WLTC工况下润滑油对整车油耗的影响研究

祁建德 陈微微 唐颖 张鸿

【摘 要】针对国家第六阶段油耗标准要求的轻型车测试循环工况WLTC，配制不同黏度的发动机油进行循环试验，并以所选车型的原厂油作为对照，分析不同润滑油对发动机温升和整车油耗的影响。试验结果表明，在整个WLTC循环工况下，不同发动机油的温升曲线变化趋势基本一致，主要温度差异存在于低速段和高速段;降低润滑油黏度可以降低综合油耗，其效果在中低速段比高速段明显，但黏度过低会导致超高速段油耗增加;5款试验油中，4#降耗效果最为明显，整车油耗可降低1.18%，油耗成本降低0.09 L/100 km。

【关键词】发动机;润滑油;WLTC;整车油耗

【中图分类号】U473.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）03-0081-04

0 引言

近年来，随着全球气候的持续变化和燃料成本的不断提高，世界各国政府颁布了越来越严格的排放法规以控制乘用车的排放，我国在2016年12月23日发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，各大汽车厂商都采取各种措施提高车辆燃油经济性以降低整车油耗。润滑油对发动机的燃油经济性有重要影响，涡轮增压发动机拥有良好的动力性与经济性，但它对润滑油的性能要求更加严苛，普通发动机润滑油难以满足要求;通过改善润滑油的品质降低整车油耗，不需要改变发动机的结构，实施简单且具有良好的经济效益。

赵广宣等人[1]对比了WLTC和NEDC工况的差异，通过AVL_CRUISE仿真和试验验证发现，在加载相同质量及道路载荷时，WLTC工况油耗稍高于NEDC工况;史程中等人[2]通过发动机台架试验研究了低黏度润滑油对发动机机械摩擦损失的影响，分别测定了3种不同黏度的润滑油SL 10W40、SL 5W30和SM 5W20对发动机摩擦损失的影响，结果表明随着润滑油黏度的降低，发动机节油效果提高;邵军等人[3]对一辆SUV匹配2.0T增压汽油发动机进行了试验测试，通过试验对比NEDC工况与WLTC工况的排放摸底、观察排温变化，试验结果表明WLTC工况比NEDC工况的需求扭矩更大，发动机及催化器硬件承受排温的限值要求更高;Mainardi等人[4]通过发动机控制模块（ECM）研究了润滑油黏度对发动机冷态启动性能的影响，试验分别从润滑油温升、冷却液温升、发动机转速提升速度及燃油消耗量4个方面进行评估，试验结果表明降低润滑油黏度能有效减少发动机冷启动摩擦力矩，提高发动机的冷启动性能，降低油耗。

国内外的学者对润滑油性能做了大量的试验研究，但一般只是针对润滑油的某一种特性进行研究，在实际整车试验验证时存在试验油样单一的问题，而且关于WLTC工况下整车油耗试验的研究较少。本文基于WLTC工况对相同规格不同黏度等级的润滑油、相同黏度等级不同添加剂配比的润滑油进行了整车燃油经济性测试，研究WLTC工况下不同配方润滑油对车辆油耗的影响。

1 试验原理

1.1 WLTC工况简介

根据国标《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016）[5]规定，我国目前采用WLTC（全球轻型汽车测试循环）工况进行整车油耗及排放物的测量。该循环工况分为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个部分，是一种瞬态循环，持续时间共1 800 s。与之前采用的NEDC循环工况相比，WLTC循环工况最大加/减速度范围更大，平均速度更高且频繁的加减速趋向于增加工况油耗。WLTC具体的工况特征和车速曲线如表1和图1所示。

1.2 油耗計算方法

车辆燃料耗费量的测试方法按是否需要拆卸发动机供油管路传感器可分为两种。直接测量法直接将测量油耗的传感器串接在发动机供油管路中，实时测出消耗的燃油量，根据传感器的类型可分为容积法和质量法。间接测量方法通过测量表征燃油消耗的特征参数，计算得到消耗的燃油量，目前比较成熟的间接测量方法是碳平衡法。对于新生产的状态较好的车辆，碳平衡法测量车辆油耗的准确度相对较高，因此采用碳平衡法进行计算。

国标《轻型汽车燃料消耗量试验方法》（GB/T 19233—2008）[6]给出了汽车尾气排放物与油耗的计算方法，排放物计算公式如下：

上式中，M为污染物i的排放量;Vmix为校正至标准状态（273.2 K和101.33 kPa）的稀释排气体积，单位为L;Qi为标准状态下污染物i的密度;Ci为稀释排气中污染物i的浓度，并按稀释空气中污染物i的含量进行校正;d为试验循环期间的行驶距离。

油耗计算采用碳平衡法计算：

上式中，Q为燃油消耗量;QHC为测得的碳氢排放量;Qco为测得的一氧化碳排放量;■为测得的二氧化碳排放量;D为试验燃油在15 ℃时的密度。

2 试验方案

2.1 油样配制

试验油样配方主要从质量等级和黏度级别两个方面对润滑油性能进行考察，考虑到润滑油的成本及基础油性能差别对试验结果的影响，所有的油样基础油均采用加氢裂解油。

5款试验油样的主要理化特性见表2，其中1#原厂油为参比油，2#～5#油样为试验油。5款试验油样中共包含3种黏度级别，分别为5W-30、5W-20和0W-20，1# SM 5W30机油黏度最高，黏度指数较低，4# API SN 0W20机油黏度最低，通过测试WLTC工况下不同黏度油样的整车油耗，判断低黏度机油对整车油耗的影响，其中2#与4#、3#与5#油样又分别形成对比，用于研究更低黏度的0W-20机油的润滑油特性。

2.2 试验车辆

试验车辆选择国内某汽车公司的一款SUV车型，搭载1.5 L的涡轮增压发动机，满足国Ⅵ排放环保标准，基本代表目前国内汽车设计的趋势，测试车辆主要参数见表3。

2.3 试验流程设计

发动机油的测试需要一套严格的测试流程，测试所需时间比较长，在整体测试过程中车辆的性能会逐步降低，或者由于润滑油的“携带效应”的影响会导致试验结果发生漂移[6]。因此，对比时间差距较大的两组数据会出现偏差，每隔一段时间需要对参考油进行测试，观测参考油性能是否发生改变。换油在测试过程中是非常重要的一个环节，不同润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学膜，因此在油样更换过程中需要消除前一款油对后一款油的影响。

每一组油的测试流程如图2所示，测试流程采用参比油与测试油交替进行的测试顺序，每种测试油与其前一次参比油形成对比，这样虽会增加试验次数，但能有效减少润滑油“携带效应”和车辆状态的波动带来的试验误差。

为了保证试验的高精度，每一组润滑油至少进行了5次试验，由于外界环境的变化和试验设备的限制，因此每次试验的起始条件和工作条件可能发生波动，经过多次试验并采取统计的方法可以降低试验中出现的误差。

3 试验结果分析

3.1 润滑油对发动机温升的影响分析

为测量WLTC工况试验过程中发动机的温升状况，在发动机油底壳放油螺栓上装有温度传感器，利用DEWE-43-V数据采集卡，对润滑油温度数据进行秒采。试验结果如图3所示。

在试验过程中，为防止初始油温对试验结果的分析产生干扰，将发动机初始油温保持在相同的温度。从发动机温升曲线可以看出，5款发动机油的温度随WLTC试验时间变化趋势基本一致，低速段油温主要集中在20～50 ℃，中速段油温主要集中在50～70 ℃，高速段油温主要集中在70～100 ℃，超高速段油温主要集中在100～110 ℃，至WLTC试验结束，发动机最高油温达到110 ℃。

发动机温升情况能在一定程度上反映发动机的摩擦损失情况，温升速度越小，摩擦损失越小，燃油经济性越高;由温升曲线可知，发动机油的温度差异主要存在于低速段和高速段，低速段温差较大的原因可能是初始油温较低，低温时较高黏度的润滑油导致流体的内摩擦力增大，进而导致一部分能量的消耗。

3.2 润滑油对整车油耗的影响分析

油耗试验结果包括低速段、中速段、高速段、超高速段工况油耗及综合油耗。在低速和中速工况下，发动机转速较低，一般不超过2 500 r/min，润滑油温度较低;在高速和超高速工况下，发动机转速较高，可达3 500 r/min，润滑油温度较高。图4为5款测试油WLTC试验不同车速下的油耗对比，图5为5款测试油WLTC试验综合油耗对比。

从总体来看，与参比油1#相比，4款测试油均能在一定程度上降低油耗，4种车速下的油耗趋势与综合油耗基本一致，中低速工况下油耗降低幅度更大，而高速和超高速工况下油耗降低幅度较小。

从不同车速下油耗对比图可以看出，5款发动机油的油耗整体趋势上是黏度越低油耗越小，低黏度化的发动机油在满足发动机正常运转的条件下，能降低发动机和整车的燃油消耗，提高燃油经济性，特别在中低速工况下贡献度更高。

从综合油耗对比图可以看出，5款油的试验油耗按照1#、3#、2#、5#、#4的顺序降低;4#油节油效果最好，相比1#参比油油耗降低0.09 L/100 km，油耗改善率为1.18%;5#油油耗降低0.07 L/100 km，油耗改善率为0.92%。对比2#、3#和4#、5#两组油耗可以看出，摩擦改进剂对油品的性能提升效果比黏指剂更好。

4#试验油的综合油耗和低中高速油耗均为最低，但在超高速工况下油耗比3#和5#试验油更高，分析原因可能是在中低速工况下，4#试验油本身的低黏度及加入的摩擦改進剂使其在低温条件下能保持较好的润滑特性，但4#试验油的黏度指数较小，在超高速的高温工况下运动黏度变得很低，润滑油膜难以形成，发动机摩擦部件处于边界润滑状态，导致磨损增多，油耗增加。

4 结论

（1）WLTC工况下不同发动机的温升曲线变化趋势基本一致，主要的温度差异存在于低速段和高速段，5款发动机油的温度分布在20～110 ℃。

（2）在发动机正常润滑的基础上，降低润滑油黏度可以降低油耗，其效果在中低速段比高速段明显，黏度过低反而会导致超高速段油耗增加。

（3）在目标车型上，4#试验油降耗效果最为明显，整车油耗可降低1.18%，油耗成本降低0.09 L/100 km。

参 考 文 献

[1]赵广宣，李敏，何艳则，等.WLTC与NEDC循环工况对汽车油耗影响的研究[C]//北京：中国仿真技术应用大会组委会，2019：83-89.

[2]史程中，贺娜，钟建勤，等.低黏度机油对汽油发动机燃油经济性的影响研究[J].汽车工程，2015，37（10）：1103-1108，1122.

[3]邵军，赵志国，李建.国VI WLTC工况对汽油机排放和排温的影响[J].汽车工程师，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，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[6]GB/T 19233—2008，轻型汽车燃料消耗量试验方法[S].

[7]王俊平.机油对乘用车发动机燃油经济性的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2016.