莫易敏 羅旭 劉青春 呂俊成 張偶

（1.武漢理工大學(xué)，武漢430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州540057）

主題詞：低黏度 潤(rùn)滑油 發(fā)動(dòng)機(jī) 臺(tái)架試驗(yàn) 燃油經(jīng)濟(jì)性

1 前言

提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有助于緩解資源短缺問題[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升開展了很多研究：王震等[2]通過改裝48 V微混系統(tǒng)，利用優(yōu)化高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制、加速電機(jī)助力、制動(dòng)能量回收等控制策略達(dá)到降低燃油消耗量的目的；龐鳳[3]采用發(fā)動(dòng)機(jī)低慣量增壓器、電磁離合器風(fēng)扇和優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)等方法降低燃油消耗量；Macian等[4]研究了15W40、5W30和10W40 3種不同黏度潤(rùn)滑油對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果表明，低黏度潤(rùn)滑油可以降低燃油消耗量，同時(shí)產(chǎn)生更少的CO、CO2、HC 等污染物。上述方法適用范圍有限，不能為已生產(chǎn)車輛提供最優(yōu)的解決方案。

本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)測(cè)試油0W20 和參比油5W30 的機(jī)械摩擦損失進(jìn)行測(cè)試，比較2 種發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并針對(duì)3 款測(cè)試油0W20 進(jìn)行整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，對(duì)比分析含不同添加劑的低黏化發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

2 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)采用的是直列四缸渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

所用潤(rùn)滑油以原廠潤(rùn)滑油SM 5W30 作為參照，配制出3 款不同類型的低黏度SM 0W20 潤(rùn)滑油。為減少除黏度外其他因素對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，在配制過程中采用相同質(zhì)量等級(jí)的基礎(chǔ)油和相同品牌的添加劑，但潤(rùn)滑油黏度降低后，會(huì)導(dǎo)致摩擦副從流體潤(rùn)滑狀態(tài)向邊界/混合潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使得摩擦力增大、磨損增加，因此在試驗(yàn)油中加入一定量的含鉬添加劑[5]，以減小這種負(fù)面影響。4種試驗(yàn)油主要參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)油基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)流程

本文采用倒拖法，以摩擦力矩為參照衡量節(jié)氣門全開和全閉2種狀態(tài)下的機(jī)械損失[6]。使用AVL自動(dòng)控制試驗(yàn)臺(tái)架，并與發(fā)動(dòng)機(jī)搭接，如圖1所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)通過電力測(cè)功機(jī)倒拖工作，利用冷卻液溫控系統(tǒng)和油溫控制系統(tǒng)滿足試驗(yàn)過程中的溫度要求，以減小溫度對(duì)潤(rùn)滑油黏度的影響。試驗(yàn)開始前，先將試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行5 h左右的磨合處理，同時(shí)在試驗(yàn)過程中控制變量，使其滿足如表3所示的要求。

圖1 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表3 試驗(yàn)過程中的基本要求

試驗(yàn)開始時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱機(jī)操作，使其在額定轉(zhuǎn)速的75%左右和20%左右的負(fù)載條件下運(yùn)行，潤(rùn)滑油溫度和冷卻液溫度在誤差范圍內(nèi)。節(jié)氣門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)以額定速度工作，然后關(guān)閉潤(rùn)滑油回路并燃燒掉潤(rùn)滑油回路中的殘留燃油。需要注意的是，在上述狀態(tài)下，摩擦力矩的測(cè)量包含了發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失[7]。關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電源，起動(dòng)測(cè)功機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)工作，在從額定轉(zhuǎn)速逐漸降低至最低轉(zhuǎn)速過程中取點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。完成節(jié)氣門全開工況測(cè)量后，立即在節(jié)氣門全閉工況下開展測(cè)量，試驗(yàn)過程應(yīng)盡量緊湊，避免更多的干擾因素影響試驗(yàn)結(jié)果。不同黏度的潤(rùn)滑油在切換過程中，需用待測(cè)油液沖洗發(fā)動(dòng)機(jī)2～3 次，更換機(jī)油濾清器，并使用量杯加注，保證每次添加的量一定。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，利用AVL 電力測(cè)功機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到不同黏度潤(rùn)滑油在1 000～5 500 r/min 轉(zhuǎn)速條件下的摩擦力矩，如圖3所示。

圖3 各工況下不同潤(rùn)滑油的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩越大，相同時(shí)間內(nèi)所消耗的能量也越多，導(dǎo)致燃油消耗量升高，所以摩擦力矩越大代表燃油經(jīng)濟(jì)性越差，由圖3所示的曲線可知：

a.除特殊點(diǎn)，節(jié)氣門全開和全閉狀態(tài)下隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦力矩近似線性增加，同時(shí)在高轉(zhuǎn)速下，4種潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)摩擦力矩的差距增大。

b.比較圖3a、圖3b，節(jié)氣門全閉狀態(tài)的摩擦力矩上限比全開時(shí)小。節(jié)氣門全開狀態(tài)下，摩擦力矩的測(cè)量包含了發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失，且其隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

c.節(jié)氣門全開工況下以3 000 r/min 為分界點(diǎn)，在大于該轉(zhuǎn)速的情況下，4種潤(rùn)滑油的摩擦扭矩存在明顯區(qū)別，相差百分比最大的情況出現(xiàn)在4 750 r/min 左右，0W20#2 比5W30 的摩擦力矩小13.9%。在1 500 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小，摩擦副之間從混合摩擦向流體摩擦過度，使得磨損曲線呈下降趨勢(shì)[8]。

為了更好地反映各種潤(rùn)滑油的差異，消除部分點(diǎn)帶來的誤差，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，如圖4所示。

圖4 不同潤(rùn)滑油的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩?cái)M合

由圖4 可知，相對(duì)于原廠潤(rùn)滑油5W30，3 種低黏度的0W20具有更低的摩擦力矩，這表明該黏度的潤(rùn)滑油可以使摩擦部件處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，證明降低潤(rùn)滑油黏度改善燃油經(jīng)濟(jì)性的方案可行，同時(shí)，在配制的3 種低黏度潤(rùn)滑油中，0W20#2 潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速過程中均小于其他類型的摩擦力矩。

3 整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)車輛及方案

為進(jìn)一步驗(yàn)證低黏度潤(rùn)滑油對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)行整車實(shí)際路況試驗(yàn)，汽車的主要參數(shù)如表4所示。

表4 整車參數(shù)

汽車燃油消耗量可以通過碳平衡的方法獲得[9]，其基本原理是燃燒前、后的碳含量保持不變，通過測(cè)量CO2、CO和HC的排放量來確定消耗的燃油總量，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，有：

式中，Q為燃油消耗量；Q(CO2)、Q(CO)、Q(HC)分別為CO2、CO、HC的排放量；D為燃油的密度。

試驗(yàn)分為4 組，即分別采用原廠的5W30 和新配制的3種低黏度潤(rùn)滑油開展試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。開始前，先用待測(cè)潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行2～3次沖洗，之后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行磨合預(yù)熱處理使各摩擦副充滿待測(cè)潤(rùn)滑油，最后在全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）工況下進(jìn)行整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，計(jì)算平均燃油消耗量。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述試驗(yàn)可以得到每組的整車燃油消耗量，每組取3次試驗(yàn)的均值作為燃油消耗量的有效值，計(jì)算出每組的變異系數(shù)：

式中，cv為變異系數(shù)；σ為樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；μ為樣本數(shù)據(jù)的平均值。

結(jié)果匯總?cè)绫?所示。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均小于0.3%，誤差在允許范圍內(nèi)，試驗(yàn)可靠性高。

由表5可知：

表5 整車燃油消耗量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

a.低黏度的0W20相比于原廠的5W30潤(rùn)滑油經(jīng)濟(jì)性有明顯改善，燃油消耗量降低了1%左右。

b.在新調(diào)配的3 種潤(rùn)滑油中，0W20#2 潤(rùn)滑油的燃油消耗量降低幅度最大，達(dá)到了1.28%，黏度最低的0W20#3 潤(rùn)滑油在一定程度上提升了燃油經(jīng)濟(jì)性，但是降油耗效果比0W20#2 低0.14 百分點(diǎn)，主要原因是0W20#2 潤(rùn)滑油中添加了較多的鉬元素，使得發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失減小，燃油經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié)束語

本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，比較了參比油SM 5W30和測(cè)試油SM 0W20的差別，利用整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)分析了不同成分的低黏度測(cè)試油SM 0W20對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，可以得到如下結(jié)論：

a.3款0W20潤(rùn)滑油較原廠5W30在WLTC工況下節(jié)約了1%左右的燃油消耗量，其中0W20#2潤(rùn)滑油的油耗降低幅度最大，達(dá)到了1.28%。

b.潤(rùn)滑油添加劑中的鉬元素可以改善潤(rùn)滑油的性能，降低摩擦損失，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。相較于原廠5W30潤(rùn)滑油，0W20#2潤(rùn)滑油比0W20#3潤(rùn)滑油的綜合燃油消耗量降低0.14百分點(diǎn)。