低黏度汽油機油燃油經濟性發動機測試方法研究

張威力,楊鶴,盧文彤,邢建強,徐巖

(中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院，北京 100083)

0 引言

為應對全球性的資源短缺和氣候變暖，鞏固和提高汽車工業未來國際競爭力，歐美日等汽車工業發達國家都在采取積極措施，推動和促進汽車節能技術發展、提高汽車燃料經濟性水平，相繼完成新一輪針對乘用車燃料消耗量標準法規制定，對乘用車燃料消耗量及對應的CO2排放提出更加嚴格的要求。

世界各主要國家和地區對燃油經濟性均有明確要求。其中歐盟于2009年通過強制性的法律手段取代自愿性的CO2減排協議，在歐盟范圍內推行汽車燃料消耗量和CO2限值要求和標示制度，要求到2020年乘用車CO2排放達到95 g/km的目標，相當于3.8 L/100 km左右。美國汽車企業平均燃料經濟性(CAFE)新規規定，到2025年美國輕型汽車的平均油耗要達到4.32 L/100 km。日本2020年乘用車平均燃料經濟性水平達到20.3 km/L，相當于5L/100 km左右[1]。因此，推動和促進汽車節能技術發展，提升燃油經濟性成為各大汽車OEM和石油公司最為重要的研究課題。

汽車降低燃油消耗有多項技術措施，其中使用節能型發動機油是重要措施之一。通過對發動機油的不斷優化來減小發動機摩擦副的摩擦，從而提高燃油經濟性。研究結果表明，降低機油黏度可以減少發動機摩擦損耗，提高發動效率，有利于發動機燃油經濟性的改善，同時該方法較發動機結構及燃燒方式的優化具有成本低、易實施的優點，得到了眾多OEM的青睞。

在我國石油資源需求不斷增長，供需矛盾日益突出和霧霾頻繁肆虐的背景下，節能環保汽車產業發展以及石油化工行業對其的支撐作用成為各方關注熱點。我國乘用車燃料消耗量第四階段標準方案現已形成。《乘用車燃料消耗量限值》[2]、《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[3]已于2014年12月22日正式發布，標準規定到2020年我國乘用車平均燃料消耗量水平將從2015年的6.9 L/100 km下降至5 L/100 km左右[4]。在2020年第14號中國國家標準公告中發布了GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》，該方法2021年1月1日起實施，受該方法更新影響，新的《乘用車燃料消耗限值》、《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》目前也在修訂中，預計到2025年我國乘用車平均燃料消耗量水平降至4 L/100 km左右。

汽車降低燃油消耗有多項技術措施，涉及到車用油品的包括燃油添加劑和機油添加劑[5]，使用節能型發動機油是汽車制造廠商(OEM)采取的重要措施之一。經過十多年的發展，由美日汽車制造商聯合組成的國際組織ILSAC頒布的節能發動機油的規格已經從GF-1發展到GF-5[6-8]，其節能評定臺架也從程序Ⅵ發展到程序ⅥD[9]，程序ⅥD試驗工況條件見表1，GF-6規格已于2019年發布，使用程序ⅥE/ⅥF臺架評定其節能性能。歐洲ACEA節能潤滑油最高規格為C6[10],另外C1～C5、A1/B1及A5/B5也有對應節能要求，其節能性能用臺架M111和JASO M366評定[11]。

表1 程序ⅥD試驗工況條件

國內內燃機油標準主要采用ASTM的標準，標準中汽油機油最高等級為GF-5，GF-5級汽油機油所采用的節能試驗為程序ⅥD[12-13]，程序ⅥD選用6個試驗工況(如表1所示)[14]，覆蓋發動機低速、中速、高速區域，ⅥD研究報告表明，該試驗方法對含有不同種類基礎油和添加劑的內燃機油具有顯著區分性。

然而，通用型國際標準使用一種臺架(一種發動機機型)來評定用于多種發動機的潤滑油的節能性能，并不具備廣泛的代表性[15]，所以各大汽車制造商基于自身發動機技術特點，都建有自己的潤滑油節能評定方法，即OEM臺架方法，設定企業標準作為其油品供應商的通過指標。本文應用某型號發動機開發一種汽油機油燃油經濟性評價方法，考察方法重復性。

1 發動機臺架及試驗方法

發動機臺架的構成主要包含:測功機、發動機托盤及支撐、發動機、冷卻水系統、機油系統、燃油系統、氣源等系統。本次節能試驗主要選用某型號1.8 L四缸汽油發動機開展試驗，具體工況條件見表2。

表2 試驗工況條件

因機油的節能效果很小，為了盡最大可能降低系統誤差對節能試驗結果的影響，引入某品牌市售SN 0W-20汽油機油作為參比油。試驗過程中需進行2次參比油試驗，分別在試驗油測量前后，以測量結果作為參照，通過計算試驗油并與前后兩個參比油的平均值進行比較，計算得到試驗油的節能效果。每個油樣的試驗過程分為9個階段(如表3所示)，試驗工況覆蓋發動機低速、中速及高速區域，同時通過輔助系統的控制調整機油、冷卻液處于低溫和高溫區域，最后綜合各工況的比油耗(BSFC)，加權得到油樣的燃油消耗量。同時，為了保證試驗的準確性，對試驗所用燃油進行限制，表3列出了典型的燃油理化指標數據。

表3 典型的試驗燃油數據

在試驗過程中，為了進一步確認臺架的穩定性同時控制系統誤差，在整個測試環節前增加一次參比油測試環節并設定判斷條件：若試驗油前的兩次參比油燃油消耗測試結果差異小于±0.2%，則視為試驗臺架系統誤差在允許范圍內，繼續進行試驗油的試驗，否則認為設備不穩定，需檢查設備情況并進行調整。

2 試驗結果

2.1 臺架精度確認

臺架建設完成后，在正式測試前，為確認臺架精度和重復性，首先采用同一種汽油機油開展3次9工況測試，并比較其結果，所得試驗結果如表4所示，對試驗結果的分析見表5。

表4 同一種汽油機油的三次測試結果 kg

表5 同一種汽油機油的三次測試結果分析 kg

通過對三次參比油的測量結果進行數據分析發現：三次測試的最大偏差為第1次和第2次(0.11%)，最小偏差為第2次和第3次(0.1%)，臺架控制精度及重復性良好，能夠達到0.2%的控制要求。

2.2 0W-16油品的試驗過程及結果

臺架精度確認完成后，選用某品牌0W-16油品A開展燃油經濟性測試，試驗按參比油第1次(BL1)、參比油第2次(BL2)、試驗油A、參比油第3次(BL3)的順序進行。

在具體試驗過程中，為控制系統誤差，試驗前后進行兩次參比油試驗，若前后兩次參比油燃油消耗量差距<0.2%，則視為試驗臺架誤差在允許范圍內，繼續進行試驗油的試驗。具體到本次試驗，兩次參比油總燃油消耗量差距為0.067%。

試驗油A處于兩個參比油之間，參比油BL2和參比油BL3的總燃油消耗量平均值為165.0196，由此計算得到試驗油A的節能效果為0.9698%，見表6。

表6 0W-16新油試驗結果

表6(續)

3 結論

通過應用某型號發動機建立汽油機油燃油經濟性臺架并開展相關試驗，得出以下結論：

(1)應用某型號發動機制定的汽油機油燃油經濟性測試方法有很好的重復性。

(2)測試結果表明，0W-16級別低黏度機油較0W-20級別機油更能提升發動機的燃油經濟性。