低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)節(jié)能的影響

金海玲，向暉，金先揚(yáng)， 陶勁峰，劉長(zhǎng)期

(1.上海華普汽車(chē)有限公司，上海 201501；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)節(jié)能的影響

金海玲1，向暉2，金先揚(yáng)1， 陶勁峰1，劉長(zhǎng)期2

(1.上海華普汽車(chē)有限公司，上海 201501；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

燃料經(jīng)濟(jì)性是現(xiàn)代汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，優(yōu)異的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和減摩劑可提高機(jī)油的燃料經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)低黏度機(jī)油的特性，結(jié)合β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)特點(diǎn)，研究低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)節(jié)能的影響。以機(jī)油10W40作為基準(zhǔn)油，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖和萬(wàn)有特性試驗(yàn)考察了機(jī)油0W20、5W20和5W30對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減摩和節(jié)能的影響，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)800 h耐久試驗(yàn)考察了機(jī)油5W20對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響；以機(jī)油10W40作為基準(zhǔn)油，通過(guò)整車(chē)NEDC試驗(yàn)考察了機(jī)油5W20和5W30對(duì)整車(chē)節(jié)能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用低黏度機(jī)油可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性。

燃料經(jīng)濟(jì)性；低黏度機(jī)油；耐久性

0 引言

自20世紀(jì)七十年代初，為了減少內(nèi)燃機(jī)對(duì)日益短缺石油基燃料的依賴(lài)，各國(guó)都在努力提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性。圖1是各國(guó)對(duì)乘用車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性的法規(guī)要求，可知：日本和歐洲國(guó)家對(duì)乘用車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性的要求相對(duì)較高。

為推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)節(jié)能技術(shù)革新，持續(xù)降低我國(guó)乘用車(chē)燃料消耗量水平，縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，從整體上控制我國(guó)乘用車(chē)燃料消耗量和二氧化碳的排放，使我國(guó)乘用車(chē)平均燃料消耗量在2020年達(dá)到5 L/100 km、對(duì)應(yīng)二氧化碳排放為117 g/km的目標(biāo)，我國(guó)已發(fā)布了GB 27999-2014《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》,要求到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車(chē)平均燃料消耗量降至5.0 L/100 km；節(jié)能型乘用車(chē)燃料消耗量降至4.5 L/100 km以下；商用車(chē)新車(chē)燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ矗梢詮膬蓚€(gè)方面來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量：一方面通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)等來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率；另一方面是通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦條件來(lái)降低燃料消耗量。發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦條件主要由發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能決定，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連續(xù)不斷地把機(jī)油輸送到全部傳動(dòng)件的摩擦表面，并在摩擦表面形成油膜，實(shí)現(xiàn)液體摩擦，以達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和耐久性的目的。

因此，機(jī)油作為發(fā)動(dòng)機(jī)的“血液”，其燃料經(jīng)濟(jì)性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)的節(jié)能具有重要的作用。各汽車(chē)主機(jī)廠和潤(rùn)滑油公司都在積極開(kāi)發(fā)節(jié)能型機(jī)油，優(yōu)異的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和減摩劑可有效提高機(jī)油的燃料經(jīng)濟(jì)性。目前歐美國(guó)家主要以開(kāi)發(fā)優(yōu)異黏度指數(shù)改進(jìn)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)油燃料經(jīng)濟(jì)性，而日本主要以開(kāi)發(fā)鉬鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)油燃料經(jīng)濟(jì)性[1-5]。

圖1 各國(guó)對(duì)乘用車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性的法規(guī)要求

作者根據(jù)低黏度機(jī)油的特性，結(jié)合β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)特點(diǎn)，研究低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)節(jié)能的影響。以機(jī)油10W40作為基準(zhǔn)油，通過(guò)β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖和萬(wàn)有特性試驗(yàn)考察了機(jī)油0W20、5W20和5W30對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減摩和節(jié)能的影響，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)800 h耐久試驗(yàn)考察了機(jī)油5W20對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響。此外，以機(jī)油10W40作為基準(zhǔn)油，通過(guò)整車(chē)NEDC試驗(yàn)考察了機(jī)油5W20和5W30對(duì)整車(chē)節(jié)能的影響。

1 理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)主要有3種不同潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦組件：曲軸和連桿軸承，凸輪和氣門(mén)挺桿，活塞和氣缸壁，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦組件潤(rùn)滑機(jī)理圖

軸承與軸頸基本處于液體潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦因數(shù)與機(jī)油黏度具有很好的關(guān)聯(lián)性，在不出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑的條件下，低黏度機(jī)油能使摩擦損失相應(yīng)減少；凸輪和氣門(mén)挺桿的潤(rùn)滑，存在著邊界潤(rùn)滑、彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑狀態(tài)；活塞與氣缸壁的摩擦面雖然與軸承相似，但由于高溫及經(jīng)常改變運(yùn)動(dòng)方向，不易保持完全的流體潤(rùn)滑，特別是上止點(diǎn)附近，氣缸壁會(huì)出現(xiàn)磨損和擦傷現(xiàn)象，如果機(jī)油的黏度過(guò)低且HTHS值偏低，會(huì)增大活塞與氣缸壁的磨損[6]。

降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦組件間摩擦因數(shù)可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。黏度指數(shù)改進(jìn)劑可以改善機(jī)油的黏溫性能，適應(yīng)寬溫度范圍內(nèi)對(duì)機(jī)油的黏度要求，可以減少流體潤(rùn)滑領(lǐng)域的摩擦，有利于降低摩擦組件間的“液體摩擦”，如圖2中右側(cè)下移后的曲線(虛線)；摩擦改進(jìn)劑可以降低摩擦因數(shù)，并有效防止零件磨損，減少邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑領(lǐng)域的摩擦，有利于降低摩擦組件間的“固體摩擦”，如圖2中左側(cè)下移后的曲線(虛線)。因此優(yōu)異的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和減摩劑可以有效提高機(jī)油的燃料經(jīng)濟(jì)性。此外在開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證節(jié)能型機(jī)油時(shí)既要考慮機(jī)油添加劑的配伍性，也要考慮機(jī)油黏度下降后對(duì)功率、扭矩的貢獻(xiàn)以及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

選用4款機(jī)油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，機(jī)油黏度等級(jí)分別為：0W20、5W20、5W30和10W40，如表1所示。依據(jù)GB/T 18297-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，分別對(duì)搭載機(jī)油0W20、5W20、5W30和10W40的β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行倒拖試驗(yàn)和萬(wàn)有特性試驗(yàn)，考察低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的影響；依據(jù)GB/T 19055-2003《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》，對(duì)搭載機(jī)油5W20的β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行800 h耐久試驗(yàn)，考察低黏度機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響。搭載的β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)信息如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)信息

此外，試驗(yàn)依據(jù)GB/T 19233-2008《輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法》，分別對(duì)搭載機(jī)油5W20、5W30和10W40的CE-1P乘用車(chē)進(jìn)行NEDC試驗(yàn)，考察低黏度機(jī)油對(duì)整車(chē)節(jié)能的影響，搭載的CE-1P乘用車(chē)信息如表3所示。

表3 乘用車(chē)信息

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為機(jī)油溫度控制在60和100 ℃時(shí)，使用機(jī)油0W20、5W20、5W30和10W40進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失對(duì)比圖。可知：低黏度機(jī)油可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失,且溫度越低，低黏度機(jī)油對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的效果越明顯。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失對(duì)比圖

圖4為機(jī)油溫度控制在90 ℃時(shí)，使用機(jī)油0W20、5W20、5W30和10W40進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性圖。可知：使用低黏度機(jī)油可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性,其中使用機(jī)油5W20的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能效果最好，使用機(jī)油0W20的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能效果次之，使用機(jī)油5W30的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能效果不明顯。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性對(duì)比圖

使用低黏度機(jī)油可能會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性，因此安排了搭載機(jī)油5W20的β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)800 h耐久試驗(yàn)(機(jī)油換油周期為50 h)。通過(guò)檢測(cè)使用過(guò)機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度、總酸值、總堿值、燃料稀釋率、元素含量等理化指標(biāo)，分析判斷機(jī)油老化變質(zhì)情況，評(píng)估低黏度機(jī)油5W20對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。可知:(1)使用過(guò)的機(jī)油40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度(KV40和KV100)較新油下降正常，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度(KV100)下降率基本可以控制在25%以?xún)?nèi)；(2)使用過(guò)的機(jī)油總酸值或總堿值較新油波動(dòng)正常，其變化可以控制在±1 mgKOH/g以?xún)?nèi)；(3)使用過(guò)的機(jī)油燃油稀釋率正常，可以控制在3.5%以?xún)?nèi)；(4)使用過(guò)的機(jī)油氧化度和硝化度可以控制在20 A/cm-1以?xún)?nèi)，機(jī)油老化正常；(5)使用過(guò)的機(jī)油元素含量正常，其中鈣(Ca)、鋅(Zn)、硼(B)、鉬(Mo)、鎂(Mg)、磷(P)主要來(lái)自添加劑的損耗；鐵(Fe)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的磨損；硅(Si)主要來(lái)自外界的污染。鐵、鋁、銅等元素含量降低，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)無(wú)明顯磨損。因此，使用低黏度機(jī)油5W20可以滿足β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證低黏度機(jī)油5W20對(duì)β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響，安排了800 h耐久試驗(yàn)后β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)后主要摩擦零件的照片如圖6所示。

圖5 機(jī)油理化檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 主要摩擦零件照片

由圖6可知: β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主要摩擦零件無(wú)明顯磨損，因此，使用低黏度機(jī)油5W20可以滿足β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性要求。

表4為搭載機(jī)油5W20、5W30和10W40進(jìn)行整車(chē)NEDC試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，可知：使用低黏度機(jī)油可以提高整車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性，其中以搭載機(jī)油5W20的整車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)最佳。相對(duì)于基準(zhǔn)機(jī)油10W40，使用5W20機(jī)油可使整車(chē)的市區(qū)工況燃料消耗量持平，市郊工況燃料消耗量下降2.34%，綜合工況燃料消耗量下降1.91%。

表4 NEDC試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

(1)優(yōu)異的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和減摩劑可以有效提高機(jī)油的燃料經(jīng)濟(jì)性。

(2)使用低黏度機(jī)油可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果明顯。

(3)低黏度機(jī)油5W20可以滿足β-4G15發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性要求。

(4)使用低黏度機(jī)油可以提高整車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性。相對(duì)于基準(zhǔn)機(jī)油10W40，使用5W20機(jī)油可使整車(chē)綜合工況燃料消耗量下降1.91%，對(duì)整車(chē)的節(jié)能效果明顯。

[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.摩擦學(xué)及潤(rùn)滑技術(shù)[M].北京:兵器工業(yè)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，碩士，工程師，主要從事車(chē)用燃料、潤(rùn)滑油和添加劑的技術(shù)研究和應(yīng)用。E-mail:jhlking@163.com。