润滑机油黏度对汽车尾气及燃油经济性的影响

朱文波　何润　余国祥

【摘 要】随着国家排放法规中的要求日益严格，减少汽车尾气污染已成为各汽车厂关注的重点，润滑油对汽车尾气排放量有重要影响，针对不同黏度的润滑油进行整车NEDC工况循环试验，试验结果表明，低润滑油黏度在降低燃油消耗的同时，能有效地降低汽车CO2和NOX的排放量，但对CO的排放量无明显影响。

【关键词】NEDC循环工况；润滑油黏度；NOX；燃油消耗

【中图分类号】TH117.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）07-0044-05

0 引言

汽车工业是衡量一個国家经济实力和综合国力的标准，据统计，2015年年底，全国机动车保有量达到2.79亿辆，而且这一数字还将快速上升。然而，随着中国汽车行业的高速发展，其带来的环境问题也日益严重。近年来，各地出现的雾霾现象引起了人们对于环境问题的密切关注，其中汽车尾气的排放是产生雾霾的主要原因之一。为此，国家出台了相关的法律法规来约束汽车产生的污染和燃油消耗，《乘用车第四阶段燃料消耗量标准》（GB 27999—2014）于2016年1月1日开始实施，标准要求2020年乘用车新车平均燃料消耗量达到5.0 L/100 km；并且，将于2018年1月正式实施的国V标准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（GB 18352.5—2013）规定所有汽车均需在NEDC工况下进行排气取样、颗粒物取样和称重方法的实验[1]。相较于国Ⅳ，国Ⅴ对汽车尾气排放量提出了更高要求。因此，节能减排将成为各大汽车厂关注的重点。

目前，W.J.Bartz分析了汽车油耗和摩擦学有关，其中润滑油占较大因素[2]。Zervas E分析了润滑油基础油对发动机性能及排放的影响[3]。毛琳等人在分析润滑油性质的基础上，分析了它对于汽油机排放性能的影响[4-7]。对于汽车生产厂家而言，通过提升润滑机油品质改善燃油经济性，无疑是最具性价比的方式之一[7]。一方面，低黏度的润滑油能降低流体动力摩擦，减少各摩擦副的磨损；另一方面，现在发动机的设计也在朝着满足低黏度润滑油所需的方向发展。

本文通过NEDC试验验证，分别对目前不同质量标准的发动机润滑油进行整车试验，分析润滑油性质对于整车油耗及对污染物排放的影响，并对其中的规律进行总结及探讨。

1 发动机油黏度选择的理论依据

斯特里贝克（Stribeck）曲线是一个经典的摩擦理论，如图1所示，在润滑中，润滑状态分为3种：流体润滑、混合润滑和边界润滑。当压力（F）和相对速度（v）保持一定时，随着润滑油黏度（η）的降低，润滑状态由流体润滑到混合润滑再到边界润滑。

图1中说明了摩擦系数随润滑状态变化的趋势。在流体润滑状态下，摩擦系数随着黏度的降低而减小，这是低黏度润滑油能够减小摩擦从而降低燃油油耗的主要理论依据。当黏度降低到一个值后，润滑状态变为混合润滑，从而使摩擦系数增大，这样不仅不会降低摩擦功，运动部件的摩擦也会加剧，最后导致油耗升高等问题。根据润滑理论，适当黏度润滑油有助于油膜的形成。润滑油黏度较高时，易形成油膜，使摩擦表面处于流体润滑状态，但黏度过高会使能耗增加。低黏度润滑油虽有利于减少能耗，但过低则不易形成油膜，使摩擦表面处于边界润滑或干摩擦状态[9]（在保证油膜厚度的条件下，应尽可能地选取低黏度的润滑油以降低摩擦损失）。

2 基本参数及试验流程

2.1 仪器参数

2.1.1 测功机系统

整车NEDC试验主要是在转鼓试验台上进行，转鼓试验台主要由AVL48"紧凑型底盘测功机、车辆轮胎固定装置、车辆对中装置、冷却风机、转鼓盖板等组成。其中，底盘测功测功机的直径为1 219 mm，测试车辆的最大轴荷为44.1 kN，测试测量的质量范围为450～5 400 kg，最大可测速度为200 km/h。

在NEDC工况试验中采用“T”形热电偶和数据采集仪Agilent 34970A记录温度数据。其中，“T”形热电偶适用温度为-200～350 ℃，满足发动机行驶工况下的温度范围，测量精度为±0.01 ℃。

2.1.2 汽车尾气分析设备

根据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（国Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005），气态污染物应使用下列仪器分析排气系统（如图2所示）。

（1）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析仪：不分光红外线吸收（NDIR）型。

（2）碳氢化合物（HC）分析仪：对点燃式发动机，氢火焰离子化（FID）型。用丙烷气体标定，以碳原子（C1）当量表示。

碳氢化合物（HC）分析仪：对压燃式发动机，加热式氢火焰离子化（HFID）型，其检测器、阀、管道等加热至463 K（190 ℃）±10 K。

（3）氮氧化物（NOx）分析仪：化学发光（CLA）型或非扩散紫外线谐振吸收（NDUVR）型，两者均需带有NOx—NO转换器。

2.2 试验样车参数

试验样车为国内某畅销性SUV，其主要技术参数见表1。

2.3 样油参数

目前，机油质量标准分为API、ILSAC、ACEA三大体系，其中美国通用公司也推出了自己的润滑油标准DEXOS1。本试验分别选取了不同标准的润滑油进行对比试验，SM 5W-30（API/ILSAC）是参比油，作为其他油对比的基准。测试油分别为SN 0W-20油样一（API基础配方），DEXOS1 5W-20油样二，以下各表均用参比油、油样一、油样二表示。各种油的理化指标见表2（润滑油牌号统一）。

2.4 试验步骤

为了研究NEDC循环工况下发动机油黏度对整车油耗及汽车尾气排放的影响，将所选油样与参比油进行市区、郊区和整车油耗的比较。

试验步骤如下：？譹？訛试验前，将试验车送入排放恒温室内，按照最新国五标准GB 18352.5—2013进行预处理，浸车时间达6 h以上。？譺？訛试验样车为前轮驱动，试验前需将试验车前轮至于底盘测功机转鼓上，并用固定架固定试验车前轮。？譻？訛试验车按照NEDC工况完成NEDC行程，通过仪器分析得到油耗数值，同时使用分析仪测得NOX、CO、CO2随时间的变化值。

上述试验过程为一次测试循环。一般在油耗数据稳定的情况下，每组油的油耗测试达5次以上，才能进行其他油样的测试。流程为先将试验车上油放出，加入等量的油样，为充分消除油样变化带来的差异，发动机挡位置于空挡保持转速为2 500～3 000 r/min运行15～20 min后，排除测试油，并连续进行3次冲洗，减小原先油样带来的影响。

3 试验方案

3.1 运行工况分析

试验按照《汽车燃料消耗量试验方法第1部分：乘用车燃料消耗量试验方法》（GB/T 12545.5—2008）进行。如图3所示，NEDC工况分为2个部分，4个市区运转循环按工况分解，各工况所用时间及所占比例见表3。试验期间平均车速为19 km/h。1个郊区运转循环按工况分解，各工况所用时间及所占比例见表3、表4。试验期间平均车速为62.6 km/h。

3.2 试验误差控制

测试整车油耗与多种因素有关。其中，影响比较大的因素有发动机油初始温度、汽车胎压、汽车电源电压等。在试验初始阶段，要保证一些指标在试验误差允许范围类，如试验温度为25 ℃±0.5 ℃。而润滑机油黏度是随汽车行驶温度的变化而发生改变的。为了分析润滑机油在工况中黏温特性对试验的影响，现对行驶工况下的温度进行监控。试验结果显示，试验中润滑机油的温度变化区间在25～100 ℃。温度对机油黏度的影响很大，润滑机油黏度随温度的升高而减小。如图4为NEDC运行工况下机油温度随时间变化的曲线，在市区工况中各润滑油黏度在80 ℃以下，在郊区工况下，机油温度在80～100 ℃。

3.3 整车燃油经济性实验

油耗结果及分析：NEDC工况循环试验精度相对较低，每组油样均做5次实验，图5是每组油样取平均值后的结果。在图5中，油样一（SN 0W-20）与油样二（DEXOS1 5W-20）相比，黏度相同时，两者在郊区工况中的差值为0.02 L/100 km，市区工况油耗的差值为0.01 L/100 km，两者综合油耗的差值为0.014 L/100 km，这说明润滑油处于同一黏度时，其他影响因素对油耗的影响较小。油样一（SN 0W-20）与参比油（SM 5W-30）相比，油样一在市区与郊区工况中均比参比油消耗少，在综合油耗值上减少了0.237 L/100 km，降低了3.25%，这说明较低黏度的润滑机油可以在各个工况中降低燃油消耗，对于降低综合油耗有明显的作用。

油温影响分析：图4温升曲线中，油样一与油样二的油温比参比油上升得更快，说明黏度较低的润滑油其油温上升更快。如图6中，在4个市区工况（UDC）中各燃油消耗呈递减趋势，这说明润滑油温度对整车燃油有着显著的影响，在润滑油温较高的情况下，消耗的燃油较少。

3.4 NEDC工况下各试验车各尾气气体随时间变化图

各油样NEDC工况下气体总排放具体数值见表5。

（1）在NEDC工况上分析：从图7、图8与图9中NOX、CO与THC的排放量变化可以看出，汽车行驶初始阶段，各种气体的排放量显著上升，在市区工况中，各气体排放量显著高于郊区工况。在速度出现峰值时，各气体排放量亦会达到峰值，这说明汽车在加速行驶会增加NOX、CO等污染物的排放量。

（2）根据润滑油黏度分析NOX的排放量：结合图7与表5进行分析，油样一与油样二相比，两者排放量的变化趋势一致，而在整个工况中，油样二的NOX的排放量较油样一高出0.04 g·km-1。参比油比油样一与油样二的平均值相比，NOX的排放量高出0.1 g·km-1，这说明黏度较高的参比油（5W-30）会引起更高的NOX排放量。

（3）根据润滑油黏度分析CO的排放量：根据图8与表5进行分析，3种润滑机油在排放总量上几乎一致，均在0.135 g·km-1左右，这说明润滑油黏度对CO的排量影响较小。

（4）根据润滑油黏度分析THC（碳氢化合物）的排放量：结合图9与表5进行分析，参比油THC的排量最少，为0.026 g·km-1，低于油样一与油样二的平均值0.033 g·km-1，这说明黏度较高的润滑油产生的总碳氢化合物的排放量更少。

（5）根据润滑油黏度分析CO2的排放量：根据图10与表5进行分析，参比油在CO2的排放量显著高于其他2种油样，达到187 g·km-1，这说明黏度较高的润滑油会产生更多的CO2。

（6）各排放气体结合燃油油耗：在较低黏度润滑油的情况下，NOX、CO2的排放量及燃油油耗均较少，而THC的排放量与燃油油耗呈相反的趋势，CO的排放量与燃油油耗则无明显联系。

4 总结

（1）在理论分析方面，本文分析了润滑油黏度选择的理论依据；整车油耗与工况之间的关系；滑油黏度随温度变化的影响，其中低黏度的润滑油温上升更快。

（2）CO2虽不是空气污染物，但它是引起温室效应的主要气体，从排放量上看与黏度有一定的关系，使用较低黏度的润滑油的CO2排放量较少。

（3）潤滑机油黏度与整车油耗相关。低黏度的润滑油能够有效地降低整车油耗，并且尾气污染物中的NOX更少。

参 考 文 献

[1]GB 18352.5—2013，轻型汽车污染物排放限值及测量方法[S].

[2]Bartz W J，Wienecke D.Influence of Gear Oil For-

mulation on Fuel Economy of Passenger Cars[J].SAE Technical Paper，2000（1）.

[3]Zervas E.Impact of altitude on fuel consumption

of a gasoline passenger car[J].汽车工程，2015，37

（10）：1104-1108.

[4]毛琳.润滑油对尾气颗粒污染物的影响[J].山东化工，

2016（7）.

[5]刘传波，董拓.润滑油黏度对后桥传动效率和整车油耗影响的试验研究[J].机械传动，2016（5）.

[6]王月森，梁兴雨.润滑油基础油对柴油机性能及排放的影响[J].内燃机学报，2016（2）.

[7]姚勇.润滑油性质对汽油机排放的影响及汽油机润滑油的发展趋势[J].润滑与密封，2005（4）.

[8]吴立勋.润滑油性质对汽油机排放标准的影响[J].小型内燃机与摩托车，2005（6）.

[9]粟斌，史永刚，徐金龙，等.发动机润滑油精度等级对其性能的影响[J].润滑与密封，2011，36（1）：92-94.

[责任编辑：钟声贤]