低黏度机油在汽油机上的应用研究

史程中， 严万翔， 张元东， 周飞， 宋志辉， 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， 浙江 宁波 315000； 2. 浙江吉利罗佑发动机有限公司， 浙江 宁波 315800)



低黏度机油在汽油机上的应用研究

史程中1， 严万翔1， 张元东1， 周飞1， 宋志辉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， 浙江 宁波 315000； 2. 浙江吉利罗佑发动机有限公司， 浙江 宁波 315800)

通过对目前市场上各种等级的机油进行充分调研，应用API等级为SN，SAE等级为0W-20的低黏度机油进行燃油经济性及相关耐久性研究。对低黏度机油进行了一系列试验，包括发动机台架耐久试验、整车NEDC油耗试验、整车耐久试验等。试验结果显示，低黏度机油应用于某汽油发动机可产生约0.69%的节油效果，并且能在特定的发动机及整车耐久试验中保持良好性能。

低黏度机油； 燃油经济性； 台架试验； 整车NEDC试验； 耐久试验

机油又叫润滑油，是发动机最重要的零部件之一。作为一个流体零部件，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、消除冲击负荷等作用[1]，由此可见，其对于发动机的重要性不言而喻。各大OEM在研发不同类型的发动机时都需要选择不同类型及黏度等级的机油，以满足发动机的使用要求，同时确保发动机有足够的耐久性能。

随着油耗法规的加严及环保意识的增强，如何在选择合适机油的同时又兼顾燃油经济性成了各大OEM必须要考虑的问题。不同黏度的机油在机械损失及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；而在亚洲市场，日本已开始使用16级甚至8级的机油。近年来，低黏度机油在国内也越来越受到关注。随着机油质量等级的提升，具有高性能、低黏度的机油能够在给发动机提供足够耐久保护的前提下，还能减少机械损失，降低燃油消耗[3]。本研究针对低黏度机油在汽油机上开展试验研究工作，以期提升发动机的燃油经济性。

1 试验设备及方法

本研究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，将黏度相对较低的5W-20，0W-20定义为低黏度机油。本研究以符合API及SAE规范的SL 5W-30作为基础油，以SN 0W-20作为试验油。试验用油黏度特性见表1。

表1 试验油黏度特性

本次试验使用的发动机为吉利完全自主开发的1.5 L全铝汽油机，部分性能参数见表2。

试验时，油品按1→2的次序进行相关试验，每种机油进行如下5种试验：

a) 机油压力试验(80 ℃，145 ℃)；

b) 整车NEDC油耗试验；

c) 发动机台架耐久试验；

d) 机油消耗试验；

e) 整车耐久试验。

本试验相关的台架试验及整车NEDC油耗试验均采用试验精度较高的AVL台架及设备。台架试验的边界按表3进行控制，整车油耗试验的边界按照GB/T 19233—2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》的相关规定执行。

表2 发动机性能参数

表3 机油台架试验边界条件

2 机油压力试验

机油给发动机提供足够的保护是通过满足各零部件机油压力需求来保证的，而这一点又是通过主油道压力来保证的。不同黏度的机油在相同的工况下，油压保持能力也不一样，黏度越小，机油压力也就越低[4]。为了保证发动机润滑系统具有足够的机油压力，确保发动机可靠地运行，在进行燃油消耗对比试验之前，需在不同温度下针对不同试验油进行主油道压力测试。

分别对两种试验油进行恒定油温80 ℃及145 ℃的机油压力试验，80 ℃油压代表中低负荷工况，145 ℃油压代表极限负荷工况。试验中，保持发动机其他边界条件不变，进行外特性油压试验。每次试验前，必须先用试验油清洗发动机2次，排除残余机油对下一次油压试验结果的影响，第3次加注的机油用于试验。试验中取3组有效数据，记录发动机的功率、扭矩、油温、水温、主油道压力等参数。油压测试结果见图1。

由图可知，使用SN 0W-20机油后，JLC-4G15发动机在油温145 ℃，转速3 000 r/min时，主油道压力只有170 kPa，其余工况满足系统油压要求。考虑到发动机较大的系统油压余量及发动机实际工作中的油温，试验中可接受170 kPa的系统油压。

3 整车NEDC燃油消耗试验

整车NEDC燃油消耗试验采用搭载JLC-4G15发动机的整车，按照目前通用的NEDC(NEW EUROPE DRIVING CYCLE)循环工况进行燃油消耗的测试[5]，测试循环见图2。整车NEDC燃油消耗试验采用“碳元素平衡法”采集汽车尾气进行分析，从而得出整车的100 km综合燃油消耗值。试验中更换机油时需要清洗发动机2次，第3次加注的机油用于试验，尽可能地保证边界条件的一致性以及试验油之间互不干扰。

通过多次有效试验，排除错误数据，最终得到基础油SL 5W-30与低黏度机油SN 0W-20的整车NEDC测试燃油消耗结果，结果见表4。

表4 整车NEDC测试结果

试验结果显示，使用低黏度机油SN 0W-20之后，相对于基础机油SL 5W-30，整个NEDC循环中的CO2排放减少1.7 g/km，CO排放减少0.035 g/km，HC排放减少0.009 g/km，综合燃油消耗每100 km下降0.074 L，燃油消耗下降率0.69%。

从表1可看出，无论是运动黏度还是高温高剪切黏度，SN 0W-20均低于SL 5W-30。根据润滑理论可知，润滑油黏度降低后，发动机各摩擦副之间的摩擦损失也将降低。这也就意味着在同等输出功率的情况下，发动机所需的燃油消耗会相应降低。从表4中可看出，相比于基础油SL 5W-30，使用低黏度机油SN 0W-20之后，发动机在测试循环中的各排放物均减少，从而获得0.69%的整车节油率。

4 发动机台架耐久试验

4.1 台架考核

为了验证使用SN 0W-20低黏度机油之后发动机的可靠性，特进行发动机台架耐久试验。本试验包含800 h台架耐久试验及3 000次冷热冲击试验(400 h)。试验过程中，机油按照规定的程序添加并采样：前200 h每25h进行取样，每50 h进行机油更换；200 h后每100 h进行机油更换和取样。通过油样指标的分析来判断发动机的运行状态。

图3示出800 h耐久试验中采样油样的重要指标变化。从图3a中可以看出，新油在运行的前6 h内由于发动机各摩擦副的剪切作用，机油黏度指数剂中“不稳定”的长链结构被剪断，机油的100 ℃运动黏度下降明显，下降幅度26%～32%，25 h之后

趋于稳定。虽然黏度下降率大于国标中的换油指标[6](黏度变化率超出±20%范围)，但由于未检测油样的燃油稀释率，无法判断机油是否因为被燃油稀释从而导致黏度下降。

从图3b中看出，总碱值下降量较小，200 h之后趋于稳定且维持在一个较高的值，约6 mg/g，始终保持着对发动机产生的酸性物质的中和能力。

图3c中列举了主要金属磨损量的变化。在整个800 h耐久试验中，虽然100 ℃运动黏度的下降量超出国标的换油指标，但是Fe，Al，Cu的磨损量都在20×10-6以下，说明发动机各摩擦副之间的磨损量很小，机油保护到位。

通过机油油样各指标的变化分析可以看出，在发动机800 h耐久试验中，SN 0W-20低黏度机油对发动机有足够的保护，使用低黏度机油之后，发动机有足够的可靠性和耐久性。

图4示出3 000次冷热冲击试验中油样的重要指标变化。同800 h耐久试验一样，新油的运动黏度下降较为明显，下降幅度在22%～32%，但总碱值及主要金属磨损量各项指标值较佳。在3 000次冷热冲击试验中，SN 0W-20同样能为发动机提供有效的保护。

4.2 摩擦副考评

为了进一步确定发动机状态，评价低黏度机油的润滑效果，试验完成后对发动机进行拆解，对缸套摩擦副、连杆、曲轴轴颈、凸轮轴轴颈、轴瓦等一系列摩擦副进行逐一考评。通过评定，各摩擦副的磨损量均在“优秀”及“可接受”的范围内。图5和图6示出了缸套内壁及凸轮轴承盖的磨损情况。

在发动机台架耐久试验中，无论是800 h耐久试验还是3 000次冷热冲击试验，SN 0W-20低黏度机油均能满足发动机耐久性和可靠性要求，虽然机油100 ℃的运动黏度下降较大，但从金属元素磨损量检测及拆机评定结果来看，发动机无润滑系统故障及不可接受的磨损状况。

5 机油消耗试验

使用低黏度机油之后，相比于基础油SL 5W-30，SN 5W-20的黏温特性及发动机润滑特性均有改变，因此在机油消耗方面也会有差异。为了考察低黏度机油的消耗量，按照GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》中的方法进行发动机耐久试验前后各6 h机油消耗量试验，试验结果见表5。

表5 耐久试验前后机油消耗结果

从表5中可以看出，采用低黏度机油SN 0W-20之后，耐久试验之前机油燃油消耗比为0.04%，耐久试验之后机油燃油消耗比为0.1%，均满足换油标准(小于等于0.3%)要求[6]。

6 整车耐久试验

经过一系列发动机台架考核之后，需最终确定低黏度机油SN 0W-20在实车使用中的情况，以此判定低黏度机油的整车耐久性及可靠性。根据吉利相关整车路试标准进行30 000 km整车路试，路试中要求每5 000 km更换机油并采集油样检验。油样部分性能指标见图7。

从图7中可看出，在整车30 000 km路试中，SN 0W-20的100 ℃运动黏度下降幅度较小，降幅在11%～16%之间，满足换油指标要求，说明低黏度机油在实际的使用过程中，能够达到足够的黏度，可以建立摩擦副之间的油膜，从而保护发动机。总碱值变化也较小，整个路试过程中均维持在7 mg/g以上，相比于新油，变化量在0.3～1.4 mg/g之间，始终保持良好的酸性物质中和能力。而金属元素中，Fe磨损量相比于台架试验有较大的增加，达到39×10-6，说明整车试验条件下，活塞-缸套及曲轴-轴承等摩擦副之间的磨损有所增加，但各项元素含量均未超过换油标准[6]。因此，低黏度机油SN 0W-20在整车30 000 km路试中合格。

7 结论与建议

通过发动机台架试验及整车试验，可得到以下结论：

a) SN 0W-20具有一定的节油效果，对提升燃油经济性有一定的作用，符合润滑理论及机油黏度变化的趋势；

b) SN 0W-20满足特定条件下发动机台架耐久

及整车耐久要求，台架耐久中100 ℃运动黏度大幅下降的原因还有待进一步验证；

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

目前SN级别的低黏度机油在中国市场上应用还不太成熟，特别是在自主研发阵营中。尽管更低的黏度级别有着更好的燃油消耗性能，更高的质量等级有着更好的耐久性能，但高成本、较低的高温高剪切黏度也是它的主要劣势。考虑到中国的路况以及驾驶习惯，低黏度机油的优势并未能充分发挥出来，国内各大OEM在选择低黏度机油时都持谨慎小心的态度，特别是在涡轮增压直喷发动机中。对比欧洲1年或者30 000 km的换油里程，国内的换油里程还普遍在10 000 km[7]以内，性价比较低。而且并不是所有的发动机都能直接应用低黏度机油，必须在应用前评估发动机润滑系统的特性与低黏度机油的特性是否匹配。在不更改发动机设计的前提下，发动机本身留给低黏度机油油压下降的空间本来就小。如果发动机在设计之初能够与低黏度机油同步开发，针对发动机结构特性及使用要求不断优化机油，那么才能最大化发挥低黏度机油的优势。

[1] 李锦,黄长征.内燃机机油性能的综合评价研究[J]. 自动化仪表,2010,31(8):27.

[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] 柳国立,韩俊楠,桃春生，等. 低黏度润滑油对发动机燃油经济性及可靠性影响的研究[J].汽车技术,2014(1):54-57.

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

[5] John Pudelski, Mike Sutton, Craig Jones. Improving Vehicle Fuel Efficiency with Different Engine Oils[C]//1st Aachen Colloquium China 2011.[S.l.]：[s.n.]，2011.

[6] 杨慧青,李桂云. GB/T 8028—2010 汽油机油换油指标[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

[7] 孙向辉,蔡光辉. 浅谈汽车润滑油的长效化及换油周期[J]. 科技信息,2008，28:26.

[编辑： 潘丽丽]

Application of Low Viscosity Oil in Gasoline Engine

SHI Chengzhong1, YAN Wanxiang1, ZHANG Yuandong1, ZHOU Fei1, SONG Zhihui1,YUAN Shuang1, SHEN Yuan1, WANG Ruiping1,2

(1. Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd.， Ningbo 315000, China;2. Zhejiang Geely Royal Engine Co.， Ltd.， Ningbo 315800, China)

Fuel economy and durability tests were carried out by using SN 0W-20 engine oil based on the investigation of different grades of engine oils used commonly in current market. A series of tests such as engine durability bench test, vehicle NEDC test and vehicle durability test were carried out to study the performance of low viscosity oil. The test results show that the low viscosity oil can realize fuel saving of about 0.69% in one Geely gasoline engine and can maintain good performance in specific durability test for engine and vehicle.

low viscosity oil； fuel economy； bench test； vehicle NEDC test； durability test

2015-03-09；

2015-09-07

史程中(1986—)，男，本科，主要从事发动机整机设计；shichengzhong@rd.geely.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.009

TK411.9

B

1001-2222(2015)05-0052-05