低黏度机油对发动机燃油经济性的影响

 

目前，国六排放标准和乘用车第四阶段油耗标准即将实施，国内各汽车生产厂商都已经启动了节能降耗的相关研究。发动机作为汽车的关键零部件，其燃油经济性水平对整车油耗水平影响尤其重要其中，通过减小发动机内关键摩擦副的摩擦损失来提升燃油经济性是十分有效的措施。而各摩擦副之间通过机油来实现减磨润滑，减少接触表面磨损。机油黏度对润滑质量存在影响，当机油黏度较高时，摩擦副间容易生成油膜使其获得良好的润滑效果。但是，相比于高黏度润滑油，低黏度的润滑油具有良好的流动性，能够促使车辆获得更高的燃油经济性和动力性。低黏化已经是润滑油技术的发展趋势，据相关资料显示，美欧日等同家多数车企已经对更低黏度的0W16和0W08机油进行研究，且取得良好节能降耗效果。因此，我们应更加重视对低黏度机油的研究。

 

本文先从机油黏度对燃油经济性的影响进行理论分析，然后结合台架试验，对比探究SM5W30与SN0W20两种不同黏度的机油对发动机摩擦损失的影响情况，据此来评价其燃油经济性。

 

 

发动机工作时，内部各部件间相对运动组成多种摩擦副，其中主要有活塞-缸套、曲轴-轴承、凸轮-挺杆等，如图1所示。Tung等研究了发动机在工作过程中各摩擦副所产生的摩擦损失占比情况，如表1所示，不难看出发动机摩擦损失主要发生在轴承和活塞区域。图2是著名的斯特里贝克曲线(StribeckCurve)，探究了特征参数（“ηU/P”）与摩擦系数之间的相互关系，而摩擦副的润滑状态与机油黏度η、运动速度U和法向载荷P存在相应联系。

 

 

 

 

一般来说，发动机中产生主要摩擦损失的轴承和活塞区域都处于流体润滑（HydrodynamicLubrication）状态。在流体润滑的条件下，摩擦副表面被一薄层机油完全分隔开，摩擦副完全被润滑，一般不会出现磨损状况。此时，摩擦损失与接触表面质量无关，只与润滑油分子间摩擦阻力大小相关，则其摩擦损失完全由机油黏度决定。机油黏度本质上就是衡量流体分子间的阻力大小，黏度越小，则机油流动起来的摩擦阻力就越小，流动性就越好，摩擦损失就越小。当发动机在使用工况已经确定的条件下，机油黏度η的选择就比较重要。从斯特里贝克曲线中可以看出，在流体润滑区间内，机油黏度η越低，则对应的摩擦系数越小。相应地发动机主要摩擦损失也就会降低，有利于提升发动机燃油经济性。

 

 

本文所述的低黏度只是一个对比定义。目前，国内OEM多数使用5W30机油，相比于5W30,0W20则可以被称为低黏度机油。为了确保试验研究结果的准确可靠，排除其他因素对试验的影响。试验用机油均使州同样标准的润滑油，设计两种对比试验用油将SM5W30设为参比油，SN0W20设为试验油。其主要理化参数如表2所示。

 

 

 

 

2.2试验设备及方法

 

本次试验方法采用较为常用的倒拖法，试验过程中发动机无需点火，由外部电机直接驱动发动机运转，由温度控制系统对机油温度进行实时监测与控制，由数据采集系统对数据进行实时采集与记录。整个试验操作方便，易于控制，所得到的试验结果也比较精准。

 

本文通过试验测定的发动机摩擦力矩与摩擦功率来评价机油黏度对发动机燃油经济性的影响。试验以GB/T18297-2001汽车发动机性能试验为标准进行。试验开始前，首先注入参比油在发动机满载的条件下对发动机进行磨合，磨合时间为2~3h，这样能尽量排除误差因素的干扰。加注新的机油时都必须对发动机进行冲洗处理，首先换上新的机油滤清器，然后为了排除参比油的残留，再用预加注机油冲洗2?3次，最后采用同样的量杯加注等量(3.6L)的机油。试验测定在2种不同状态下的发动机摩擦力矩和摩擦功率。发动机运行的转速保持在1000~5600r/min，每间隔400r/min进行一次测量，大约一共能够得到13个测量点，试验过程中，机油温度始终控制在95℃左右。

 

2.3试验结果与分析

 

经过试验操作后，得到了一系列试验数据。通过简单的数据处理后，得到如下2种状态下的试验结果。图3和图4是油门全开状态下摩擦力矩与功率与发动机转速的关系曲线，图5和图6为油门全闭状态下摩擦力矩与功率与发动机转速的关系曲线。

 

 

 

 

结合4幅点线图进行分析，可以看出在油门全开和全闭两种状态下，低黏度的SN0W20试验油的摩擦力矩和功率一般都低于较高黏度的SM5W30机油。表4为2种状态下两种机油13个测量点数据的均值，结合表4分析，参比油在全速范围内的摩擦力矩和功率的均值都大于试验油。因此可以认为低黏度机油有利于降低发动机摩擦损失，能有效提升发动机燃油经济性，促使整车节能降耗。

 

 

同时，黏度不同的2种机油的摩擦力矩和功率都呈现出随发动机转速的增加而增大的趋势，并且随着发动机转速的增加，2种机油的摩擦力矩和功率的差异越明显。测试油与参比油的摩擦力矩几乎由无差异变为最大相差约2.63N·m(在油门全开状态下），其摩擦功率也几乎由无差异变为最大相差约为3.06kw(在油门全闭状态下）。

 

可以大致认为，在转速较高的情况下，低黏度机油对提升发动机燃油经济性优势更加明显。

 

 

（1）机油黏度对发动机摩擦损失有重要影响。黏度较低的机油流动性好，分子间摩擦力小，能够有效的减小发动机的摩擦损失，从而提升发动机的燃油经济性。

 

（2）低黏度机油虽然能提升发动机燃油经济性，但是黏度并不能低于某一限值，会导致其承载能力变差，油膜易破裂，造成摩擦表面发生磨损。同时，低黏度的机油对发动机的结构设计提出了更高要求，未来应该朝着精密化方向发展。

 

（3）本文针对机油黏度对发动机燃油经济性的影响所进行的试验研究为整车节能减耗提供一定的参考。