低黏度机油对发动机/整车节能的影响

金海玲，向晖，金先扬， 陶劲峰，刘长期

(1.上海华普汽车有限公司，上海 201501；2.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

低黏度机油对发动机/整车节能的影响

金海玲1，向晖2，金先扬1， 陶劲峰1，刘长期2

(1.上海华普汽车有限公司，上海 201501；2.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

燃料经济性是现代汽车的发展趋势，优异的黏度指数改进剂和减摩剂可提高机油的燃料经济性。根据低黏度机油的特性，结合β-4G15发动机润滑系统特点，研究低黏度机油对发动机/整车节能的影响。以机油10W40作为基准油，通过发动机倒拖和万有特性试验考察了机油0W20、5W20和5W30对发动机减摩和节能的影响，并通过发动机800 h耐久试验考察了机油5W20对发动机耐久性的影响；以机油10W40作为基准油，通过整车NEDC试验考察了机油5W20和5W30对整车节能的影响。试验结果表明：采用低黏度机油可有效提高发动机/整车的燃料经济性。

燃料经济性；低黏度机油；耐久性

0 引言

自20世纪七十年代初，为了减少内燃机对日益短缺石油基燃料的依赖，各国都在努力提高发动机燃料经济性。图1是各国对乘用车燃料经济性的法规要求，可知：日本和欧洲国家对乘用车燃料经济性的要求相对较高。

为推动我国汽车节能技术革新，持续降低我国乘用车燃料消耗量水平，缩小与国外先进水平的差距，从整体上控制我国乘用车燃料消耗量和二氧化碳的排放，使我国乘用车平均燃料消耗量在2020年达到5 L/100 km、对应二氧化碳排放为117 g/km的目标，我国已发布了GB 27999-2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》,要求到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/100 km；节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/100 km以下；商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。

发动机是汽车的主要动力源，可以从两个方面来降低发动机的燃料消耗量：一方面通过优化发动机进排气系统、燃烧系统等来提升发动机的升功率；另一方面是通过改善发动机摩擦条件来降低燃料消耗量。发动机摩擦条件主要由发动机润滑系统的性能决定，发动机润滑系统的作用是发动机工作时连续不断地把机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面形成油膜，实现液体摩擦，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。

因此，机油作为发动机的“血液”，其燃料经济性对发动机/整车的节能具有重要的作用。各汽车主机厂和润滑油公司都在积极开发节能型机油，优异的黏度指数改进剂和减摩剂可有效提高机油的燃料经济性。目前欧美国家主要以开发优异黏度指数改进剂来实现机油燃料经济性，而日本主要以开发钼盐来实现机油燃料经济性[1-5]。

图1 各国对乘用车燃料经济性的法规要求

作者根据低黏度机油的特性，结合β-4G15发动机润滑系统特点，研究低黏度机油对发动机/整车节能的影响。以机油10W40作为基准油，通过β-4G15发动机倒拖和万有特性试验考察了机油0W20、5W20和5W30对发动机减摩和节能的影响，通过发动机800 h耐久试验考察了机油5W20对发动机耐久性的影响。此外，以机油10W40作为基准油，通过整车NEDC试验考察了机油5W20和5W30对整车节能的影响。

1 理论分析

发动机主要有3种不同润滑状态的摩擦组件：曲轴和连杆轴承，凸轮和气门挺杆，活塞和气缸壁，如图2所示。

图2 发动机摩擦组件润滑机理图

轴承与轴颈基本处于液体润滑状态，摩擦因数与机油黏度具有很好的关联性，在不出现边界润滑的条件下，低黏度机油能使摩擦损失相应减少；凸轮和气门挺杆的润滑，存在着边界润滑、弹性流体动压润滑和混合润滑状态；活塞与气缸壁的摩擦面虽然与轴承相似，但由于高温及经常改变运动方向，不易保持完全的流体润滑，特别是上止点附近，气缸壁会出现磨损和擦伤现象，如果机油的黏度过低且HTHS值偏低，会增大活塞与气缸壁的磨损[6]。

降低发动机摩擦组件间摩擦因数可以减少发动机的机械损失，进而提高发动机的燃料经济性。黏度指数改进剂可以改善机油的黏温性能，适应宽温度范围内对机油的黏度要求，可以减少流体润滑领域的摩擦，有利于降低摩擦组件间的“液体摩擦”，如图2中右侧下移后的曲线(虚线)；摩擦改进剂可以降低摩擦因数，并有效防止零件磨损，减少边界润滑和混合润滑领域的摩擦，有利于降低摩擦组件间的“固体摩擦”，如图2中左侧下移后的曲线(虚线)。因此优异的黏度指数改进剂和减摩剂可以有效提高机油的燃料经济性。此外在开发和验证节能型机油时既要考虑机油添加剂的配伍性，也要考虑机油黏度下降后对功率、扭矩的贡献以及其对发动机耐久性的影响。

2 试验内容

选用4款机油进行发动机台架试验，机油黏度等级分别为：0W20、5W20、5W30和10W40，如表1所示。依据GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，分别对搭载机油0W20、5W20、5W30和10W40的β-4G15发动机进行倒拖试验和万有特性试验，考察低黏度机油对发动机节能的影响；依据GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》，对搭载机油5W20的β-4G15发动机进行800 h耐久试验，考察低黏度机油对发动机耐久性的影响。搭载的β-4G15发动机信息如表2所示。

表2 发动机信息

此外，试验依据GB/T 19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》，分别对搭载机油5W20、5W30和10W40的CE-1P乘用车进行NEDC试验，考察低黏度机油对整车节能的影响，搭载的CE-1P乘用车信息如表3所示。

表3 乘用车信息

3 试验结果与分析

图3为机油温度控制在60和100 ℃时，使用机油0W20、5W20、5W30和10W40进行发动机倒拖试验后的发动机机械损失对比图。可知：低黏度机油可以减少发动机的摩擦损失,且温度越低，低黏度机油对减少发动机摩擦损失的效果越明显。

图3 发动机机械损失对比图

图4为机油温度控制在90 ℃时，使用机油0W20、5W20、5W30和10W40进行发动机万有特性试验后的发动机油耗特性图。可知：使用低黏度机油可以降低发动机油耗，提高发动机燃料经济性,其中使用机油5W20的发动机节能效果最好，使用机油0W20的发动机节能效果次之，使用机油5W30的发动机节能效果不明显。

图4 发动机油耗特性对比图

使用低黏度机油可能会影响到发动机的耐久性，因此安排了搭载机油5W20的β-4G15发动机800 h耐久试验(机油换油周期为50 h)。通过检测使用过机油的运动黏度、总酸值、总碱值、燃料稀释率、元素含量等理化指标，分析判断机油老化变质情况，评估低黏度机油5W20对发动机耐久性的影响，检测数据如图5所示。可知:(1)使用过的机油40 ℃和100 ℃运动黏度(KV40和KV100)较新油下降正常，100 ℃运动黏度(KV100)下降率基本可以控制在25%以内；(2)使用过的机油总酸值或总碱值较新油波动正常，其变化可以控制在±1 mgKOH/g以内；(3)使用过的机油燃油稀释率正常，可以控制在3.5%以内；(4)使用过的机油氧化度和硝化度可以控制在20 A/cm-1以内，机油老化正常；(5)使用过的机油元素含量正常，其中钙(Ca)、锌(Zn)、硼(B)、钼(Mo)、镁(Mg)、磷(P)主要来自添加剂的损耗；铁(Fe)、铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)主要来自发动机摩擦副的磨损；硅(Si)主要来自外界的污染。铁、铝、铜等元素含量降低，说明发动机润滑系统无明显磨损。因此，使用低黏度机油5W20可以满足β-4G15发动机的耐久性要求。

为进一步验证低黏度机油5W20对β-4G15发动机耐久性的影响，安排了800 h耐久试验后β-4G15发动机拆机，发动机拆机后主要摩擦零件的照片如图6所示。

图5 机油理化检测数据

图6 主要摩擦零件照片

由图6可知: β-4G15发动机润滑系统主要摩擦零件无明显磨损，因此，使用低黏度机油5W20可以满足β-4G15发动机的耐久性要求。

表4为搭载机油5W20、5W30和10W40进行整车NEDC试验所得数据，可知：使用低黏度机油可以提高整车燃料经济性，其中以搭载机油5W20的整车燃料经济性表现最佳。相对于基准机油10W40，使用5W20机油可使整车的市区工况燃料消耗量持平，市郊工况燃料消耗量下降2.34%，综合工况燃料消耗量下降1.91%。

表4 NEDC试验数据

4 总结

(1)优异的黏度指数改进剂和减摩剂可以有效提高机油的燃料经济性。

(2)使用低黏度机油可以减少发动机的摩擦损失和降低发动机的油耗，对发动机的节能效果明显。

(3)低黏度机油5W20可以满足β-4G15发动机的耐久性要求。

(4)使用低黏度机油可以提高整车的燃料经济性。相对于基准机油10W40，使用5W20机油可使整车综合工况燃料消耗量下降1.91%，对整车的节能效果明显。

[1]van DAM W,MILLER T,PARSONS G.Optimizing Low Viscosity Lubricants for Improved Fuel Economy in Heavy Duty Diesel Engines[R].SAE Paper No.2011-01-1206.

[2]OKUYAMA Y,SHIMOKOJO D,SAKURAI T,et al.Study of Low-viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability[R].SAE Paper No.2011-01-1247.

[3]DARDIN A,HEDRICH K,MÜLLER M,et al.Influence of Polyalkylmethacrylate Viscosity Index Improver on the Efficiency of Lubricants[R].SAE Paper No.2003-01-1967.

[4]HEDRICH K,SCHERER M,HERZOG S N,et al.The Influence of Dispersant PAMA on Soot Handling,Wear,and Fuel Economy in Heavy Duty Diesel Oils[R].SAE Paper No.2003-01-1959.

[5]KASAI M,NAKAJIMA K.Fuel Saving Four-stroke Engine Oil for Motorcycles[R].SAE Paper No.2006-32-0014.

[6]薛景文.摩擦学及润滑技术[M].北京:兵器工业出版社,1992:1-2.

InfluenceofLowViscosityLubricantsonFuelEconomyinEngineandVehicle

JIN Hailing1, XIANG Hui2, JIN Xianyang1, TAO Jinfeng1, LIU Changqi2

(1.Shanghai Maple Automobile Co., Ltd., Shanghai 201501,China;2.Guangzhou Mechanical Science Research Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510700,China)

Fuel economy is the development trend of modern automobile. Excellent viscosity index improver and friction modifier can improve the engine lubricant fuel economy. According to the characteristics of the low viscosity lubricants and β-4G15 engine lubricating system structure, the influence of low viscosity lubricants on fuel economy in engine and vehicle were studied systematically.Through the engine motored and BSFC test bench,it was demonstrated that the candidate engine lubricants 0W20,5W20 and 5W30 were better engine fuel economy and less friction loss than 10W40.And through the engine durability test bench, it was demonstrated that lubricant 5W20 can satisfy the performance of β-4G15 engine durability. Through the vehicle NEDC test,it was demonstrated that the candidate engine lubricants 5W20 and 5W30 were better vehicle fuel economy than 10W40. The results show that the low viscosity lubricant can effectively improve engine and vehicle fuel economy.

Fuel economy; Low viscosity lubricants; Durability

TE626.3

B

1674-1986(2017)11-056-06

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.014

2017-10-31

金海玲(1980—)，女，硕士，工程师，主要从事车用燃料、润滑油和添加剂的技术研究和应用。E-mail:jhlking@163.com。