低黏度汽油机油燃油经济性发动机测试方法研究
2021-06-15张威力杨鹤卢文彤邢建强徐岩
张威力,杨鹤,卢文彤,邢建强,徐岩
(中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，北京 100083)
0 引言
为应对全球性的资源短缺和气候变暖，巩固和提高汽车工业未来国际竞争力，欧美日等汽车工业发达国家都在采取积极措施，推动和促进汽车节能技术发展、提高汽车燃料经济性水平，相继完成新一轮针对乘用车燃料消耗量标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求。
世界各主要国家和地区对燃油经济性均有明确要求。其中欧盟于2009年通过强制性的法律手段取代自愿性的CO2减排协议，在欧盟范围内推行汽车燃料消耗量和CO2限值要求和标示制度，要求到2020年乘用车CO2排放达到95 g/km的目标，相当于3.8 L/100 km左右。美国汽车企业平均燃料经济性(CAFE)新规规定，到2025年美国轻型汽车的平均油耗要达到4.32 L/100 km。日本2020年乘用车平均燃料经济性水平达到20.3 km/L，相当于5L/100 km左右[1]。因此，推动和促进汽车节能技术发展，提升燃油经济性成为各大汽车OEM和石油公司最为重要的研究课题。
汽车降低燃油消耗有多项技术措施，其中使用节能型发动机油是重要措施之一。通过对发动机油的不断优化来减小发动机摩擦副的摩擦，从而提高燃油经济性。研究结果表明，降低机油黏度可以减少发动机摩擦损耗，提高发动效率，有利于发动机燃油经济性的改善，同时该方法较发动机结构及燃烧方式的优化具有成本低、易实施的优点，得到了众多OEM的青睐。
在我国石油资源需求不断增长，供需矛盾日益突出和雾霾频繁肆虐的背景下，节能环保汽车产业发展以及石油化工行业对其的支撑作用成为各方关注热点。我国乘用车燃料消耗量第四阶段标准方案现已形成。《乘用车燃料消耗量限值》[2]、《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》[3]已于2014年12月22日正式发布，标准规定到2020年我国乘用车平均燃料消耗量水平将从2015年的6.9 L/100 km下降至5 L/100 km左右[4]。在2020年第14号中国国家标准公告中发布了GB/T 19233-2020《轻型汽车燃料消耗量试验方法》，该方法2021年1月1日起实施，受该方法更新影响，新的《乘用车燃料消耗限值》、《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》目前也在修订中，预计到2025年我国乘用车平均燃料消耗量水平降至4 L/100 km左右。
汽车降低燃油消耗有多项技术措施，涉及到车用油品的包括燃油添加剂和机油添加剂[5]，使用节能型发动机油是汽车制造厂商(OEM)采取的重要措施之一。经过十多年的发展，由美日汽车制造商联合组成的国际组织ILSAC颁布的节能发动机油的规格已经从GF-1发展到GF-5[6-8]，其节能评定台架也从程序Ⅵ发展到程序ⅥD[9]，程序ⅥD试验工况条件见表1，GF-6规格已于2019年发布，使用程序ⅥE/ⅥF台架评定其节能性能。欧洲ACEA节能润滑油最高规格为C6[10],另外C1～C5、A1/B1及A5/B5也有对应节能要求，其节能性能用台架M111和JASO M366评定[11]。
表1 程序ⅥD试验工况条件
国内内燃机油标准主要采用ASTM的标准，标准中汽油机油最高等级为GF-5，GF-5级汽油机油所采用的节能试验为程序ⅥD[12-13]，程序ⅥD选用6个试验工况(如表1所示)[14]，覆盖发动机低速、中速、高速区域，ⅥD研究报告表明，该试验方法对含有不同种类基础油和添加剂的内燃机油具有显著区分性。
然而，通用型国际标准使用一种台架(一种发动机机型)来评定用于多种发动机的润滑油的节能性能，并不具备广泛的代表性[15]，所以各大汽车制造商基于自身发动机技术特点，都建有自己的润滑油节能评定方法，即OEM台架方法，设定企业标准作为其油品供应商的通过指标。本文应用某型号发动机开发一种汽油机油燃油经济性评价方法，考察方法重复性。
1 发动机台架及试验方法
发动机台架的构成主要包含:测功机、发动机托盘及支撑、发动机、冷却水系统、机油系统、燃油系统、气源等系统。本次节能试验主要选用某型号1.8 L四缸汽油发动机开展试验，具体工况条件见表2。
表2 试验工况条件
因机油的节能效果很小，为了尽最大可能降低系统误差对节能试验结果的影响，引入某品牌市售SN 0W-20汽油机油作为参比油。试验过程中需进行2次参比油试验，分别在试验油测量前后，以测量结果作为参照，通过计算试验油并与前后两个参比油的平均值进行比较，计算得到试验油的节能效果。每个油样的试验过程分为9个阶段(如表3所示)，试验工况覆盖发动机低速、中速及高速区域，同时通过辅助系统的控制调整机油、冷却液处于低温和高温区域，最后综合各工况的比油耗(BSFC)，加权得到油样的燃油消耗量。同时，为了保证试验的准确性，对试验所用燃油进行限制，表3列出了典型的燃油理化指标数据。
表3 典型的试验燃油数据
在试验过程中，为了进一步确认台架的稳定性同时控制系统误差，在整个测试环节前增加一次参比油测试环节并设定判断条件：若试验油前的两次参比油燃油消耗测试结果差异小于±0.2%，则视为试验台架系统误差在允许范围内，继续进行试验油的试验，否则认为设备不稳定，需检查设备情况并进行调整。
2 试验结果
2.1 台架精度确认
台架建设完成后，在正式测试前，为确认台架精度和重复性，首先采用同一种汽油机油开展3次9工况测试，并比较其结果，所得试验结果如表4所示，对试验结果的分析见表5。
表4 同一种汽油机油的三次测试结果 kg
表5 同一种汽油机油的三次测试结果分析 kg
通过对三次参比油的测量结果进行数据分析发现：三次测试的最大偏差为第1次和第2次(0.11%)，最小偏差为第2次和第3次(0.1%)，台架控制精度及重复性良好，能够达到0.2%的控制要求。
2.2 0W-16油品的试验过程及结果
台架精度确认完成后，选用某品牌0W-16油品A开展燃油经济性测试，试验按参比油第1次(BL1)、参比油第2次(BL2)、试验油A、参比油第3次(BL3)的顺序进行。
在具体试验过程中，为控制系统误差，试验前后进行两次参比油试验，若前后两次参比油燃油消耗量差距<0.2%，则视为试验台架误差在允许范围内，继续进行试验油的试验。具体到本次试验，两次参比油总燃油消耗量差距为0.067%。
试验油A处于两个参比油之间，参比油BL2和参比油BL3的总燃油消耗量平均值为165.0196，由此计算得到试验油A的节能效果为0.9698%，见表6。
表6 0W-16新油试验结果
表6(续)
3 结论
通过应用某型号发动机建立汽油机油燃油经济性台架并开展相关试验，得出以下结论：
(1)应用某型号发动机制定的汽油机油燃油经济性测试方法有很好的重复性。
(2)测试结果表明，0W-16级别低黏度机油较0W-20级别机油更能提升发动机的燃油经济性。
