汽油機油燃油經(jīng)濟性測試方法的差異性比較

汪利平,張春雷，張坡 ,熊秋菊 ,徐進寶 ,金理力 ,金志良

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油潤滑油公司，北京 100028；3.中國石油蘭州潤滑油廠，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

節(jié)能環(huán)保是推動發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的源動力，各大原始設(shè)備制造商利用先進的技術(shù)對發(fā)動機進行各項改進，以減少排放，提高燃油經(jīng)濟性[1]。為適應(yīng)日益嚴格的節(jié)能和排放法規(guī)的要求，美國汽車制造商協(xié)會(AAMA)和日本汽車制造商協(xié)會(JAMA)聯(lián)合一些大的潤滑油、添加劑公司共同成立了國際潤滑油標準化和認可委員會(ILSAC)，并相繼推出了系列節(jié)能汽油機油規(guī)格[2]。

國內(nèi)外已發(fā)展出多種不同的評價方法考察發(fā)動機油對燃油經(jīng)濟性的貢獻，目前主要的模擬評價和臺架試驗方法有：摩擦系數(shù)測定法[3-4]、歐洲NEDC工況法[5]、美國FTP75工況法[6]、日本10-15工況法[7]、發(fā)動機機械損失測定法[8]、MS程序Ⅵ系列燃油經(jīng)濟性臺架試驗[9]和M111燃油經(jīng)濟性臺架試驗[4]。不同燃油經(jīng)濟性評價方法所采用的摩擦副、發(fā)動機和試驗工況均不同，所得到的試驗結(jié)果具有較大差異。本文以SJ 10W-30參比油和API SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油為研究對象，采用SRV和MTM摩擦系數(shù)測定法、發(fā)動機機械損失試驗、模擬NEDC試驗、模擬FTP試驗和程序ⅥB臺架試驗等6種不同的方法評價了SL/GF-3 5W-30汽油機油的燃油經(jīng)濟性，并研究了不同測試方法所得結(jié)果與程序ⅥB臺架試驗結(jié)果間的對應(yīng)性。

1 試驗設(shè)備與油品

1.1 試驗發(fā)動機

本研究中所用的發(fā)動機為某主機廠提供的1.5 L VVT發(fā)動機，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

1.2 潤滑油基本性能

本文研究中所用試驗油和參比油的實測值如表2所示。試驗油為中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心研制開發(fā)的SL/GF-3 5W-30節(jié)能型汽油機油，參比油為某主機廠提供的SJ 10W-30非節(jié)能型汽油機油。從表2數(shù)據(jù)可知：油品所列指標滿足GB 11121汽油機油質(zhì)量標準要求。

表2 試驗油理化指標及實測值

2 油品燃油經(jīng)濟性測試結(jié)果

2.1 SRV摩擦系數(shù)測試結(jié)果

采用Optimal SRV@4摩擦磨損試驗機進行油品摩擦系數(shù)的測量，采用文獻[3]所述的階梯升溫方式進行試驗，考察潤滑油的摩擦系數(shù)與溫度之間的關(guān)系。一粒直徑為10 mm的試驗鋼球在注有潤滑劑的試驗盤上(直徑24 mm，厚度7.8 mm)進行往復運動，運動頻率為50 Hz、行程為1.0 mm、負荷400 N、溫度40～ 120 ℃、每個溫度下摩擦時間5 min。通過試驗盤總成的壓電傳感器測量摩擦力，測定和記錄整個試驗過程中的摩擦系數(shù)。試驗結(jié)束后，報告試驗過程中不同溫度段的平均摩擦系數(shù)。SJ 10W-30參比油和SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油SRV試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 SRV摩擦系數(shù)隨試驗溫度變化

從圖1可以看出：SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油SRV摩擦系數(shù)遠低于參比油，參比油平均摩擦系數(shù)為0.155，SL 5W-30油品平均摩擦系數(shù)為0.056，與參比油相比SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油平均摩擦系數(shù)降低63.9%。

2.2 MTM牽引系數(shù)測試結(jié)果

MTM(Mini-Traction Machine)試驗機用于評價油品在彈性流體動壓潤滑、邊界/混合條件下的摩擦系數(shù)，是節(jié)能型汽油機油產(chǎn)品的重要評價方法。本文試驗參數(shù)為：載荷/滑滾比72、平均速度3000～10 mm/s、溫度140 ℃。SJ 10W-30參比油和SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油MTM試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 MTM試驗結(jié)果

從圖2可知：參比油SJ 10W-30在邊界潤滑條件下(10 mm/s)的摩擦系數(shù)約為0.15；SL 5W-30油品在邊界潤滑條件下(10 mm/s)摩擦系數(shù)約為0.09，與參比油相比，摩擦系數(shù)降低40.0%。

2.3 發(fā)動機機械損失測試結(jié)果

發(fā)動機機械損失試驗是通過電力測功機倒拖發(fā)動機進行的，是在GB/T 18297摩擦損失功測量方法的基礎(chǔ)上測量整機機械損失。SL/GF-3 5W-30節(jié)能汽油機油與SJ 10W-30參比油在不同試驗溫度下的機械損失試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機機械損失試驗

從圖3可知：在40 ℃和90 ℃的油溫下，SL/GF-3 5W-30節(jié)能油較SJ 10W-30參比油發(fā)動機機械損失平均下降4.69%和8.41%，結(jié)果表明研制開發(fā)的SL 5W-30節(jié)能油在1.5 L VVT發(fā)動機上表現(xiàn)出較好的降低發(fā)動機摩擦功效果。

2.4 臺架模擬NEDC測試結(jié)果

在完成發(fā)動機機械損失試驗后，為進一步驗證發(fā)動機油的節(jié)能性，在發(fā)動機臺架上編制試驗程序運行對應(yīng)模擬NEDC工況循環(huán)，測量并記錄更換不同潤滑油后的燃油消耗量，并以此計算出油品在NEDC工況循環(huán)下的節(jié)油率。試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 臺架模擬NEDC工況節(jié)能測試結(jié)果

通過試驗結(jié)果可知：SL 5W-30節(jié)能潤滑油較SJ 10W-30參比油，在1.5 L VVT發(fā)動機上均表現(xiàn)出良好的節(jié)能性，在NEDC循環(huán)下油耗降低0.75%～1.44%，平均降低1.0%。證明SL 5W-30節(jié)能潤滑油在模擬NEDC循環(huán)工況下能有效改善油耗，提高燃油經(jīng)濟性。

2.5 臺架模擬FTP測試結(jié)果

在美國整車燃料消耗量試驗標準的基礎(chǔ)上，通過測量記錄整車測試循環(huán)中對應(yīng)的發(fā)動機工況，在發(fā)動機臺架上編制試驗程序運行對應(yīng)工況模擬FTP循環(huán)，測量并記錄更換不同潤滑油后的燃油消耗量，并以此計算出FTP工況循環(huán)下油品的節(jié)油率。臺架模擬FTP循環(huán)試驗結(jié)果見圖5。

圖5 臺架模擬FTP工況節(jié)能測試結(jié)果

由圖5中數(shù)據(jù)可知：在臺架模擬FTP/Highway循環(huán)工況試驗中，研制開發(fā)的SL 5W-30節(jié)能潤滑油與SJ 10W-30參比油相比，在1.5 L VVT發(fā)動機上均表現(xiàn)出良好的節(jié)能性，三臺發(fā)動機在臺架模擬FTP/Highway循環(huán)工況試驗中平均節(jié)油率為1.75%。

2.6 程序ⅥB臺架試驗

程序ⅥB試驗嚴格按照ASTM D6837方法進行，試驗所用發(fā)動機為美國Ford汽車公司1993年產(chǎn)4.6 L排量V型8缸汽油機。試驗油首先在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500 r/min和機油溫度為125 ℃的條件下老化16 h，然后進行5個試驗階段的燃油經(jīng)濟性測量，得到試驗油相對參比油的節(jié)能率(FEIⅠ)；之后試驗油在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2250 r/min和機油溫度為135 ℃的條件下老化80 h，再進行5個試驗階段的燃油經(jīng)濟性測量，得到試驗油相對參比油的節(jié)能率(FEIⅡ)；試驗結(jié)果用FEIⅠ、FEIⅡ、FEIⅠ+FEIⅡ表示。SL 5W-30節(jié)能油程序ⅥB試驗結(jié)果見表3。

表3 SL 5W-30節(jié)能油程序ⅥB試驗結(jié)果

由表3可知，研制開發(fā)的SL 5W-30節(jié)能潤滑油在程序ⅥB試驗階段Ⅰ的燃油經(jīng)濟性FEIⅠ達到2.61%，階段Ⅱ的燃油經(jīng)濟性FEIⅡ達到1.36%，F(xiàn)EIⅠ+FEIⅡ總和為3.97%，油品具有良好的燃油經(jīng)濟性。

3 測試結(jié)果差異性比較

SL 5W-30節(jié)能潤滑油較SJ 10W-30參比油在6種不同的模擬和臺架測試條件下均獲得了較好的燃油經(jīng)濟性。由于不同燃油經(jīng)濟性評價方法所采用的摩擦副、摩擦狀態(tài)、發(fā)動機和試驗工況均不同，所得到的試驗結(jié)果具有較大差異性。

(1)SL 5W-30節(jié)能潤滑油在SRV和MTM試驗中，平均摩擦系數(shù)下降較為明顯，建議可以作為摩擦改進劑和節(jié)能發(fā)動機油前期篩選的評價試驗。

(2)發(fā)動機機械損失測定法、NEDC和FTP 75工況法作為主機廠常用的燃油經(jīng)濟性評價方法，與MS程序Ⅵ系列燃油經(jīng)濟性臺架試驗具有較好的對應(yīng)性，可作為節(jié)能油品的評價手段之一。

(3)MS程序Ⅵ系列燃油經(jīng)濟性臺架試驗，作為ILSAC判定節(jié)能油品的一項指標要求，具有較強的權(quán)威性，主機廠可以結(jié)合不同工況循環(huán)在此基礎(chǔ)上提出自己的新要求。