某低黏度机油对4缸发动机性能的影响

沈颖倩 崔振伟

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

降低发动机机油黏度可以减小发动机工作时的功率损失，降低燃油油耗，提高低温启动性能。近年来，日、美、欧、韩的汽车制造商都在极力使机油的黏度变低，尤其是日系汽车都使用黏度等级为0W-20的机油。但是黏度减小过多，可能会导致边界摩擦，从而使发动机磨损增大。选择合适的基础油和添加剂可以弥补低黏度的不足，采用优化配方比的SN 0W-20低黏度机油能够同时满足整机性能开发和降油耗的要求。文章首先在搭载4缸发动机的整车上进行NEDC循环试验，对比使用SN 0W-20和SM 5W-30机油条件下，I型试验排放测试结果及整车油耗的差异；然后对SN0W-20机油进行整机可靠性试验，从功率、油耗、主油道压力及机油与燃油消耗比等方面研究其对整机性能的影响。

1 整车NEDC循环试验

1.1 试验油品参数

目前国内使用的汽油机油普遍为SM5W-30。文章将其他发动机在用的SM5W-30机油作为基础油，另外选择2种符合此4缸发动机特点的SN 0W-20机油进行NEDC循环试验，试验用机油的基本参数，如表1所示。

表1 整车NEDC循环试验油品基本参数

1.2 试验结果

在搭载4缸发动机的某车型上，分别采用SM 5W-30和SN0W-20机油进行NEDC循环试验，获取I型试验排放和整车油耗数据。每种油品进行3次试验，结果取其平均值，如表2所示。

表2 整车NEDC循环I型试验排放结果 g/km

从表2可以看出，3种油品的排放测试结果都能满足国V排放法规的限值要求[1]。SN0W-20机油的整体排放性能优于 SM5W-30机油；SN 0W-20（b）机油的HC，NO，NMHC排放优于SM5W-30机油，但是CO排放比SM5W-30机油高0.108 g/km。

整车油耗对比，如图1所示。从图1中可以发现：相比传统SM5W-30机油，使用SN 0W-20机油的节油率为1.67%；SN 0W-20（b）没有节油效果。对比结果表明，SN 0W-20（b）配方的机油与试验用发动机不匹配，显现不出节油优势。

图1 整车NEDC循环试验不同油品油耗结果

2 整机可靠性试验

在整机可靠性试验时，文章仅选用SN 0W-20进行试验。按照机油可靠性试验规范在可靠性台架上进行验证，试验过程中通过检测相关元素含量变化来监测油品性能变化及发动机是否发生异常磨损；通过评价可靠性试验前后整机性能、油压、漏气量、机油与燃油消耗比及主要部件磨损来判定试验是否通过[2]。整个试验过程机油温度控制在140℃以下，冷却液温度控制在（90±3）℃，燃油温度控制在（25±5）℃。

2.1 油品分析结果

试验中每间隔50 h从油底壳中抽取150 mL油样，间隔200 h换1次机油。并对取样油品的黏度、碱值及金属元素含量等指标进行跟踪分析，根据GB/T8028—2010《汽油机油换油指标》[3]进行评价。

2.1.1 100℃运动黏度

黏度是衡量油品油膜强度及流动性的重要指标之一。图2示出100℃机油运动黏度测试结果。从图2中可以看出，整个试验过程，油品黏度变化比较稳定，初期有轻微下降，后期平稳上升，总体变化率在±14%以内，低于换油指标的要求，表明油品有良好的抗氧化性能和抗剪切性能。

图2 100℃机油运动黏度变化曲线

2.1.2 碱值

碱值主要由机油的添加剂体系决定。一般高碱值对应油品的高清净分散性，有利于延长油品的换油期。同时油品的碱值可用于中和燃烧生成的强酸性物质及油品自身氧化产生的有机酸。图3示出机油碱值测试结果。从图3中可以看出，可靠性试验后碱值有所下降，但仍远高于下限，表明该油品有较强的碱值保持能力，可以有效抑制积碳和油泥的生成。

图3 整机可靠性试验机油碱值变化曲线

2.1.3 磨损元素

油品中不同金属元素含量的变化，代表发动机在试验过程中不同摩擦部位的磨损情况，磨损元素分析是评价发动机摩擦状态的简洁有效的方式。在整个可靠性试验过程中，试验油品中金属元素呈平稳上升趋势，如果金属元素含量急剧增加则表明发生了严重磨损[4]。图4示出铁、铜、铝含量分析结果，从图4中可以看出，各金属元素含量表现出平稳的变化趋势，可靠性试验后含量均低于换油指标要求。

图4 整机可靠性试验油品中金属元素含量变化曲线

2.2 可靠性试验结果

2.2.1 整机性能影响

可靠性试验前后分别进行功率及油耗测量，对比曲线如图5和图6所示。从图5中可以看出，可靠性试验后额定功率降低1.9%，符合试验规范中限值（5%）要求；从图6可以看出，油耗在可靠性试验后略有恶化，最大增长约4.2%。

图5 整机可靠性试验前后功率对比曲线

图6 整机可靠性试验前后燃油消耗率对比曲线

2.2.2 主油道机油压力

在可靠性试验前后进行主油道机油压力的测量，以评价磨损对发动机可靠性的影响。对比结果，如图7所示。从图7中可以发现，可靠性试验后机油压力下降，但仍符合试验规范中的限值（转速为2 000 r/min时，机油压力≥300 kPa）要求。

图7 整机可靠性试验前后主油道机油压力对比曲线

2.2.3 机油与燃油消耗比

在进行可靠性试验的同时，检测整机机油与燃油消耗比的变化，评价机油消耗量是否满足技术规范要求。发动机可靠性试验前后，机油与燃油的消耗比分别为0.11%和0.13%，虽然可靠性试验后机油的消耗增加，但未超过0.15%的限值。

2.2.4 主要零件磨损

可靠性试验前，对活塞、缸筒、气门、凸轮轴及轴瓦等主要润滑部件的关键尺寸进行测量。可靠性试验后，对发动机进行拆解清洗，仔细检查各零部件工作状态，根据检查结果对主要零件状态进行打分评价，并再次测量主要润滑部件的关键尺寸，计算其磨损值。从主观评价和磨损量结果来看，主要润滑零件磨损量满足评价要求。

3 结论

文章通过对搭载4缸发动机的整车进行NEDC循环试验及整机可靠性试验得出：1）使用SN 0W-20机油，I型试验结果能满足国V排放法规限值要求，且整车油耗较SM5W-30机油能节油1.67%；2）整机可靠性试验结束后，功率、油耗、机油压力及机油与燃油消耗比的主要指标，以及零件磨损量都能满足要求。因此本次研究表明，SN 0W-20机油能满足该4缸发动机的使用要求。