發動機潤滑油溫度對燃油經濟性的影響分析

黎謙 巫紹寧 何潤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】汽車燃料經濟性是評價汽車六大重要性能的指標之一。汽油機工作時，潤滑油溫度的差異會導致不同的燃油噴霧效果、燃燒效率和潤滑油黏度等，從而影響柴油機的燃油經濟性能、動力性能和環境性能。通過在一系列的燃油經濟性測試試驗中研究人員發現，發動機潤滑油溫度和燃油經濟性測試結果有線性關聯，并且市區工況的影響占主要部分。

【關鍵詞】潤滑油溫度；汽油機；潤滑油；燃油經濟性

【中圖分類號】U461 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）06-0090-05

0 前言

汽車的燃油經濟性是汽車節能和動力性能的一項重要指標，測試此指標的方法有直接法和間接法測試整車油耗。然而，測試整車油耗過程中有很多因素對結果有誤差影響，如發動機起始溫度、蓄電池電壓、胎壓、試驗設備的標定，其中發動機是主要的影響因素之一。

發動機工作溫度過低將會導致噴霧效果不佳，燃燒惡化，CO、HC排放增加，加劇發動機活塞與氣缸壁之間的磨粒磨損，潤滑油油品劣化等不良現象。當發動機工作溫度過高時，零部件會膨脹變形，導致零部件之間的機械磨損加?。粷櫥宛ざ冉档?，使零部件配合面油膜變薄，再次加劇磨損；同時，將會導致發動機的充氣效率降低，引起不正常燃燒，使NOx的排放增加。目前，國內測試汽車整車綜合油耗多數是以《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、階段Ⅳ）》（GB 18352.3—2005）為試驗依據，要求在試驗之前，汽車應放置于溫度相對穩定在293～303 K（20～30 ℃）之間的室內預置，時間最少為6 h，直到發動機機油溫度和潤滑油溫度達到室內溫度的±2 ℃范圍內[1]。

呂猛等人研究發現，通過冷卻系統對發動機潤滑油的溫度進行精確的控制，保證發動機在合適的溫度下工作，將會大幅度地提升發動機的動力性、經濟性、排放及可靠性[2]。康寧等人通過對油霧發生器霧化特性的研究，發現空氣溫度越高，油滴平均直徑越小，油耗量越大，氣耗量越小，即燃油經濟性好[3]。曹雪詠在對冬季汽車發動機的研究中發現，如果溫度過低，燃料蒸發慢，霧化不良，在燃燒室內燃燒速度低，甚至有的沒燃燒完就被排出缸外[4]。耿廣武通過進行臺架試驗和道路試驗，驗證了低溫條件對油耗影響較大，提出應采取措施予以避免[5]。

筆者在一系列油耗測試試驗中發現，以發動機潤滑油起始溫度為變量，嚴格控制好其他影響因素，得出油耗結果與溫度高低有線性關聯。

1 溫度對燃油經濟性的影響

環境溫度對發動機的瞬時狀態，尤其是對發動機啟動階段有很大影響。研究表明，環境溫度降低，幾乎所有的發動機排放物都會增加，最高的特定氣體和微粒排放出現在NEDC的早期階段[6]。發動機的正常水溫應保持在80～90 ℃，過高或過低的水溫，都會導致油耗增加。溫度過高，發動機的冷卻系統能自動改變冷卻水循環，增加散熱，從而帶走多余的熱量，從而保持發動機溫度在一個合適的溫度范圍內，有效地保證發動機的工作狀態。

1.1 溫度對發動機的影響

汽車發動機是燃燒可燃氣混合所產生熱能轉變成機械能而輸出動力的。而現代汽油發動機的熱效率一般只有30%左右，其余讓冷卻介質帶走的熱量占25%左右，廢氣帶走的熱量占40%左右，其他熱量損失占5%左右?？梢姡l動機的熱量損失是較大的。特別是冬季，氣溫低，與發動機運轉溫度差距大，散熱快，熱量損失也多，欲滿足發動機負荷功率的需要，必須把由于溫差損失的熱量補充進來，那只好加大油門來提高發動機的熱量。顯然，燃燒的油料就要比其他季節較多些。

油霧潤滑技術是一種先進的集中潤滑方式，在壓縮空氣作用下，其關鍵部件油霧發生器能連續有效地將油液霧化。溫度及油溫對油霧霧化效果有重要的影響，而霧化效果直接決定潤滑點的潤滑情況。溫度越高，燃油霧化越完全，那么燃燒越充分，越有助于發動機的節能減排。

對發動機溫度的控制必須考慮到汽車的性能能使用戶滿意，并能降低成本和減少油耗。對普通汽車冷卻系統的要求如下：必須在規定的大氣溫度下，在其整個使用范圍內正常工作而不過熱。按系統技術條件的規定，在低溫下能很好地工作，而不使設計性能有所下降。

1.2 溫度對潤滑油的影響

汽車在低溫條件下使用時，變速箱、后橋總成潤滑油溫度往往不進行預熱，而提高油溫達到正常工作溫度是靠零件摩擦和攪油產生的熱量來保證的。汽車低溫啟動時，發動機的水溫上升是一個延遲過程，傳動系機油溫度低、黏度大、運動阻力大，不能馬上達到正常工作度，此時極易加大各部件摩擦的磨損，從而降低汽車使用壽命。汽車傳動阻力增大，其總成在很長一段時間內負荷增大，使油耗增加。

液體潤滑的接觸摩擦受邊界潤滑和流體動力潤滑的綜合影響。大量研究發現，潤滑油的溫度差異會影響潤滑油的黏度，特別是在0～30 ℃的時候，黏度隨溫度的變化特別顯著，隨著油溫增加，潤滑油黏度降低，使得內摩擦下降，整車阻力下降，從而對油耗測試結果有一定的影響。

因此，在整車測試油耗的過程中，起始溫度的差異會在一定程度上影響油耗測試結果。筆者針對這個問題，在控制不同的初始溫度這個因素變量下，設計了一系列整車油耗試驗。

2 試驗研究

通過研究不同溫度下整車油耗的差異，從而驗證溫度對整車油耗的影響。試驗完全依據國家傳動效率測試方法，參照國標《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）執行。

2.1 試驗設備

試驗地點為國內某汽車制造廠動力環保實驗室（如圖1所示）。該試驗室主要由緊湊型底盤測功機、控制分析系統、環境倉和排放分析儀4個部分構成（如圖2所示）。

試驗的核心設備均是轉鼓試驗臺。轉鼓試驗臺主要由48"緊湊型底盤測功機（如圖3所示）、車輛輪胎固定裝置、車輛對中裝置、冷卻風機、轉鼓蓋板等組成。該系統適用于測試前輪驅動和后輪驅動的兩軸車輛，系統的控制模式包括道路負載模式、速度控制模式、速度控制和牽引力控制模擬。

采用間接法NEDC循環測試油耗試驗，氣體分析設備是試驗結果精確度的保障。根據《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005），氣態污染物應使用下列儀器分析。

（1）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析儀：不分光紅外線吸收（NDIR）型。

（2）碳氫化合物（HC）分析儀：對點燃式發動機，氫火焰離子化（FID）型。用丙烷氣體標定，以碳原子（C1）當量表示。

碳氫化合物（HC）分析儀：對壓燃式發動機，加熱式氫火焰離子化（HFID）型。其檢測器、閥、管道等加熱至463 K（190 ℃）±10 K。用丙烷氣體標定，以碳原子（C1）當量表示。

（3）氮氧化物（NOx）分析儀：化學發光（CLA）型或非擴散紫外線諧振吸收（NDUVR）型，兩者均需帶有NOx—NO轉換器。

（4）顆粒物：用重量法測定收集的顆粒物。這些顆粒物應是在各種情況下，用裝在樣氣流中的2個串聯安裝的濾紙收集的。每對濾紙收集到的顆粒物質量應按下列公式計算：

Mp=

公式中：Vep為流經濾紙的體積，m3；Vmix為流經通道的體積，m3；Mp為顆粒物的排放量，g/km；mf為濾紙收集的顆粒物質量，g；d為相當于運轉循環的實際距離，km。

應調整顆粒物取樣流量比（Vep/Vmix/Vmix），使其滿足：Mp=Mlimit，1 mg≤mf≤5 mg（當使用47 mm直徑的濾紙時）。Mlimit為顆粒物排放量的限值（過濾器收集的有效質量的限值），g/km。

所有分析儀應具有測量排氣污染物樣氣濃度所需要的量程和相一致的準確度。不管標定氣體的實際值是多少，測量誤差應不超過±2%（分析儀的本身誤差）。標定氣體的體積分數小于100 ppm時，測量誤差應不超過士2 ppm。環境空氣樣氣應用同一分析儀在適當量程進行測量。測定所有濾紙的重量所使用的微量天平，應有5 μg的準確度和1 μg的分辨率。

采用熱電偶記錄試驗前發動機潤滑油溫度。熱電偶傳感器可以將溫度信號轉換成熱電動勢信號，然后通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。由于所測溫度不是特別高，所以這里采用“T”形熱電偶。“T”形熱電偶又稱銅-康銅熱電偶，具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高、溫度近似線性和復制性好，傳熱快，穩定性和均勻性較好，價格便宜等優點，適用范圍為在-200～350 ℃溫區，測量精度為±0.01 ℃。

2.2 試驗方法

我國燃油排放法規情況基本上是沿用了1992年始歐洲第三階段的測試。圖4所示為我國車輛燃油循環測試的車速-時間曲線，市區循環為15工況循環，用來模擬汽車在城市中行駛時的工況，城市工況中汽車行駛的最高車速為50 km/h，變速器主要使用1、2、3檔。具體的操作規范參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）中的表1。市郊循環為13工況循環，用來模擬汽車在市郊和高速公路上行駛時的工況，市郊工況中汽車行駛的最高車速為120 km/h，主要使用3、4、5擋。具體的操作規范參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）中的表2。

一個市區運轉循環按工況分解，各工況所用時間及所占比例見表1。試驗期間平均車速為19 km/h。一個市郊運轉循環按工況分解，各工況所用時間及所占比例見表2。試驗期間平均車速為62.6 km/h。

排放量根據《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233—2008）進行計算：

Mi=

上式中：Mi為污染物i的排放量，單位為克每千米（g/km）；Vmix為校正至標準狀態（273.2K和101.33kPa）的稀釋排氣體積，單位為升每次試驗（L/試驗）；Qi為標準狀態（273.2 K和101.33 kPa）下污染物i的密度，單位為克每升（g/L）；Ci為稀釋排氣中污染物i的濃度，并按稀釋空氣中污染物i的含量進行校正，ppm。如Ci用體積百分數表示，則系數10-6用10-2替代；d為試驗循環期間的行駛距離，單位為千米（km）。

2.3 油耗的計算

油耗可以根據乘用車燃油消耗量碳平衡法計算公式得到，公式如下：

Q=

公式中：Q為燃油消耗量（L/100 km）；QHC為測得的碳氫排放量（g/km）；QCO為測得的一氧化碳排放量（g/km）；Qco2為測得的二氧化碳排放量（g/km）；D為15 ℃時試驗燃油的密度（kg/L）。

2.4 試驗步驟

汽車在底盤測功機上模擬道路行駛時，控制實驗室內溫度為變量，大氣壓為100 kPa，室內相對濕度為50%，實驗前車身應潔凈、干燥，汽車車輪內無砂石等顆粒物。

（1）將試驗車更換好試驗用發動機、變速器和后橋潤滑油。

（2）預處理。

（3）浸車6 h；（經預處理后的汽車，在試驗之前，應放置于溫度相對穩定在25 ℃的室內預置。此預置時間應至少進行6 h，直到發動機機油溫度和潤滑油溫度達到室內溫度的±2 ℃范圍內）。

（4）將試驗車的驅動輪置于底盤測功機的轉鼓上，用三角架固定試驗車的從動輪。

（5）調整試驗車驅動輪的胎壓至輪胎的標準胎壓210 kPa，調整底盤測功機的當量慣量。

（6）記錄發動機潤滑油溫度。進行NEDC循環試驗，得出市區油耗、郊區油耗及綜合油耗。

2.5 試驗結果分析

整車油耗測試結果是測得市區循環油耗和郊區循環油耗，根據相關標準得出綜合油耗。通過不同油品組合的整車油耗差別可以很直觀地反映出整車的燃油經濟性。

在保持其他因素的前提下，保持環境溫度在23～27 ℃的范圍內完成了20次油耗測量，測量結果如圖5所示。橫軸為測量溫度點，表示的是試驗前采集的發動機潤滑油穩定溫度，單位為℃，縱軸是整車綜合油耗，單位為L/100 km。

從試驗結果可以看出，隨著發動機潤滑油溫度的升高，整車綜合油耗成線性關系降低，溫度從22.7 ℃升至27.4 ℃，綜合油耗從7.214 L/100 km降到7.05 L/100 km，下降幅度為2.33%。試驗結果充分地驗證了之前的分析。

對20組不同溫度下測得的油耗結果進行進一步的分析，如圖6所示，線條①是市區工況油耗，線條②是郊區工況線條，2條坐標軸的油耗跨度相同，圖中明顯可以看出郊區工況油耗波動不大，并且數值穩定，沒有下降的趨勢，而市區工況油耗隨溫度下降幅度很大，下降趨勢比綜合油耗更明顯。由此可以得知，溫度對郊區油耗影響很小，而主要影響市區油耗，主要是因為啟動時，發動機溫度低，溫度對發動機的工作狀態影響很大，而持續工作一段時間后，發動機溫度達到最佳工作溫度，而且有散熱器開始工作維持最佳工作溫度，所以溫度對此時的整車油耗影響就不明顯了。

3 總結

（1）NEDC初始溫度不同，對油耗測試結果有影響，溫度越高則測得整車油耗偏低，這使得溫度控制不穩定時測試的整車油耗結果可信度偏低，因此在進行NEDC測試整車油耗開始前，控制好環境溫度是非常必要的。

（2）整車油耗測試試驗根據國標進行，數據由電腦計算得出，設備測量準確度達到±1%。NEDC循環中溫度的控制是非常重要的，潤滑油溫度越接近國標設定的溫度，那么得出的油耗越為準確。

（3）筆者通過試驗數據的分析得出，溫度對油耗影響的主要過程是啟動階段，溫度越高，啟動階段的發動機性能越好，相應的燃油經濟性就越高。

參 考 文 獻

[1]GB18352.3—2005，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[2]呂猛，姜波，王振平.基于潤滑油溫度的發動機性能優化研究[J].交通節能與環保，2015（3）：28-31.

[3]康寧，曾文彬.空氣溫度及油溫對油霧發生器霧化特性的影響[J].潤滑與密封，2009（12）：15-17.

[4]曹雪詠，林慶松，安第斯.冬季汽車發動機的溫度與油耗[J].交通節能與環保，2008（1）：33.

[5]汪云.發動機噴油量的計算[J].內燃機，2005（1）：22-24.

[6]耿廣武.低溫條件下行車對油耗影響的試驗研究[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2009（2）：30-31.

[7]Tian J.，Xu，H.，ArumugamSakunthalai R.Liu D.，et al.Low Ambient Temperature Effects on a Modern Turbocharged Diesel Engine Running in a Driving Cy-cle[J].SAE Int. J. FuelsLubr，2014，7（3）：726-736.

[責任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】黎謙，男，四川宜賓人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車性能開發；巫紹寧，男，廣西賓陽人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車性能開發；何潤，男，四川雅安人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車節油技術。