低黏度润滑油对汽车燃油经济性的影响研究*

莫易敏 罗旭 刘青春 吕俊成 张偶

（1.武汉理工大学，武汉430070；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州540057）

主题词：低黏度 润滑油 发动机 台架试验 燃油经济性

1 前言

提高汽车燃油经济性有助于缓解资源短缺问题[1]，国内外学者针对燃油经济性的提升开展了很多研究：王震等[2]通过改装48 V微混系统，利用优化高转速起动控制、加速电机助力、制动能量回收等控制策略达到降低燃油消耗量的目的；庞凤[3]采用发动机低惯量增压器、电磁离合器风扇和优化整车结构等方法降低燃油消耗量；Macian等[4]研究了15W40、5W30和10W40 3种不同黏度润滑油对燃油经济性的影响，结果表明，低黏度润滑油可以降低燃油消耗量，同时产生更少的CO、CO2、HC 等污染物。上述方法适用范围有限，不能为已生产车辆提供最优的解决方案。

本文通过发动机台架试验对测试油0W20 和参比油5W30 的机械摩擦损失进行测试，比较2 种发动机润滑油对发动机燃油经济性的影响，并针对3 款测试油0W20 进行整车燃油经济性试验，对比分析含不同添加剂的低黏化发动机润滑油对整车燃油经济性的影响。

2 试验用润滑油与发动机台架试验

2.1 试验用润滑油和发动机

试验采用的是直列四缸涡轮增压直喷发动机，其基本参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

所用润滑油以原厂润滑油SM 5W30 作为参照，配制出3 款不同类型的低黏度SM 0W20 润滑油。为减少除黏度外其他因素对燃油经济性的影响，在配制过程中采用相同质量等级的基础油和相同品牌的添加剂，但润滑油黏度降低后，会导致摩擦副从流体润滑状态向边界/混合润滑状态转化，使得摩擦力增大、磨损增加，因此在试验油中加入一定量的含钼添加剂[5]，以减小这种负面影响。4种试验油主要参数如表2所示。

表2 试验油基本参数

2.2 试验设备与试验流程

本文采用倒拖法，以摩擦力矩为参照衡量节气门全开和全闭2种状态下的机械损失[6]。使用AVL自动控制试验台架，并与发动机搭接，如图1所示，试验现场如图2所示。发动机通过电力测功机倒拖工作，利用冷却液温控系统和油温控制系统满足试验过程中的温度要求，以减小温度对润滑油黏度的影响。试验开始前，先将试验发动机进行5 h左右的磨合处理，同时在试验过程中控制变量，使其满足如表3所示的要求。

图1 台架试验系统

图2 试验现场

表3 试验过程中的基本要求

试验开始时，需对发动机进行热机操作，使其在额定转速的75%左右和20%左右的负载条件下运行，润滑油温度和冷却液温度在误差范围内。节气门全开，发动机以额定速度工作，然后关闭润滑油回路并燃烧掉润滑油回路中的残留燃油。需要注意的是，在上述状态下，摩擦力矩的测量包含了发动机泵气损失[7]。关闭发动机点火电源，起动测功机倒拖发动机工作，在从额定转速逐渐降低至最低转速过程中取点进行数据记录。完成节气门全开工况测量后，立即在节气门全闭工况下开展测量，试验过程应尽量紧凑，避免更多的干扰因素影响试验结果。不同黏度的润滑油在切换过程中，需用待测油液冲洗发动机2～3 次，更换机油滤清器，并使用量杯加注，保证每次添加的量一定。

2.3 试验结果分析

试验过程中，利用AVL 电力测功机和数据采集系统得到不同黏度润滑油在1 000～5 500 r/min 转速条件下的摩擦力矩，如图3所示。

图3 各工况下不同润滑油的发动机摩擦力矩

发动机摩擦力矩越大，相同时间内所消耗的能量也越多，导致燃油消耗量升高，所以摩擦力矩越大代表燃油经济性越差，由图3所示的曲线可知：

a.除特殊点，节气门全开和全闭状态下随着转速的增加，摩擦力矩近似线性增加，同时在高转速下，4种润滑油对应摩擦力矩的差距增大。

b.比较图3a、图3b，节气门全闭状态的摩擦力矩上限比全开时小。节气门全开状态下，摩擦力矩的测量包含了发动机泵气损失，且其随着转速的增加而增大。

c.节气门全开工况下以3 000 r/min 为分界点，在大于该转速的情况下，4种润滑油的摩擦扭矩存在明显区别，相差百分比最大的情况出现在4 750 r/min 左右，0W20#2 比5W30 的摩擦力矩小13.9%。在1 500 r/min时，发动机转速较小，摩擦副之间从混合摩擦向流体摩擦过度，使得磨损曲线呈下降趋势[8]。

为了更好地反映各种润滑油的差异，消除部分点带来的误差，将试验数据采用最小二乘法进行直线拟合，如图4所示。

图4 不同润滑油的发动机摩擦力矩拟合

由图4 可知，相对于原厂润滑油5W30，3 种低黏度的0W20具有更低的摩擦力矩，这表明该黏度的润滑油可以使摩擦部件处于流体润滑状态，证明降低润滑油黏度改善燃油经济性的方案可行，同时，在配制的3 种低黏度润滑油中，0W20#2 润滑油在发动机全转速过程中均小于其他类型的摩擦力矩。

3 整车燃油经济性试验

3.1 试验车辆及方案

为进一步验证低黏度润滑油对汽车燃油经济性的影响，进行整车实际路况试验，汽车的主要参数如表4所示。

表4 整车参数

汽车燃油消耗量可以通过碳平衡的方法获得[9]，其基本原理是燃烧前、后的碳含量保持不变，通过测量CO2、CO和HC的排放量来确定消耗的燃油总量，根据质量守恒原理，有：

式中，Q为燃油消耗量；Q(CO2)、Q(CO)、Q(HC)分别为CO2、CO、HC的排放量；D为燃油的密度。

试验分为4 组，即分别采用原厂的5W30 和新配制的3种低黏度润滑油开展试验，每组试验进行3次以确保试验结果的准确性。开始前，先用待测润滑油对发动机进行2～3次冲洗，之后对发动机进行磨合预热处理使各摩擦副充满待测润滑油，最后在全球统一轻型车辆测试循环（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）工况下进行整车燃油经济性试验，计算平均燃油消耗量。试验现场如图5所示。

3.2 试验结果分析

通过上述试验可以得到每组的整车燃油消耗量，每组取3次试验的均值作为燃油消耗量的有效值，计算出每组的变异系数：

式中，cv为变异系数；σ为样本数据的标准差；μ为样本数据的平均值。

结果汇总如表5所示。在数据统计过程中，每组试验数据的变异系数均小于0.3%，误差在允许范围内，试验可靠性高。

由表5可知：

表5 整车燃油消耗量试验数据

a.低黏度的0W20相比于原厂的5W30润滑油经济性有明显改善，燃油消耗量降低了1%左右。

b.在新调配的3 种润滑油中，0W20#2 润滑油的燃油消耗量降低幅度最大，达到了1.28%，黏度最低的0W20#3 润滑油在一定程度上提升了燃油经济性，但是降油耗效果比0W20#2 低0.14 百分点，主要原因是0W20#2 润滑油中添加了较多的钼元素，使得发动机摩擦损失减小，燃油经济性更好。

4 结束语

本文通过发动机台架试验，比较了参比油SM 5W30和测试油SM 0W20的差别，利用整车燃油经济性试验分析了不同成分的低黏度测试油SM 0W20对燃油经济性的影响，可以得到如下结论：

a.3款0W20润滑油较原厂5W30在WLTC工况下节约了1%左右的燃油消耗量，其中0W20#2润滑油的油耗降低幅度最大，达到了1.28%。

b.润滑油添加剂中的钼元素可以改善润滑油的性能，降低摩擦损失，提高汽车的燃油经济性。相较于原厂5W30润滑油，0W20#2润滑油比0W20#3润滑油的综合燃油消耗量降低0.14百分点。