黎謙 巫紹寧 何潤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】汽車燃料經(jīng)濟(jì)性是評價(jià)汽車六大重要性能的指標(biāo)之一。汽油機(jī)工作時(shí)，潤滑油溫度的差異會導(dǎo)致不同的燃油噴霧效果、燃燒效率和潤滑油黏度等，從而影響柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性能、動力性能和環(huán)境性能。通過在一系列的燃油經(jīng)濟(jì)性測試試驗(yàn)中研究人員發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)潤滑油溫度和燃油經(jīng)濟(jì)性測試結(jié)果有線性關(guān)聯(lián)，并且市區(qū)工況的影響占主要部分。

【關(guān)鍵詞】潤滑油溫度；汽油機(jī)；潤滑油；燃油經(jīng)濟(jì)性

【中圖分類號】U461 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）06-0090-05

0 前言

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車節(jié)能和動力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，測試此指標(biāo)的方法有直接法和間接法測試整車油耗。然而，測試整車油耗過程中有很多因素對結(jié)果有誤差影響，如發(fā)動機(jī)起始溫度、蓄電池電壓、胎壓、試驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)定，其中發(fā)動機(jī)是主要的影響因素之一。

發(fā)動機(jī)工作溫度過低將會導(dǎo)致噴霧效果不佳，燃燒惡化，CO、HC排放增加，加劇發(fā)動機(jī)活塞與氣缸壁之間的磨粒磨損，潤滑油油品劣化等不良現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作溫度過高時(shí)，零部件會膨脹變形，導(dǎo)致零部件之間的機(jī)械磨損加?。粷櫥宛ざ冉档?，使零部件配合面油膜變薄，再次加劇磨損；同時(shí)，將會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的充氣效率降低，引起不正常燃燒，使NOx的排放增加。目前，國內(nèi)測試汽車整車綜合油耗多數(shù)是以《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、階段Ⅳ）》（GB 18352.3—2005）為試驗(yàn)依據(jù)，要求在試驗(yàn)之前，汽車應(yīng)放置于溫度相對穩(wěn)定在293～303 K（20～30 ℃）之間的室內(nèi)預(yù)置，時(shí)間最少為6 h，直到發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度和潤滑油溫度達(dá)到室內(nèi)溫度的±2 ℃范圍內(nèi)[1]。

呂猛等人研究發(fā)現(xiàn)，通過冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)潤滑油的溫度進(jìn)行精確的控制，保證發(fā)動機(jī)在合適的溫度下工作，將會大幅度地提升發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及可靠性[2]?？祵幍热送ㄟ^對油霧發(fā)生器霧化特性的研究，發(fā)現(xiàn)空氣溫度越高，油滴平均直徑越小，油耗量越大，氣耗量越小，即燃油經(jīng)濟(jì)性好[3]。曹雪詠在對冬季汽車發(fā)動機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn)，如果溫度過低，燃料蒸發(fā)慢，霧化不良，在燃燒室內(nèi)燃燒速度低，甚至有的沒燃燒完就被排出缸外[4]。耿廣武通過進(jìn)行臺架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)，驗(yàn)證了低溫條件對油耗影響較大，提出應(yīng)采取措施予以避免[5]。

筆者在一系列油耗測試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，以發(fā)動機(jī)潤滑油起始溫度為變量，嚴(yán)格控制好其他影響因素，得出油耗結(jié)果與溫度高低有線性關(guān)聯(lián)。

1 溫度對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

環(huán)境溫度對發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)狀態(tài)，尤其是對發(fā)動機(jī)啟動階段有很大影響。研究表明，環(huán)境溫度降低，幾乎所有的發(fā)動機(jī)排放物都會增加，最高的特定氣體和微粒排放出現(xiàn)在NEDC的早期階段[6]。發(fā)動機(jī)的正常水溫應(yīng)保持在80～90 ℃，過高或過低的水溫，都會導(dǎo)致油耗增加。溫度過高，發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)能自動改變冷卻水循環(huán)，增加散熱，從而帶走多余的熱量，從而保持發(fā)動機(jī)溫度在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)，有效地保證發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。

1.1 溫度對發(fā)動機(jī)的影響

汽車發(fā)動機(jī)是燃燒可燃?xì)饣旌纤a(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能而輸出動力的。而現(xiàn)代汽油發(fā)動機(jī)的熱效率一般只有30%左右，其余讓冷卻介質(zhì)帶走的熱量占25%左右，廢氣帶走的熱量占40%左右，其他熱量損失占5%左右?？梢姡l(fā)動機(jī)的熱量損失是較大的。特別是冬季，氣溫低，與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度差距大，散熱快，熱量損失也多，欲滿足發(fā)動機(jī)負(fù)荷功率的需要，必須把由于溫差損失的熱量補(bǔ)充進(jìn)來，那只好加大油門來提高發(fā)動機(jī)的熱量。顯然，燃燒的油料就要比其他季節(jié)較多些。

油霧潤滑技術(shù)是一種先進(jìn)的集中潤滑方式，在壓縮空氣作用下，其關(guān)鍵部件油霧發(fā)生器能連續(xù)有效地將油液霧化。溫度及油溫對油霧霧化效果有重要的影響，而霧化效果直接決定潤滑點(diǎn)的潤滑情況。溫度越高，燃油霧化越完全，那么燃燒越充分，越有助于發(fā)動機(jī)的節(jié)能減排。

對發(fā)動機(jī)溫度的控制必須考慮到汽車的性能能使用戶滿意，并能降低成本和減少油耗。對普通汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的要求如下：必須在規(guī)定的大氣溫度下，在其整個(gè)使用范圍內(nèi)正常工作而不過熱。按系統(tǒng)技術(shù)條件的規(guī)定，在低溫下能很好地工作，而不使設(shè)計(jì)性能有所下降。

1.2 溫度對潤滑油的影響

汽車在低溫條件下使用時(shí)，變速箱、后橋總成潤滑油溫度往往不進(jìn)行預(yù)熱，而提高油溫達(dá)到正常工作溫度是靠零件摩擦和攪油產(chǎn)生的熱量來保證的。汽車低溫啟動時(shí)，發(fā)動機(jī)的水溫上升是一個(gè)延遲過程，傳動系機(jī)油溫度低、黏度大、運(yùn)動阻力大，不能馬上達(dá)到正常工作度，此時(shí)極易加大各部件摩擦的磨損，從而降低汽車使用壽命。汽車傳動阻力增大，其總成在很長一段時(shí)間內(nèi)負(fù)荷增大，使油耗增加。

液體潤滑的接觸摩擦受邊界潤滑和流體動力潤滑的綜合影響。大量研究發(fā)現(xiàn)，潤滑油的溫度差異會影響潤滑油的黏度，特別是在0～30 ℃的時(shí)候，黏度隨溫度的變化特別顯著，隨著油溫增加，潤滑油黏度降低，使得內(nèi)摩擦下降，整車阻力下降，從而對油耗測試結(jié)果有一定的影響。

因此，在整車測試油耗的過程中，起始溫度的差異會在一定程度上影響油耗測試結(jié)果。筆者針對這個(gè)問題，在控制不同的初始溫度這個(gè)因素變量下，設(shè)計(jì)了一系列整車油耗試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)研究

通過研究不同溫度下整車油耗的差異，從而驗(yàn)證溫度對整車油耗的影響。試驗(yàn)完全依據(jù)國家傳動效率測試方法，參照國標(biāo)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）執(zhí)行。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)為國內(nèi)某汽車制造廠動力環(huán)保實(shí)驗(yàn)室（如圖1所示）。該試驗(yàn)室主要由緊湊型底盤測功機(jī)、控制分析系統(tǒng)、環(huán)境倉和排放分析儀4個(gè)部分構(gòu)成（如圖2所示）。

試驗(yàn)的核心設(shè)備均是轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺主要由48"緊湊型底盤測功機(jī)（如圖3所示）、車輛輪胎固定裝置、車輛對中裝置、冷卻風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)鼓蓋板等組成。該系統(tǒng)適用于測試前輪驅(qū)動和后輪驅(qū)動的兩軸車輛，系統(tǒng)的控制模式包括道路負(fù)載模式、速度控制模式、速度控制和牽引力控制模擬。

采用間接法NEDC循環(huán)測試油耗試驗(yàn)，氣體分析設(shè)備是試驗(yàn)結(jié)果精確度的保障。根據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005），氣態(tài)污染物應(yīng)使用下列儀器分析。

（1）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析儀：不分光紅外線吸收（NDIR）型。

（2）碳?xì)浠衔铮℉C）分析儀：對點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)，氫火焰離子化（FID）型。用丙烷氣體標(biāo)定，以碳原子（C1）當(dāng)量表示。

碳?xì)浠衔铮℉C）分析儀：對壓燃式發(fā)動機(jī)，加熱式氫火焰離子化（HFID）型。其檢測器、閥、管道等加熱至463 K（190 ℃）±10 K。用丙烷氣體標(biāo)定，以碳原子（C1）當(dāng)量表示。

（3）氮氧化物（NOx）分析儀：化學(xué)發(fā)光（CLA）型或非擴(kuò)散紫外線諧振吸收（NDUVR）型，兩者均需帶有NOx—NO轉(zhuǎn)換器。

（4）顆粒物：用重量法測定收集的顆粒物。這些顆粒物應(yīng)是在各種情況下，用裝在樣氣流中的2個(gè)串聯(lián)安裝的濾紙收集的。每對濾紙收集到的顆粒物質(zhì)量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

Mp=

公式中：Vep為流經(jīng)濾紙的體積，m3；Vmix為流經(jīng)通道的體積，m3；Mp為顆粒物的排放量，g/km；mf為濾紙收集的顆粒物質(zhì)量，g；d為相當(dāng)于運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的實(shí)際距離，km。

應(yīng)調(diào)整顆粒物取樣流量比（Vep/Vmix/Vmix），使其滿足：Mp=Mlimit，1 mg≤mf≤5 mg（當(dāng)使用47 mm直徑的濾紙時(shí)）。Mlimit為顆粒物排放量的限值（過濾器收集的有效質(zhì)量的限值），g/km。

所有分析儀應(yīng)具有測量排氣污染物樣氣濃度所需要的量程和相一致的準(zhǔn)確度。不管標(biāo)定氣體的實(shí)際值是多少，測量誤差應(yīng)不超過±2%（分析儀的本身誤差）。標(biāo)定氣體的體積分?jǐn)?shù)小于100 ppm時(shí)，測量誤差應(yīng)不超過士2 ppm。環(huán)境空氣樣氣應(yīng)用同一分析儀在適當(dāng)量程進(jìn)行測量。測定所有濾紙的重量所使用的微量天平，應(yīng)有5 μg的準(zhǔn)確度和1 μg的分辨率。

采用熱電偶記錄試驗(yàn)前發(fā)動機(jī)潤滑油溫度。熱電偶傳感器可以將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，然后通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。由于所測溫度不是特別高，所以這里采用“T”形熱電偶?！癟”形熱電偶又稱銅-康銅熱電偶，具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高、溫度近似線性和復(fù)制性好，傳熱快，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍為在-200～350 ℃溫區(qū)，測量精度為±0.01 ℃。

2.2 試驗(yàn)方法

我國燃油排放法規(guī)情況基本上是沿用了1992年始?xì)W洲第三階段的測試。圖4所示為我國車輛燃油循環(huán)測試的車速-時(shí)間曲線，市區(qū)循環(huán)為15工況循環(huán)，用來模擬汽車在城市中行駛時(shí)的工況，城市工況中汽車行駛的最高車速為50 km/h，變速器主要使用1、2、3檔。具體的操作規(guī)范參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）中的表1。市郊循環(huán)為13工況循環(huán)，用來模擬汽車在市郊和高速公路上行駛時(shí)的工況，市郊工況中汽車行駛的最高車速為120 km/h，主要使用3、4、5擋。具體的操作規(guī)范參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）中的表2。

一個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解，各工況所用時(shí)間及所占比例見表1。試驗(yàn)期間平均車速為19 km/h。一個(gè)市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解，各工況所用時(shí)間及所占比例見表2。試驗(yàn)期間平均車速為62.6 km/h。

排放量根據(jù)《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》（GB/T 19233—2008）進(jìn)行計(jì)算：

Mi=

上式中：Mi為污染物i的排放量，單位為克每千米（g/km）；Vmix為校正至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（273.2K和101.33kPa）的稀釋排氣體積，單位為升每次試驗(yàn)（L/試驗(yàn)）；Qi為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（273.2 K和101.33 kPa）下污染物i的密度，單位為克每升（g/L）；Ci為稀釋排氣中污染物i的濃度，并按稀釋空氣中污染物i的含量進(jìn)行校正，ppm。如Ci用體積百分?jǐn)?shù)表示，則系數(shù)10-6用10-2替代；d為試驗(yàn)循環(huán)期間的行駛距離，單位為千米（km）。

2.3 油耗的計(jì)算

油耗可以根據(jù)乘用車燃油消耗量碳平衡法計(jì)算公式得到，公式如下：

Q=

公式中：Q為燃油消耗量（L/100 km）；QHC為測得的碳?xì)渑欧帕浚╣/km）；QCO為測得的一氧化碳排放量（g/km）；Qco2為測得的二氧化碳排放量（g/km）；D為15 ℃時(shí)試驗(yàn)燃油的密度（kg/L）。

2.4 試驗(yàn)步驟

汽車在底盤測功機(jī)上模擬道路行駛時(shí)，控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為變量，大氣壓為100 kPa，室內(nèi)相對濕度為50%，實(shí)驗(yàn)前車身應(yīng)潔凈、干燥，汽車車輪內(nèi)無砂石等顆粒物。

（1）將試驗(yàn)車更換好試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)、變速器和后橋潤滑油。

（2）預(yù)處理。

（3）浸車6 h；（經(jīng)預(yù)處理后的汽車，在試驗(yàn)之前，應(yīng)放置于溫度相對穩(wěn)定在25 ℃的室內(nèi)預(yù)置。此預(yù)置時(shí)間應(yīng)至少進(jìn)行6 h，直到發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度和潤滑油溫度達(dá)到室內(nèi)溫度的±2 ℃范圍內(nèi)）。

（4）將試驗(yàn)車的驅(qū)動輪置于底盤測功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上，用三角架固定試驗(yàn)車的從動輪。

（5）調(diào)整試驗(yàn)車驅(qū)動輪的胎壓至輪胎的標(biāo)準(zhǔn)胎壓210 kPa，調(diào)整底盤測功機(jī)的當(dāng)量慣量。

（6）記錄發(fā)動機(jī)潤滑油溫度。進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，得出市區(qū)油耗、郊區(qū)油耗及綜合油耗。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

整車油耗測試結(jié)果是測得市區(qū)循環(huán)油耗和郊區(qū)循環(huán)油耗，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出綜合油耗。通過不同油品組合的整車油耗差別可以很直觀地反映出整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

在保持其他因素的前提下，保持環(huán)境溫度在23～27 ℃的范圍內(nèi)完成了20次油耗測量，測量結(jié)果如圖5所示。橫軸為測量溫度點(diǎn)，表示的是試驗(yàn)前采集的發(fā)動機(jī)潤滑油穩(wěn)定溫度，單位為℃，縱軸是整車綜合油耗，單位為L/100 km。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著發(fā)動機(jī)潤滑油溫度的升高，整車綜合油耗成線性關(guān)系降低，溫度從22.7 ℃升至27.4 ℃，綜合油耗從7.214 L/100 km降到7.05 L/100 km，下降幅度為2.33%。試驗(yàn)結(jié)果充分地驗(yàn)證了之前的分析。

對20組不同溫度下測得的油耗結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，如圖6所示，線條①是市區(qū)工況油耗，線條②是郊區(qū)工況線條，2條坐標(biāo)軸的油耗跨度相同，圖中明顯可以看出郊區(qū)工況油耗波動不大，并且數(shù)值穩(wěn)定，沒有下降的趨勢，而市區(qū)工況油耗隨溫度下降幅度很大，下降趨勢比綜合油耗更明顯。由此可以得知，溫度對郊區(qū)油耗影響很小，而主要影響市區(qū)油耗，主要是因?yàn)閱訒r(shí)，發(fā)動機(jī)溫度低，溫度對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)影響很大，而持續(xù)工作一段時(shí)間后，發(fā)動機(jī)溫度達(dá)到最佳工作溫度，而且有散熱器開始工作維持最佳工作溫度，所以溫度對此時(shí)的整車油耗影響就不明顯了。

3 總結(jié)

（1）NEDC初始溫度不同，對油耗測試結(jié)果有影響，溫度越高則測得整車油耗偏低，這使得溫度控制不穩(wěn)定時(shí)測試的整車油耗結(jié)果可信度偏低，因此在進(jìn)行NEDC測試整車油耗開始前，控制好環(huán)境溫度是非常必要的。

（2）整車油耗測試試驗(yàn)根據(jù)國標(biāo)進(jìn)行，數(shù)據(jù)由電腦計(jì)算得出，設(shè)備測量準(zhǔn)確度達(dá)到±1%。NEDC循環(huán)中溫度的控制是非常重要的，潤滑油溫度越接近國標(biāo)設(shè)定的溫度，那么得出的油耗越為準(zhǔn)確。

（3）筆者通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出，溫度對油耗影響的主要過程是啟動階段，溫度越高，啟動階段的發(fā)動機(jī)性能越好，相應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性就越高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]GB18352.3—2005，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[2]呂猛，姜波，王振平.基于潤滑油溫度的發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2015（3）：28-31.

[3]康寧，曾文彬.空氣溫度及油溫對油霧發(fā)生器霧化特性的影響[J].潤滑與密封，2009（12）：15-17.

[4]曹雪詠，林慶松，安第斯.冬季汽車發(fā)動機(jī)的溫度與油耗[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2008（1）：33.

[5]汪云.發(fā)動機(jī)噴油量的計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)，2005（1）：22-24.

[6]耿廣武.低溫條件下行車對油耗影響的試驗(yàn)研究[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（2）：30-31.

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】黎謙，男，四川宜賓人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車性能開發(fā)；巫紹寧，男，廣西賓陽人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車性能開發(fā)；何潤，男，四川雅安人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：整車節(jié)油技術(shù)。