度及加入的摩擦改進劑使其在低溫條件下能保持較好的潤滑特性，但4#試驗油的黏度指數(shù)較小，在超高速的高溫工況下運動黏度變得很低，潤滑油膜難以形成，發(fā)動機摩擦部件處于邊界潤滑狀態(tài)，導(dǎo)致磨損增多，油耗增加。

4 結(jié)論

（1）WLTC工況下不同發(fā)動機的溫升曲線變化趨勢基本一致，主要的溫度差異存在于低速段和高速段，5款發(fā)動機油的溫度分布在20～110 ℃。

（2）在發(fā)動機正常潤滑的基礎(chǔ)上，降低潤滑油黏度可以降低油耗，其效果在中低速段比高速段明顯，黏度過低反而會導(dǎo)致超高速段油耗增加。

（3）在目標車型上，4#試驗油降耗效果最為明顯，整車油耗可降低1.18%，油耗成本降低0.09 L/100 km。

參 考 文 獻

[1]趙廣宣，李敏，何艷則，等.WLTC與NEDC循環(huán)工況對汽車油耗影響的研究[C]//北京：中國仿真技術(shù)應(yīng)用大會組委會，2019：83-89.

[2]史程中，賀娜，鐘建勤，等.低黏度機油對汽油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響研究[J].汽車工程，2015，37（10）：1103-1108，1122.

[3]邵軍，趙志國，李建.國VI WLTC工況對汽油機排放和排溫的影響[J].汽車工程師，2017（7）：31-33.

[4]Arthur L. Mainardi，Regis S. Kato.Study for Cold Friction Torque Modeling in Internal Combustion Engines Comparing Oils of Different Viscosities without the Use of Engine Dynamometer[N].SAE Technical Paper，2014-09-30（5）.

[5]GB 18352.6—2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[6]GB/T 19233—2008，輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].

[7]王俊平.機油對乘用車發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2016.