某低黏度機油對4缸發(fā)動機性能的影響

沈穎倩 崔振偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

降低發(fā)動機機油黏度可以減小發(fā)動機工作時的功率損失，降低燃油油耗，提高低溫啟動性能。近年來，日、美、歐、韓的汽車制造商都在極力使機油的黏度變低，尤其是日系汽車都使用黏度等級為0W-20的機油。但是黏度減小過多，可能會導(dǎo)致邊界摩擦，從而使發(fā)動機磨損增大。選擇合適的基礎(chǔ)油和添加劑可以彌補低黏度的不足，采用優(yōu)化配方比的SN 0W-20低黏度機油能夠同時滿足整機性能開發(fā)和降油耗的要求。文章首先在搭載4缸發(fā)動機的整車上進行NEDC循環(huán)試驗，對比使用SN 0W-20和SM 5W-30機油條件下，I型試驗排放測試結(jié)果及整車油耗的差異；然后對SN0W-20機油進行整機可靠性試驗，從功率、油耗、主油道壓力及機油與燃油消耗比等方面研究其對整機性能的影響。

1 整車NEDC循環(huán)試驗

1.1 試驗油品參數(shù)

目前國內(nèi)使用的汽油機油普遍為SM5W-30。文章將其他發(fā)動機在用的SM5W-30機油作為基礎(chǔ)油，另外選擇2種符合此4缸發(fā)動機特點的SN 0W-20機油進行NEDC循環(huán)試驗，試驗用機油的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 整車NEDC循環(huán)試驗油品基本參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果

在搭載4缸發(fā)動機的某車型上，分別采用SM 5W-30和SN0W-20機油進行NEDC循環(huán)試驗，獲取I型試驗排放和整車油耗數(shù)據(jù)。每種油品進行3次試驗，結(jié)果取其平均值，如表2所示。

表2 整車NEDC循環(huán)I型試驗排放結(jié)果 g/km

從表2可以看出，3種油品的排放測試結(jié)果都能滿足國V排放法規(guī)的限值要求[1]。SN0W-20機油的整體排放性能優(yōu)于 SM5W-30機油；SN 0W-20（b）機油的HC，NO，NMHC排放優(yōu)于SM5W-30機油，但是CO排放比SM5W-30機油高0.108 g/km。

整車油耗對比，如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)：相比傳統(tǒng)SM5W-30機油，使用SN 0W-20機油的節(jié)油率為1.67%；SN 0W-20（b）沒有節(jié)油效果。對比結(jié)果表明，SN 0W-20（b）配方的機油與試驗用發(fā)動機不匹配，顯現(xiàn)不出節(jié)油優(yōu)勢。

圖1 整車NEDC循環(huán)試驗不同油品油耗結(jié)果

2 整機可靠性試驗

在整機可靠性試驗時，文章僅選用SN 0W-20進行試驗。按照機油可靠性試驗規(guī)范在可靠性臺架上進行驗證，試驗過程中通過檢測相關(guān)元素含量變化來監(jiān)測油品性能變化及發(fā)動機是否發(fā)生異常磨損；通過評價可靠性試驗前后整機性能、油壓、漏氣量、機油與燃油消耗比及主要部件磨損來判定試驗是否通過[2]。整個試驗過程機油溫度控制在140℃以下，冷卻液溫度控制在（90±3）℃，燃油溫度控制在（25±5）℃。

2.1 油品分析結(jié)果

試驗中每間隔50 h從油底殼中抽取150 mL油樣，間隔200 h換1次機油。并對取樣油品的黏度、堿值及金屬元素含量等指標(biāo)進行跟蹤分析，根據(jù)GB/T8028—2010《汽油機油換油指標(biāo)》[3]進行評價。

2.1.1 100℃運動黏度

黏度是衡量油品油膜強度及流動性的重要指標(biāo)之一。圖2示出100℃機油運動黏度測試結(jié)果。從圖2中可以看出，整個試驗過程，油品黏度變化比較穩(wěn)定，初期有輕微下降，后期平穩(wěn)上升，總體變化率在±14%以內(nèi)，低于換油指標(biāo)的要求，表明油品有良好的抗氧化性能和抗剪切性能。

圖2 100℃機油運動黏度變化曲線

2.1.2 堿值

堿值主要由機油的添加劑體系決定。一般高堿值對應(yīng)油品的高清凈分散性，有利于延長油品的換油期。同時油品的堿值可用于中和燃燒生成的強酸性物質(zhì)及油品自身氧化產(chǎn)生的有機酸。圖3示出機油堿值測試結(jié)果。從圖3中可以看出，可靠性試驗后堿值有所下降，但仍遠(yuǎn)高于下限，表明該油品有較強的堿值保持能力，可以有效抑制積碳和油泥的生成。

圖3 整機可靠性試驗機油堿值變化曲線

2.1.3 磨損元素

油品中不同金屬元素含量的變化，代表發(fā)動機在試驗過程中不同摩擦部位的磨損情況，磨損元素分析是評價發(fā)動機摩擦狀態(tài)的簡潔有效的方式。在整個可靠性試驗過程中，試驗油品中金屬元素呈平穩(wěn)上升趨勢，如果金屬元素含量急劇增加則表明發(fā)生了嚴(yán)重磨損[4]。圖4示出鐵、銅、鋁含量分析結(jié)果，從圖4中可以看出，各金屬元素含量表現(xiàn)出平穩(wěn)的變化趨勢，可靠性試驗后含量均低于換油指標(biāo)要求。

圖4 整機可靠性試驗油品中金屬元素含量變化曲線

2.2 可靠性試驗結(jié)果

2.2.1 整機性能影響

可靠性試驗前后分別進行功率及油耗測量，對比曲線如圖5和圖6所示。從圖5中可以看出，可靠性試驗后額定功率降低1.9%，符合試驗規(guī)范中限值（5%）要求；從圖6可以看出，油耗在可靠性試驗后略有惡化，最大增長約4.2%。

圖5 整機可靠性試驗前后功率對比曲線

圖6 整機可靠性試驗前后燃油消耗率對比曲線

2.2.2 主油道機油壓力

在可靠性試驗前后進行主油道機油壓力的測量，以評價磨損對發(fā)動機可靠性的影響。對比結(jié)果，如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，可靠性試驗后機油壓力下降，但仍符合試驗規(guī)范中的限值（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，機油壓力≥300 kPa）要求。

圖7 整機可靠性試驗前后主油道機油壓力對比曲線

2.2.3 機油與燃油消耗比

在進行可靠性試驗的同時，檢測整機機油與燃油消耗比的變化，評價機油消耗量是否滿足技術(shù)規(guī)范要求。發(fā)動機可靠性試驗前后，機油與燃油的消耗比分別為0.11%和0.13%，雖然可靠性試驗后機油的消耗增加，但未超過0.15%的限值。

2.2.4 主要零件磨損

可靠性試驗前，對活塞、缸筒、氣門、凸輪軸及軸瓦等主要潤滑部件的關(guān)鍵尺寸進行測量。可靠性試驗后，對發(fā)動機進行拆解清洗，仔細(xì)檢查各零部件工作狀態(tài)，根據(jù)檢查結(jié)果對主要零件狀態(tài)進行打分評價，并再次測量主要潤滑部件的關(guān)鍵尺寸，計算其磨損值。從主觀評價和磨損量結(jié)果來看，主要潤滑零件磨損量滿足評價要求。

3 結(jié)論

文章通過對搭載4缸發(fā)動機的整車進行NEDC循環(huán)試驗及整機可靠性試驗得出：1）使用SN 0W-20機油，I型試驗結(jié)果能滿足國V排放法規(guī)限值要求，且整車油耗較SM5W-30機油能節(jié)油1.67%；2）整機可靠性試驗結(jié)束后，功率、油耗、機油壓力及機油與燃油消耗比的主要指標(biāo)，以及零件磨損量都能滿足要求。因此本次研究表明，SN 0W-20機油能滿足該4缸發(fā)動機的使用要求。