低黏度机油对汽油发动机燃油经济性的影响研究

史程中，贺 娜，钟建勤，周 付，张 威，张元东，袁 爽，沈 源，王瑞平,2

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，宁波 315000； 2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，宁波 315800)



2015189

低黏度机油对汽油发动机燃油经济性的影响研究

史程中1，贺 娜1，钟建勤1，周 付1，张 威1，张元东1，袁 爽1，沈 源1，王瑞平1,2

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，宁波 315000； 2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，宁波 315800)

为揭示低黏度机油对发动机燃油经济性的影响，选用5种机油(3种不同黏度低黏度机油SN 0W-20、作为基础油的SL 5W-30和高黏度机油SL 10W-40)进行了一系列的台架对比试验，包括发动机机械损失试验、外特性试验、万有特性试验、基于NEDC工况的模拟工况试验等。试验结果表明，与基础油相比，使用低黏度机油时发动机的燃油消耗降低了1%～2%，而在3种低黏度机油中，黏度越低，节油率越高。

发动机；燃油经济性；低黏度机油；台架试验

前言

发动机机油不仅承担着关键的润滑作用，同时还起着冷却、密封、清洁、防锈和缓和冲击负荷等作用[1]，在发动机中起着重要作用。各大OEM在研发不同类型的发动机时皆须选择不同类型和黏度等级的机油，以满足发动机的使用要求，同时确保发动机拥有可靠的耐久性能。

随着油耗法规的日益严格和环保意识的逐步增强，如何在选择合适机油的同时兼顾燃油经济性，就成了OEM必须要考虑的问题。不同黏度的机油在机械损失和燃油消耗方面都有不同的表现。在欧美市场，已有众多OEM使用黏度级别为0W-20的机油[2]，甚至在此基础上，研发出自己规格的专用机油，而亚洲市场，技术领先的日本，已开始使用16级别甚至8级别的机油。近年来，低黏度机油在国内也越来越受到关注。随着油耗法规、发动机技术和油品技术的推动，越来越多的有关公司致力于高性能、低油耗的环保型机油开发，为各大OEM提供了更多更好的选择。

本文中根据发动机的特点，对目前市场上普遍使用的10W-40，5W-30和0W-20进行细致深入的台架试验，探究低黏度机油的节油潜力和不同厂商低黏度机油之间的节油差异。

1 试验用油

本文中定义的低黏度机油为相对概念。目前国内使用的发动机机油普遍为5W-30，因而将黏度相对较低的0W-20定义为低黏度机油。研究中使用符合API[3]和SAE[4]规范的SL 5W-30作为基础油，SN 0W-20和SL 10W-40作为试验油进行研究，试验用油黏度特性见表1。

表1 试验油黏度特性

2 试验发动机

试验使用的发动机为吉利自主开发的1.5L汽油机，部分性能参数见表2。试验使用AVL台架及相关测试设备。

表2 发动机性能参数表

3 试验程序

每种机油试验前，须按试验规范完成以下准备：

(1) 使用测试机油清洗发动机2次，第3次加注的机油用于油耗试验；

(2) 测试机油在全速全负荷工况磨合2h；

(3) 每次换油均更换新机油滤清器；

(4) 为保证不同机油同一液位，测试机油精确测量质量：机油液位中线偏上，首次加注3 150g，平均整个测试加注3 360g。

试验时，按表1中试验油品序号：3a→2→3b→1→3c的次序进行机油的更换与试验。每种机油进行4种试验，试验程序[5]如下：

(1) 机械损失试验(冷机状态下油门全开、全关，热机状态下油门全开、全关)；

(2) 外特性试验；

(3) 万有特性试验；

(4) 模拟工况试验(3种温度条件：35±5℃，55±5℃，95±5℃)。

4 台架油耗试验

4.1 机械损失试验

机械损失试验使用倒拖法[6]进行，分别测试冷机油门全开、全关和热机油门全开、全关状态下发动机的机械损失转矩。为保证试验的准确性，相同工况点机油温度的变动控制在2℃范围内。

4.1.1 冷机状态

试验结果见图1和图2。与5W-30相比，3种0W-20的机械损失在各个转速下均有降低。3种0W-20中，由于3c的KV40最小，因此3c的机械损失也最小，相比于5W-30，其机械损失全转速降幅达到3～5N·m，而10W-40的机械损失在油门全开的情况下与5W-30基本一致，油门全关的情况下略有升高，符合润滑理论的机理[7]和黏度变化的趋势[8]。

4.1.2 热机状态

热机状态，试验油温由冷机时的40℃左右提高至80～100℃之间。随着油温的升高，油品之间的黏度差异也相应减小，此时KV100占主导。试验结果见图3和图4。可以看出，相比于冷机状态测试，无论是油门全开还是油门全关，5种机油的机械损失转矩整体减小5N·m左右，且5种机油之间的机械损失转矩的差异(范围)也相应减小，3种0W-20与5W-30相比，全转速范围内的机械损失转矩降幅减小到2N·m以内，变化趋势与冷机状态一致。

由于3种0W-20的KV100很接近，因此，其机械损失转矩也很接近，其中3c的KV100最小，其机械损失转矩也最小。试验结果很好地印证了机油黏温特性和润滑理论。

4.2 外特性试验

试验结果如图5和图6所示。外特性试验中，相同工况点机油温度(图7)控制在2℃以内，出水温度(图8)控制在3℃以内。从试验结果(图5和图6)可以看出，5种机油的修正功率基本一致，但低黏度机油的修正转矩略有增加，相比于5W-30，3种0W-20的转矩增加1～2N·m，10W-40转矩最低。

同等功率输出的情况下，由于机械损失减小，转矩增加。

4.3 万有特性试验

万有特性试验中，将全MAP油耗率按点对点相减的方式进行简单的算术计算，从而得到各试验油相对于基础油的节油比。

相比于5W-30，低黏度机油0W-20和10W-40的油耗MAP见图9。从试验结果可以看出，低黏度机油0W-20的油耗区域比基础油5W-30有所扩大，且最小油耗区域面积也增大，说明在万有特性中，低黏度机油有更好的油耗结果，而10W-40则更加费油。

图10为全MAP低黏度机油0W-20和10W-40相比于基础油5W-30的节油量，图谱上线条数值为正的区域为节油，图谱上线条数值为负的区域为费油，颜色越深(数值绝对值越大)，说明节油量、费油量越大。从图10可以看出，低黏度机油0W-20最大的节油区域为高速和低负荷区域，而常用转速范围内的节油量不大。

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

4.4 模拟工况点试验

模拟工况点试验是模拟发动机在整车NEDC[9]试验中的油耗试验。本次试验通过整车油耗仿真，得到发动机端12个具有代表性的工况点，这12个工况点的油耗代表了整车NEDC仿真油耗的97%以上。因此，在没有进行整车NEDC转鼓试验前，可用这12个模拟工况点的油耗近似代表整车NEDC的油耗，以快速预判低黏度机油在整车中的实际表现。模拟工况点见表3。

表3 模拟工况点

试验在3个机油温度下进行，分别是35±5℃，55±5℃和95±5℃，分别代表发动机的冷起动工况、热机工况和持续运行工况。试验过程中，各试验温度下的相同工况点油温控制在2℃以内，水温控制在3℃以内。

模拟工况点试验结果见表4。根据NEDC中JLB-4G15发动机的机油温升曲线(图11)，35±5℃的油耗结果代表NEDC中温度区间为25～50℃的油耗，运行时间约300s；55±5℃的油耗结果代表NEDC中温度区间为50～70℃的油耗，运行时间约300s；95±5℃的油耗结果代表NEDC中温度大于70℃以上的油耗，运行时间约600s。根据运行时间的占比，对3种温度下的油耗结果进行1∶1∶2的加权平均处理，最终得到模拟工况中全温度范围内的油耗结果。

表4 模拟工况油耗结果 %

从试验结果可以看出，与基础油5W-30相比，10W-40节油比为-1.08%；0W-20(a)节油比为0.89%；0W-20(b)节油比为1.04%；0W-20(c)节油比为1.62%。3种0W-20中，得益于相对较低的机油黏度，3c的节油比最大，节油效果最明显，与3a相比，3c的节油效果提升82%。模拟工况点油耗试验结果符合机油黏度变化趋势。

5 机油压力

在使用低黏度机油之后，发动机系统油压降低，特别是在热怠速和额定转速，表5为机油压力测试结果。从表5中可看出，3种低黏度机油的油压均低于发动机系统油压需求。

表5 机油压力测试结果

由于受台架所限，机油温度均低于130℃，在整车驾驶中，在最苛刻的条件下，机油温度能达到140℃以上，甚至150℃以上，这就对发动机系统油压提出了更高的要求。为保证发动机的性能，必须在追求更低的油耗率之前率先保证发动机功能。

6 结论

通过发动机台架试验，相比于基础油SL 5W-30，可得到以下结论：

(1) 低黏度机油SN 0W-20具有一定的节油效果，发动机台架上节油效果在2%以内，最终节油效果需要在整车NEDC中测量；

(2) 不同厂家同样SN 0W-20机油，黏度越低，节油效果越明显；

(3) 使用SN 0W-20低黏度机油之后，发动机润滑系统油压会降低，开发前须分析验证系统压力是否满足发动机要求。

(4) 本文中研究为低黏度机油在发动机和整车上的运用提供了参考。

为了进一步验证低黏度机油的适用性，后续还需进行低黏度机油发动机台架耐久试验、整车耐久试验和机油消耗试验等试验，并在试验后对发动机进行拆解，对摩擦副进行评价。

[1] 陆玉靖.发动机机油的作用与选择[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2005(4):61.

[2] 吴长彧.2009年及2010年美国最新内燃机油规格进展[J].润滑油,2010(33):35-42.

[3] API Engine Oil Classifications For Service Fill Oils 2010[S].2010.

[4] SAE J300—2013 Engine Oil Viscosity Classification[S].2013.

[5] GB/T 18297—2001汽车发动机性能试验方法[S].2001.

[6] 王建昕,帅石金.汽车发动机机原理[M].北京:清华大学出版社,2011.

[7] Yosuke Okuyama, Daichi Shimokoji. Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability[C]. SAE Paper 2011-01-1247.

[8] 粟斌.发动机润滑油粘度等级对其性能的影响[J].润滑与密封,2011,36(1):92-94.

[9] Pudelski John, Sutton Mike, Jones Craig. Improving Vehicle Fuel Efficiency with Different Engine Oils[C]. 1stAachen Colloquium China,2011.

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

原稿收到日期为2015年7月2日，修改稿收到日期为2015年8月7日。