0W-20 发动机油节能效果及影响因素研究

李程中国石化润滑油有限公司北京研究院

使用低黏度发动机油是提高燃油经济性的有效方法。本文选取4 款150 ℃高温高剪切黏度接近的不同技术平台的0W-20 发动机油作为试验油，对其进行与节能相关的理化试验（100 ℃运动黏度、不同温度高温高剪切黏度和元素含量）和模拟试验（高频往复摩擦磨损试验和SRV 摩擦磨损试验）分析，并采用发动机倒拖台架试验评价4 款试验油的节能表现，参比油为5W-30。结果显示，倒拖试验温度为60 ℃时，高温高剪切黏度更低的试验油3 综合节能效果最好，倒拖试验温度为80 ℃时，含有MoDTC 减摩剂的试验油2 节能表现最优。不同温度下的高温高剪切黏度、MoDTC 含量、高频往复摩擦磨损试验和SRV 摩擦磨损试验与发动机倒拖台架试验结果具有相关性。

随着石油资源的不断减少和全球机动车保有量持续增加，能源危机日益凸显，在“双碳”和可持续发展的大背景下，节能减排成为国内外主流车企共同追求的目标[1,2]。发动机作为汽车上的关键零部件，对整车燃油经济性起到至关重要的作用。发动机摩擦损失约占发动机燃料燃烧能量的20%～25%，因此提高发动机效率，降低摩擦损失显得尤为关键[3]。通过对发动机技术升级或硬件改进的途径提高发动机燃油经济性往往成本较高，相比之下，使用低黏度发动机油是提升发动机燃油经济性较为经济且便捷的方式，相关研究工作受到行业内的广泛关注[4]。

目前行业内主要使用发动机点火试验和倒拖台架试验进行发动机油节能评价，而发动机倒拖台架试验由于测试精度高、试验条件易于控制等优势得到越来越多的应用。在发动机油开发阶段，经常使用与节能相关的理化试验和摩擦磨损模拟试验进行配方考察和筛选，常用的油品理化试验有不同温度下的高温高剪切黏度，常用的模拟试验有高频往复摩擦磨损试验和SRV 摩擦磨损模拟试验。通过实验室理化试验、模拟试验与发动机试验结果的关联性研究可以为节能发动机油产品开发提供指导。

本文选取4 款不同技术平台的0W-20 发动机油进行与节能相关的理化试验和模拟试验分析，通过发动机倒拖台架试验考察4 款试验油相对于参比油5W-30 的扭矩节约率，以此评价4 款试验油的节能表现。通过对比分析4 款试验油的理化试验、模拟试验和台架试验结果，研究其关联规律。

试验部分

试验仪器及方法

高频往复摩擦磨损试验（HFRR）

为了对发动机油摩擦磨损性能进行分析，本研究利用高频往复摩擦磨损试验仪（HFRR，SH/T 0765）对混合-边界润滑状态下油品的摩擦性能进行考察。HFRR 是由微处理器控制的往复摩擦磨损测试系统，通过该仪器可对润滑油的摩擦磨损特性进行测试，它可以模拟发动机缸套-活塞（环）等部件往复运动时的摩擦情况，通过试验过程中摩擦系数和磨斑直径的对比，可判断不同油品的减摩抗磨效果。

试验条件为：冲程1 mm，频率50 Hz，载荷400 g/800 g，油温60 ℃/80 ℃，测试时间90 min。摩擦副球：52100 钢，硬度Rc 58 ～66；摩擦副盘：AISI E-52100 钢。

SRV 摩擦磨损试验

SRV可以模拟发动机活塞（环）-缸套的往复运动，对油品的摩擦磨损性能进行研究，常用于发动机油配方节能效果考察和筛选。本方法（ASTM D5707）是在SRV 试验机上用一个试验球，在恒定负荷下对着表面加有润滑剂的试验盘进行往复振动，通过测定摩擦系数和磨斑直径来评价油品摩擦磨损性能。试验过程中振动频率、振幅、试验温度、试验负荷、试验时间均可以通过软件编程系统编写成运行程序，由测量程序自动控制。

试验条件为：冲程1 mm，频率50 Hz，载荷200 N，油温60 ℃/80 ℃，测试时间60 min，摩擦副为球盘。试 验 球：52100 钢， 硬 度Rc 为60±2，直径为10 mm。试验盘：52100 钢，硬度Rc 为60±2，直径为24 mm，厚度为7.85 mm。

发动机倒拖台架试验

发动机倒拖台架试验装置（如图1 所示）包括发动机、倒拖电机、变频器、扭矩仪、发动机冷却液恒温系统、发动机机油恒温系统、全室空调系统、数据采集与控制系统。其中发动机为国内某主流合资OEM（原始设备制造商）提供，直列四缸，2.0 L 自然吸气。扭矩仪量程-100 ～+100 N·m，分 辨 率 为0.1 N·m。

图1 发动机倒拖台架试验装置

油品测试过程包括润滑油路清洗和正式测试两部分：

◇油路清洗：需要用待测油清洗发动机2 次，之后再加入定量待测润滑油。

◇正式测试：测试开始前，首先在一定温度和转速下将发动机进行预热磨合，磨合完成后将润滑油和冷却液同时控制在60 ℃，依次进行800/1 000/1 200/1 600/2 000/2 400/2 800 r/min 共7 个转速点的扭矩测量。之后将润滑油和冷却液温度升至80 ℃，再依次进行上述7 个转速点的扭矩测量。倒拖试验直接获取的是使用测试油品在特定试验条件下的发动机扭矩值，通过对比相同试验条件下试验油与参比油的扭矩值，计算出扭矩节约率（Torque saving rate），并以此指标评价不同试验油的节能效果。一般认为，扭矩节约率越大，油品节能效果越好。

试验油和参比油按照如下顺序进行测试：参比油→试验油1 →试验油2 →参比油→试验油3 →试验油4 →参比油。

试验油品

在实验室调制4 款不同技术平台的0W-20 试验油和参比油5W-30。试验油和参比油的典型性能指标见表1。

表1 试验油和参比油的典型理化试验分析结果

试验结果与分析

试验油摩擦磨损模拟试验结果

对4 个试验油进行HFRR 和SRV 模拟试验分析，表征油品的摩擦磨损性能，相关实验数据汇总于表2。

表2 4个试验油的摩擦磨损模拟试验分析结果

油膜覆盖率可以在一定程度上反映摩擦副之间油膜的完好程度，与减摩和抗磨有一定关系。从HFRR结果看，所有试验结果的油膜覆盖率均大于90%，说明不同试验油在本文的试验条件下均可以在摩擦副表面形成比较完整的油膜。

HFRR 是模拟包含流体润滑和边界润滑在内的混合润滑状态，而MoDTC 在边界润滑状态下能有效降低摩擦系数。在相同试验条件下，由于试验油2 含有MoDTC 减摩剂，因此试验油2 的摩擦系数都明显低于另外3 个试验油。在其他试验条件不变，只改变试验温度时，可以看出试验油2 在80 ℃的摩擦系数低于60 ℃的摩擦系数，这是由于MoDTC 起到减摩作用的成分是分解后生成的MoS2，而MoS2分解是需要一定温度的，一般认为80 ℃时MoDTC 分解比较完全，而60 ℃时还有一部分MoDTC 并未活化分解形成具有减摩作用的MoS2。在其他试验条件不变，只改变载荷时，可以看出试验油2 在一定范围内增加载荷，摩擦系数减小，这是因为随着载荷在一定范围内增加，润滑状态更趋近于边界润滑，而边界润滑状态更有利于发挥MoDTC 的减摩作用。综合试验油1、试验油3 和试验油4 看，并结合表1 可知3 个试验油150 ℃高温高剪切黏度相当，因此在相同试验条件下的摩擦系数接近。

从磨斑直径结果看，相同试验条件下试验油2 的磨斑直径均小于另外3 个试验油，可以推测加入MoDTC 也在一定程度上改善油品抗磨效果。试验油3 在载荷为800 g时的磨斑直径较大，这可能与该样品在此试验条件下油膜覆盖率相对较低有关。

SRV 结果与HFRR 呈现相似的规律性。相同试验条件下，试验油2 的摩擦系数低于其他3 个试验油，这是由于SRV 模拟边界润滑的状态，试验油2 中含有MoDTC 减摩剂，在边界润滑状态能有效起到减摩效果，因此摩擦系数较低。其他试验条件不变，提高试验温度，试验油2 的摩擦系数略有降低，这与提高试验温度有利于MoDTC 分解有关；另外3 个试验油的摩擦系数和磨斑直径基本不变，是由于这3 个试验油均不含MoDTC 减摩剂，单纯提高试验温度对试验结果影响不大。

发动机倒拖台架试验结果

对4 个试验油分别在60 ℃和80 ℃进行发动机倒拖台架试验，其中60 ℃试验结果如图2 所示，80 ℃试验结果如图3 所示。

图3 4个试验油在80 ℃发动机倒拖台架试验结果

从图2 可见，随着发动机转速提高，和参比油相比试验油的扭矩节约率有逐渐降低的趋势，但扭矩节约率始终为正值，说明0W-20 试验油和5W-30 参比油相比，在60 ℃始终具有节能表现，但转速越高，节能表现越小。试验油3 具有最好的节能效果，试验油4 节能效果较差，试验油1 和试验油2 的节能效果表现居中，并且低转速时两个试验油节能表现接近，高转速时试验油1 的节能表现相对较好。

图2 4个试验油在60 ℃发动机倒拖台架试验结果

从图3 可见，4 个试验油的相对于参比油也都表现出节能效果，但节能表现具有明显差异。试验油2具有最好的节能表现，试验油1 的节能表现其次，试验油3 和试验油4 的节能表现相对较差。并且可以发现，在低转速时，4 个试验油的节能表现差异较大，随着转速的提高，节能效果逐渐接近。这可能是由于高温低转速时，油膜形成不好，主要以混合润滑和边界润滑为主，减摩剂对节能效果影响明显，高转速时油膜形成完好，主要是流体润滑状态，与油品的黏度相关，而高温时4 个试验油的黏度差异不大，因此节能效果虽然有差别，但不如低转速时明显。

理化模拟试验与台架试验关联分析

不同温度下的HTHS 黏度、MoDTC 含 量、HFRR 和SRV 测 得的摩擦系数这些指标与油品节能表现有关。一般认为不同温度下的HTHS 黏度越低，油品的节能效果越好，并且有研究表明油品的节能效果与100 ℃和80 ℃的HTHS 黏度有较大的相关性[5]；在一定范围内提高MoDTC 含量有利于燃油经济性提升；SRV 和HFRR 测得的摩擦系数越低，越有利于获得更高的燃油经济性。由于4 个试验油的150 ℃高温高剪切黏度接近，因此只分析其他与节能相关的性能指标和最终倒拖试验结果之间的关联。

发动机倒拖台架试验可以模拟不同的润滑状态，其中高温低转速主要是边界润滑状态，低温高转速主要是流体润滑状态，其余工况主要是混合润滑状态为主。油品黏温性质主要影响流体润滑状态下的节能效果，而MoDTC 作用明显主要在边界润滑状态，即高温低转速状态，因为高温时MoDTC 容易分解形成MoS2，并且高温时油品黏度较小，油膜较薄，多处于边界润滑状态。低温时MoDTC 不容易分解，并且低温时油品黏度大，油膜厚，多处于流体润滑，所以MoDTC 作用不明显。

试验油2 含有MoDTC 减摩剂，尽管其80 ℃和100 ℃的HTHS 并不是最低的，仍然在80 ℃时具有最好的节能表现，并且低转速时节能表现更为突出，证明在高温低转速时MoDTC 主要影响节能效果。试 验 油2 的SRV 和HFRR 的 摩 擦系数低于其他3 个试验油，因此可以推断在边界润滑状态下，油品的节能效果和MoDTC 含量、SRV 和HFRR 的试验结果关联性较高，而油品黏度并不起主要作用。

在60 ℃时，试验油3 的80 ℃和100 ℃的HTHS 最低，虽然不含有MoDTC 减摩剂，但总体节能效果仍然最好，并且高转速时节能效果更明显。这是由于低温时MoDTC并未完全分解起到减摩效果，油品黏温性能对节能效果贡献更大，可以推断在流体润滑状态下，油品不同温度下的HTHS 与节能效果有较高关联度。

结论

☆不同技术方案的4 款0W-20发动机油在发动机倒拖台架测试中表现出不同的节能效果，倒拖试验温度为60 ℃时，80 ℃和100 ℃的HTHS 黏度更低的试验油3 综合节能效果最好，倒拖试验温度为80℃时，含有MoDTC 减摩剂的试验油2节能表现最优。

☆不同温度下的HTHS 黏度、MoDTC 含量、摩擦磨损模拟试验（HFRR 和SRV）与发动机倒拖台架试验具有相关性。在边界润滑状态下，油品黏度对节能效果影响相对较小，提高MoDTC 含量可以降低SRV 和HFRR 的摩擦系数，从而提高油品节能效果。在流体润滑状态下，降低油品不同温度下的HTHS 对提升节能效果有利。

☆本研究为节能发动机油产品开发提供了经验和参考。节能油品开发时需要针对不同的发动机试验工况调整油品对应的性能指标，可以尝试降低油品不同温度下的HTHS黏度，同时添加适量的MoDTC 减摩剂以获得较好的燃油经济性。