潤滑機油黏度對汽車尾氣及燃油經濟性的影響

朱文波　何潤　余國祥

【摘 要】隨著國家排放法規中的要求日益嚴格，減少汽車尾氣污染已成為各汽車廠關注的重點，潤滑油對汽車尾氣排放量有重要影響，針對不同黏度的潤滑油進行整車NEDC工況循環試驗，試驗結果表明，低潤滑油黏度在降低燃油消耗的同時，能有效地降低汽車CO2和NOX的排放量，但對CO的排放量無明顯影響。

【關鍵詞】NEDC循環工況；潤滑油黏度；NOX；燃油消耗

【中圖分類號】TH117.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）07-0044-05

0 引言

汽車工業是衡量一個國家經濟實力和綜合國力的標準，據統計，2015年年底，全國機動車保有量達到2.79億輛，而且這一數字還將快速上升。然而，隨著中國汽車行業的高速發展，其帶來的環境問題也日益嚴重。近年來，各地出現的霧霾現象引起了人們對于環境問題的密切關注，其中汽車尾氣的排放是產生霧霾的主要原因之一。為此，國家出臺了相關的法律法規來約束汽車產生的污染和燃油消耗，《乘用車第四階段燃料消耗量標準》（GB 27999—2014）于2016年1月1日開始實施，標準要求2020年乘用車新車平均燃料消耗量達到5.0 L/100 km；并且，將于2018年1月正式實施的國V標準《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（GB 18352.5—2013）規定所有汽車均需在NEDC工況下進行排氣取樣、顆粒物取樣和稱重方法的實驗[1]。相較于國Ⅳ，國Ⅴ對汽車尾氣排放量提出了更高要求。因此，節能減排將成為各大汽車廠關注的重點。

目前，W.J.Bartz分析了汽車油耗和摩擦學有關，其中潤滑油占較大因素[2]。Zervas E分析了潤滑油基礎油對發動機性能及排放的影響[3]。毛琳等人在分析潤滑油性質的基礎上，分析了它對于汽油機排放性能的影響[4-7]。對于汽車生產廠家而言，通過提升潤滑機油品質改善燃油經濟性，無疑是最具性價比的方式之一[7]。一方面，低黏度的潤滑油能降低流體動力摩擦，減少各摩擦副的磨損；另一方面，現在發動機的設計也在朝著滿足低黏度潤滑油所需的方向發展。

本文通過NEDC試驗驗證，分別對目前不同質量標準的發動機潤滑油進行整車試驗，分析潤滑油性質對于整車油耗及對污染物排放的影響，并對其中的規律進行總結及探討。

1 發動機油黏度選擇的理論依據

斯特里貝克（Stribeck）曲線是一個經典的摩擦理論，如圖1所示，在潤滑中，潤滑狀態分為3種：流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑。當壓力（F）和相對速度（v）保持一定時，隨著潤滑油黏度（η）的降低，潤滑狀態由流體潤滑到混合潤滑再到邊界潤滑。

圖1中說明了摩擦系數隨潤滑狀態變化的趨勢。在流體潤滑狀態下，摩擦系數隨著黏度的降低而減小，這是低黏度潤滑油能夠減小摩擦從而降低燃油油耗的主要理論依據。當黏度降低到一個值后，潤滑狀態變為混合潤滑，從而使摩擦系數增大，這樣不僅不會降低摩擦功，運動部件的摩擦也會加劇，最后導致油耗升高等問題。根據潤滑理論，適當黏度潤滑油有助于油膜的形成。潤滑油黏度較高時，易形成油膜，使摩擦表面處于流體潤滑狀態，但黏度過高會使能耗增加。低黏度潤滑油雖有利于減少能耗，但過低則不易形成油膜，使摩擦表面處于邊界潤滑或干摩擦狀態[9]（在保證油膜厚度的條件下，應盡可能地選取低黏度的潤滑油以降低摩擦損失）。

2 基本參數及試驗流程

2.1 儀器參數

2.1.1 測功機系統

整車NEDC試驗主要是在轉鼓試驗臺上進行，轉鼓試驗臺主要由AVL48"緊湊型底盤測功機、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。其中，底盤測功測功機的直徑為1 219 mm，測試車輛的最大軸荷為44.1 kN，測試測量的質量范圍為450～5 400 kg，最大可測速度為200 km/h。

在NEDC工況試驗中采用“T”形熱電偶和數據采集儀Agilent 34970A記錄溫度數據。其中，“T”形熱電偶適用溫度為-200～350 ℃，滿足發動機行駛工況下的溫度范圍，測量精度為±0.01 ℃。

2.1.2 汽車尾氣分析設備

根據《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（國Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005），氣態污染物應使用下列儀器分析排氣系統（如圖2所示）。

（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。

（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。

2.2 試驗樣車參數

試驗樣車為國內某暢銷性SUV，其主要技術參數見表1。

2.3 樣油參數

目前，機油質量標準分為API、ILSAC、ACEA三大體系，其中美國通用公司也推出了自己的潤滑油標準DEXOS1。本試驗分別選取了不同標準的潤滑油進行對比試驗，SM 5W-30（API/ILSAC）是參比油，作為其他油對比的基準。測試油分別為SN 0W-20油樣一（API基礎配方），DEXOS1 5W-20油樣二，以下各表均用參比油、油樣一、油樣二表示。各種油的理化指標見表2（潤滑油牌號統一）。

2.4 試驗步驟

為了研究NEDC循環工況下發動機油黏度對整車油耗及汽車尾氣排放的影響，將所選油樣與參比油進行市區、郊區和整車油耗的比較。

試驗步驟如下：？譹？訛試驗前，將試驗車送入排放恒溫室內，按照最新國五標準GB 18352.5—2013進行預處理，浸車時間達6 h以上。？譺？訛試驗樣車為前輪驅動，試驗前需將試驗車前輪至于底盤測功機轉鼓上，并用固定架固定試驗車前輪。？譻？訛試驗車按照NEDC工況完成NEDC行程，通過儀器分析得到油耗數值，同時使用分析儀測得NOX、CO、CO2隨時間的變化值。

上述試驗過程為一次測試循環。一般在油耗數據穩定的情況下，每組油的油耗測試達5次以上，才能進行其他油樣的測試。流程為先將試驗車上油放出，加入等量的油樣，為充分消除油樣變化帶來的差異，發動機擋位置于空擋保持轉速為2 500～3 000 r/min運行15～20 min后，排除測試油，并連續進行3次沖洗，減小原先油樣帶來的影響。

3 試驗方案

3.1 運行工況分析

試驗按照《汽車燃料消耗量試驗方法第1部分：乘用車燃料消耗量試驗方法》（GB/T 12545.5—2008）進行。如圖3所示，NEDC工況分為2個部分，4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3。試驗期間平均車速為19 km/h。1個郊區運轉循環按工況分解，各工況所用時間及所占比例見表3、表4。試驗期間平均車速為62.6 km/h。

3.2 試驗誤差控制

測試整車油耗與多種因素有關。其中，影響比較大的因素有發動機油初始溫度、汽車胎壓、汽車電源電壓等。在試驗初始階段，要保證一些指標在試驗誤差允許范圍類，如試驗溫度為25 ℃±0.5 ℃。而潤滑機油黏度是隨汽車行駛溫度的變化而發生改變的。為了分析潤滑機油在工況中黏溫特性對試驗的影響，現對行駛工況下的溫度進行監控。試驗結果顯示，試驗中潤滑機油的溫度變化區間在25～100 ℃。溫度對機油黏度的影響很大，潤滑機油黏度隨溫度的升高而減小。如圖4為NEDC運行工況下機油溫度隨時間變化的曲線，在市區工況中各潤滑油黏度在80 ℃以下，在郊區工況下，機油溫度在80～100 ℃。

3.3 整車燃油經濟性實驗

油耗結果及分析：NEDC工況循環試驗精度相對較低，每組油樣均做5次實驗，圖5是每組油樣取平均值后的結果。在圖5中，油樣一（SN 0W-20）與油樣二（DEXOS1 5W-20）相比，黏度相同時，兩者在郊區工況中的差值為0.02 L/100 km，市區工況油耗的差值為0.01 L/100 km，兩者綜合油耗的差值為0.014 L/100 km，這說明潤滑油處于同一黏度時，其他影響因素對油耗的影響較小。油樣一（SN 0W-20）與參比油（SM 5W-30）相比，油樣一在市區與郊區工況中均比參比油消耗少，在綜合油耗值上減少了0.237 L/100 km，降低了3.25%，這說明較低黏度的潤滑機油可以在各個工況中降低燃油消耗，對于降低綜合油耗有明顯的作用。

油溫影響分析：圖4溫升曲線中，油樣一與油樣二的油溫比參比油上升得更快，說明黏度較低的潤滑油其油溫上升更快。如圖6中，在4個市區工況（UDC）中各燃油消耗呈遞減趨勢，這說明潤滑油溫度對整車燃油有著顯著的影響，在潤滑油溫較高的情況下，消耗的燃油較少。

3.4 NEDC工況下各試驗車各尾氣氣體隨時間變化圖

各油樣NEDC工況下氣體總排放具體數值見表5。

（1）在NEDC工況上分析：從圖7、圖8與圖9中NOX、CO與THC的排放量變化可以看出，汽車行駛初始階段，各種氣體的排放量顯著上升，在市區工況中，各氣體排放量顯著高于郊區工況。在速度出現峰值時，各氣體排放量亦會達到峰值，這說明汽車在加速行駛會增加NOX、CO等污染物的排放量。

（2）根據潤滑油黏度分析NOX的排放量：結合圖7與表5進行分析，油樣一與油樣二相比，兩者排放量的變化趨勢一致，而在整個工況中，油樣二的NOX的排放量較油樣一高出0.04 g·km-1。參比油比油樣一與油樣二的平均值相比，NOX的排放量高出0.1 g·km-1，這說明黏度較高的參比油（5W-30）會引起更高的NOX排放量。

（3）根據潤滑油黏度分析CO的排放量：根據圖8與表5進行分析，3種潤滑機油在排放總量上幾乎一致，均在0.135 g·km-1左右，這說明潤滑油黏度對CO的排量影響較小。

（4）根據潤滑油黏度分析THC（碳氫化合物）的排放量：結合圖9與表5進行分析，參比油THC的排量最少，為0.026 g·km-1，低于油樣一與油樣二的平均值0.033 g·km-1，這說明黏度較高的潤滑油產生的總碳氫化合物的排放量更少。

（5）根據潤滑油黏度分析CO2的排放量：根據圖10與表5進行分析，參比油在CO2的排放量顯著高于其他2種油樣，達到187 g·km-1，這說明黏度較高的潤滑油會產生更多的CO2。

（6）各排放氣體結合燃油油耗：在較低黏度潤滑油的情況下，NOX、CO2的排放量及燃油油耗均較少，而THC的排放量與燃油油耗呈相反的趨勢，CO的排放量與燃油油耗則無明顯聯系。

4 總結

（1）在理論分析方面，本文分析了潤滑油黏度選擇的理論依據；整車油耗與工況之間的關系；滑油黏度隨溫度變化的影響，其中低黏度的潤滑油溫上升更快。

（2）CO2雖不是空氣污染物，但它是引起溫室效應的主要氣體，從排放量上看與黏度有一定的關系，使用較低黏度的潤滑油的CO2排放量較少。

（3）潤滑機油黏度與整車油耗相關。低黏度的潤滑油能夠有效地降低整車油耗，并且尾氣污染物中的NOX更少。

參 考 文 獻

[1]GB 18352.5—2013，輕型汽車污染物排放限值及測量方法[S].

[2]Bartz W J，Wienecke D.Influence of Gear Oil For-

mulation on Fuel Economy of Passenger Cars[J].SAE Technical Paper，2000（1）.

[3]Zervas E.Impact of altitude on fuel consumption

of a gasoline passenger car[J].汽車工程，2015，37

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[4]毛琳.潤滑油對尾氣顆粒污染物的影響[J].山東化工，

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[5]劉傳波，董拓.潤滑油黏度對后橋傳動效率和整車油耗影響的試驗研究[J].機械傳動，2016（5）.

[6]王月森，梁興雨.潤滑油基礎油對柴油機性能及排放的影響[J].內燃機學報，2016（2）.

[7]姚勇.潤滑油性質對汽油機排放的影響及汽油機潤滑油的發展趨勢[J].潤滑與密封，2005（4）.

[8]吳立勛.潤滑油性質對汽油機排放標準的影響[J].小型內燃機與摩托車，2005（6）.

[9]粟斌，史永剛，徐金龍，等.發動機潤滑油精度等級對其性能的影響[J].潤滑與密封，2011，36（1）：92-94.

[責任編輯：鐘聲賢]