減摩劑在柴油機(jī)油中的復(fù)配性能研究

熊 云，楊 律，2，劉 曉，李 易

（1.解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶401311；2.75752部隊(duì)；3.太平洋聯(lián)合（北京）石油化工有限公司）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車保有量也在大幅度增加，而從2005年開始實(shí)施《乘用車燃料消耗量限值》的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，使得有效改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、降低汽車燃油消耗已成為汽車制造工業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的技術(shù)難題。在燃料的燃燒效能達(dá)到一定程度后，發(fā)動機(jī)節(jié)能性能的發(fā)揮主要依賴于潤滑油的減摩性能。已有的研究結(jié)果表明［1－2］，汽車燃料做功釋放的能量中有20%～25%被零部件間的摩擦所消耗，其中缸套與活塞和活塞環(huán)之間的摩擦損失占總摩擦損失的45%～55%，氣閥機(jī)構(gòu)消耗占7%～15%，連桿軸承消耗占20%～30%。發(fā)動機(jī)不同部件間的摩擦方式不同，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其中的邊界和混合摩擦所占比例越來越大，因此，從發(fā)動機(jī)節(jié)能臺架試驗(yàn)程序ⅥB到程序ⅥD，邊界和混合潤滑所占的比例也越來越大，減摩劑在提高燃料經(jīng)濟(jì)性方面的作用也越來越明顯［3］。減摩劑大致可以分為兩類：一類是有機(jī)金屬化合物，如有機(jī)鉬、有機(jī)銅、有機(jī)銻等，近些年關(guān)于有機(jī)鉬添加劑的研究較多［4－7］，另一類是無灰型有機(jī)化合物，包括脂肪酸、醇、酯及其衍生物，脂肪胺及其衍生物［8］，近些年關(guān)于硼酸酯的研究較多［9－13］。一般無灰型的減摩劑主要依靠極性基團(tuán)在摩擦副表面的物理或化學(xué)吸附來減小摩擦，當(dāng)溫度超過其臨界溫度時，添加劑會從摩擦副表面脫附，從而使摩擦系數(shù)增大，其作用溫度較低。而有機(jī)金屬化合物則主要通過與摩擦副表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)反應(yīng)膜來減小摩擦，使摩擦系數(shù)下降，其作用溫度較高。當(dāng)兩類添加劑的復(fù)配協(xié)同作用發(fā)揮良好時，在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，在全溫度范圍內(nèi)形成良好的邊界潤滑膜，從而有效地減小摩擦，降低磨損。

均勻設(shè)計(jì)是一種適合多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［14］，其與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的“均勻分散，整齊可比”的特點(diǎn)相比，去除“整齊可比”的要求，但數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布更加均勻分散，同時相對于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)n2次試驗(yàn)（n為水平數(shù)）而言，均勻設(shè)計(jì)可用較少的試驗(yàn)次數(shù)完成復(fù)雜的科研試驗(yàn)，加快研究進(jìn)度，尤其在水平數(shù)較多的情況下，效果更加明顯。本課題使用均勻設(shè)計(jì)法考察減摩劑在柴油機(jī)油中的復(fù)配性，通過回歸分析和偏最小二乘法尋找減摩劑在柴油機(jī)油中的最優(yōu)配方，并對最優(yōu)配方進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)油和添加劑

潤滑油為 CF－4 15W－40柴油機(jī)油，東風(fēng)油品集團(tuán)生產(chǎn)；添加劑為有機(jī)鉬添加劑A，有機(jī)鉬添加劑B，磷酸酯，含氮硼酸酯，均為市售產(chǎn)品。

1.2 減摩抗磨性能測試設(shè)備與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料 濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MMW－1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，所用鋼球?yàn)樯虾］S承廠生產(chǎn)，直徑12.7mm，符合GB/T 308—2002，Ⅱ級軸承鋼球，材料為GCrl5，硬度HRC為64～66。1.2.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)前，將鋼球浸入石油醚中，用超聲波清洗機(jī)清洗10min，參考SH/T 0762—2005試驗(yàn)方法，確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為600r/min；從98N開始，每隔10min增加載荷98N，逐級加至980N或出現(xiàn)摩擦力急劇增大時停止。取每級10min內(nèi)摩擦系數(shù)的平均值為此載荷下的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，用讀數(shù)顯微鏡測量底球的磨斑直徑，以3個底球磨斑直徑的算術(shù)平均值來表征抗磨性能，以摩擦系數(shù)的變化來評價減摩能力。

1.3 減摩添加劑復(fù)配方案的均勻設(shè)計(jì)

潤滑油中不同的添加劑之間存在相互作用，包括協(xié)同作用和對抗作用等，通過單劑篩選，從常用的減摩添加劑中選出4種在柴油機(jī)油中減摩效果好的添加劑，以溫度和4種減摩劑的添加量為因素，考察4種減摩劑的復(fù)配方案，其中溫度取4個水平，有機(jī)鉬添加劑A和有機(jī)鉬添加劑B的添加量取4個水平，考慮到無灰型減摩劑的用量范圍較寬，磷酸酯和含氮硼酸酯的添加量分別取6個水平，具體水平取值見表1。

表1 各因素的水平范圍

采用擬水平的混合水平法，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)造了U12（43×62）均勻設(shè)計(jì)表。DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是浙江大學(xué)唐啟義教授開發(fā)的一款用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用軟件，具有數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析、建立數(shù)學(xué)模型等功能，操作簡單方便，人機(jī)界面靈活。均勻設(shè)計(jì)表如表2所示。

表2 均勻設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果

按照表2所示方案配制試樣，通過四球摩擦磨損試驗(yàn)得出不同方案在各級荷載下的摩擦系數(shù)和磨斑直徑。為便于數(shù)據(jù)結(jié)果分析與處理，通過對試驗(yàn)結(jié)果的觀察，部分相鄰載荷下的摩擦系數(shù)相差不大，于是將相鄰的幾個級別載荷的摩擦系數(shù)合并計(jì)算，將10級載荷分為低、中、高3種載荷，將98～196N定義為低載荷，294～588N定義為中載荷，686～980N定義為高載荷，取各區(qū)間段摩擦系數(shù)的平均值，結(jié)果見表3。

表3 低、中、高3種載荷區(qū)間段摩擦系數(shù)的平均值

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別以5個因素為自變量，4個指標(biāo)為因變量，通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏最小二乘二次多項(xiàng)式回歸，其中用x1，x2，x3，x4，x5分別表示溫度值以及有機(jī)鉬添加劑A、有機(jī)鉬添加劑B、磷酸酯、含氮硼酸酯添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，y1，y2，y3，y4分別表示低載荷、中載荷、高載荷下的平均摩擦系數(shù)和磨斑直徑，得出一組回歸方程（回歸方程比較冗長復(fù)雜，在此不一一列出），并求得最優(yōu)條件，最優(yōu)條件：溫度為75℃，有機(jī)鉬添加劑A、有機(jī)鉬添加劑B和含氮硼酸酯在油品中的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%。

根據(jù)提取的潛變量個數(shù)不同，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后模型誤差平方和與相關(guān)系數(shù)見表4。從表4可以看出，當(dāng)潛變量數(shù)從1增大到5個時，誤差平方和逐漸減小，決定系數(shù)逐漸增大，當(dāng)潛變量數(shù)為5時，y1，y2，y3，y44個試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.940 1，0.985 7，0.975 4，0.946 1，都趨近于1，說明回歸模型均有較高的可信度和可行性。

表4 誤差平方和及決定系數(shù)R2

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏回歸系數(shù)的大小和符號可以判斷出試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度和正負(fù)效應(yīng)。表5列出了各個自變量主效應(yīng)對各個因變量的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)（其它交互效應(yīng)和二階效應(yīng)略去），通過標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的符號可以得出各因素對每個指標(biāo)的影響，表的縱列表示單個因素分別對低載荷、中載荷、高載荷下的摩擦系數(shù)和磨斑直徑的影響，表的橫行表示不同因素對單個指標(biāo)的影響，從標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的大小可得知因素對指標(biāo)影響的程度。從表5可以看出：①溫度對于中低載荷摩擦系數(shù)的影響為負(fù)效應(yīng)，即溫度越高，中低載荷摩擦系數(shù)越小，對于高載荷摩擦系數(shù)和磨斑直徑則為正效應(yīng)，即溫度越高，高載荷摩擦系數(shù)越大，磨斑直徑越大；②添加劑有機(jī)鉬添加劑A的加入量對于中低載荷摩擦系數(shù)的影響為負(fù)效應(yīng)，即隨著添加量的增加，中低載荷摩擦系數(shù)越小，對于高載荷摩擦系數(shù)和磨斑直徑則為正效應(yīng)，即隨著添加量的增加，高載荷摩擦系數(shù)越大，磨斑直徑越大；③添加劑有機(jī)鉬添加劑B的加入量對于各級載荷和磨斑直徑均為負(fù)效應(yīng)，即隨著添加量增加，摩擦系數(shù)越小，磨斑直徑越?。虎芴砑觿┝姿狨ズ团鹚狨γ總€指標(biāo)的影響一致，對于低載荷、高載荷和磨斑直徑為正效應(yīng)，即隨著添加量的增加，低、高載荷摩擦系數(shù)越大，磨斑直徑越大，對于中載荷則為負(fù)效應(yīng)，即隨著添加量增加，中載荷摩擦系數(shù)越?。虎萦袡C(jī)鉬添加劑A、有機(jī)鉬添加劑B、含氮硼酸酯、磷酸酯的加入量及溫度對低載荷下的摩擦系數(shù)的影響依次減??；⑥含氮硼酸酯、有機(jī)鉬添加劑B、磷酸酯、有機(jī)鉬添加劑A的加入量及溫度對中載荷下的摩擦系數(shù)的影響依次減小；⑦有機(jī)鉬添加劑B加入量、溫度、磷酸酯加入量、含氮硼酸酯加入量、有機(jī)鉬添加劑A加入量對高載荷下的摩擦系數(shù)的影響依次減?。虎鄿囟?、含氮硼酸酯加入量、有機(jī)鉬添加劑B加入量、有機(jī)鉬添加劑A加入量、磷酸酯加入量對磨斑直徑的影響依次減小。

表5 各個自變量對各個因變量主效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)

2.3 最優(yōu)配方驗(yàn)證

將2.2節(jié)中得到的最優(yōu)配方進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，最優(yōu)配方的試驗(yàn)指標(biāo)預(yù)測值與實(shí)測值對比見表6。從表6可以看出，最優(yōu)配方實(shí)測值相對于未加入減摩劑的空白柴油機(jī)油而言，摩擦系數(shù)和磨斑直徑均有大幅度降低，摩擦系數(shù)平均降低43.6%，磨斑直徑降低47.1%，同時，除中載荷下的摩擦系數(shù)外，其它各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測值與實(shí)測值都較接近。最優(yōu)配方中減摩劑產(chǎn)生了良好的減摩抗磨效果，同時添加劑總量是均勻設(shè)計(jì)中效果較好的幾組方案中最少的，說明用偏最小二乘回歸方法對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理是適合的。

表6 最優(yōu)配方驗(yàn)證結(jié)果

空白柴油機(jī)油與按最優(yōu)配方調(diào)制的柴油機(jī)油的摩擦系數(shù)變化見圖1。從圖1可以看出，在整個試驗(yàn)載荷下，與空白柴油機(jī)油相比，最優(yōu)配方柴油機(jī)油的摩擦系數(shù)大幅度減小，表明根據(jù)回歸方程計(jì)算得出的節(jié)能減摩添加劑最優(yōu)配方在柴油機(jī)油中能夠起到非常優(yōu)異的減摩效果。

圖1 空白柴油機(jī)油與最優(yōu)配方柴油機(jī)油的摩擦系數(shù)對比

3 結(jié) 論

CF－4 15W－40柴油機(jī)油的最優(yōu)減摩配方為：有機(jī)鉬添加劑A、有機(jī)鉬添加劑B和含氮硼酸酯在油品中的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%，該配方能夠有效降低摩擦，減小磨損，平均摩擦系數(shù)減小43.6%，磨斑直徑減小47.1%。

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