摩擦改進劑對汽油機油摩擦性能的影響

張 春 輝

（中國石化潤滑油有限公司，北京100085）

摩擦改進劑對汽油機油摩擦性能的影響

張 春 輝

（中國石化潤滑油有限公司，北京100085）

采用SRV摩擦磨損試驗機、HFRR高頻往復試驗儀對GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油機油加入有機鉬型和胺類有機化合物摩擦改進劑后在不同試驗條件下的摩擦磨損性能進行考察；通過發(fā)動機扭矩試驗進一步驗證加入摩擦改進劑后汽油機油在發(fā)動機上的實際扭矩變化，確定摩擦改進劑對汽油機油摩擦性能的改善效果。結果表明：采用SRV摩擦磨損試驗機、HFRR高頻往復試驗儀能夠區(qū)分不同摩擦改進劑的性能差異；摩擦改進劑的適量加入可以降低汽油機油摩擦試驗的摩擦因數(shù)，降低發(fā)動機的摩擦磨損和扭矩，改善汽油機油的燃油經(jīng)濟性。SRV及HFRR模擬試驗結果與發(fā)動機扭矩試驗結果具有較好的一致性。

摩擦改進劑 汽油機油 燃油經(jīng)濟性 一致性

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車保有量急劇增加，各國政府、車企及車主都越來越關注燃油消耗問題，節(jié)能減排成為汽車工業(yè)發(fā)展的推動力。各國乘用車油耗標準紛紛出臺，如美國的平均燃油經(jīng)濟性CAFE（Corporate Average Fuel Economy）標準、日本的《能源使用合理化法》轎車能源利用效率考核標準、中國的GB 19578《乘用車燃料消耗量限值》標準等。為了降低乘用車的燃油消耗，汽車設計者采用更低摩擦的活塞設計技術以及采用滾動氣門閥系設計代替滑動閥系設計等途徑進行整車油耗的改進［1］。同時汽車廠還希望借助使用節(jié)能效果更好的汽油機油進一步提升燃油經(jīng)濟性。除降低汽油機油黏度外［2－3］，如何選用摩擦改進劑來改善燃油經(jīng)濟性也成為汽油機油節(jié)能研究的焦點。本研究采用SRV摩擦磨損試驗機、HFRR高頻往復試驗儀對GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油機油加入有機鉬型和胺類有機化合物摩擦改進劑后在不同試驗條件下的摩擦磨損性能進行考察。

1 實 驗

1.1 實驗室模擬試驗

SRV摩擦磨損試驗機、HFRR高頻往復試驗儀可模擬發(fā)動機缸套－活塞（環(huán)）等部件的往復運動，因此采用SRV及HFRR模擬試驗考察發(fā)動機油對球－盤摩擦副往復運動試驗的摩擦因數(shù)及磨損情況的影響。

1.1.1 SRV摩擦磨損試驗機摩擦副鋼球，AISI 52100鋼，硬度60±2；盤，AISI 52100鋼，硬度62±1；主要試驗條件：沖程1mm，頻率50，25，17 Hz（發(fā)動機轉速在實際運轉過程中是一個變化量，參考ASTM 5707方法將發(fā)動機轉速換算成相應的試驗振動頻率），載荷300，200，100N，機油溫度50，80，120℃，試驗時間2h。

1.1.2 HFRR高頻往復試驗儀摩擦副鋼球，AISI E－52100鋼，硬度58～66；盤，AISI E－52100鋼；主要試驗條件：沖程1mm，頻率50、20Hz，載荷200N，機油溫度115℃，試驗時間90min。

1.2 發(fā)動機臺架試驗

1.2.1 日系發(fā)動機扭矩試驗采用日系T發(fā)動機（排量1.3L，凸輪機構采用滾輪從動件）以及N發(fā)動機（排量3.0L，凸輪機構為滑動組件）進行發(fā)動機扭矩試驗，發(fā)動機轉速700～2 400r/min，機油溫度80、100℃。采用試驗油作沖洗油進行試驗前期的沖洗，測量發(fā)動機的扭矩并計算扭矩降低比例。

1.2.2 歐系增壓直噴發(fā)動機扭矩試驗歐系增壓直噴發(fā)動機為1.6L直列四缸直噴并帶渦輪增壓和進氣可變氣門正時（VVT）發(fā)動機，發(fā)動機轉速750～5 000r/min，機油溫度35，50，80，115℃。采用試驗油作沖洗油進行試驗前期的沖洗，測量不同溫度及發(fā)動機轉速條件下發(fā)動機油相對參比油的扭矩差。

1.3 試驗油品

選擇GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30發(fā)動機油為基礎油，在保持基礎油、功能主劑、高溫高剪切黏度盡可能一致的前提下，加入不同類型的摩擦改進劑（FM1－1、FM1－2為不同結構的有機鉬型摩擦改進劑，F(xiàn)M2為胺類有機化合物摩擦改進劑），考察不同摩擦改進劑對汽油機油摩擦性能的影響及在發(fā)動機臺架試驗上的燃油經(jīng)濟性。表1、表2分別為以GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30為基礎油的油品編號及主要理化性能。

表1 以GF－5 0W－20為基礎油的油品編號及主要理化性能

表2 以A5/B5 0W－30為基礎油的油品編號及主要理化性能

2 結果與討論

2.1 模擬試驗

2.1.1 SRV模擬試驗GF－5 0W－20油品的SRV模擬試驗結果見表3。從表3可以看出：①在其它試驗條件相同的情況下，載荷從300N降低到100 N，試驗的摩擦因數(shù)呈降低的趨勢；同時，隨載荷降低，試驗鋼球的磨斑直徑呈降低的趨勢，說明載荷較小時摩擦副磨損也較小。②GF－5 0W－20基礎油中加入0.750%和0.075%FM1－1的5號、5－2號油品和加入0.500%FM2的6號油品，在其它條件相同的情況下，隨著試驗溫度的升高，摩擦因數(shù)有上升的趨勢，但90～120min試驗后期摩擦因數(shù)差異縮小，同時，隨著溫度的升高，試驗鋼球的磨斑直徑呈上升的趨勢，說明摩擦副的磨損隨試驗溫度的升高呈增加的趨勢；與5－2號和6號油品相比，5號油品試驗的摩擦因數(shù)明顯偏低，可能是因為5號油品中FM1－1添加量較大；另外，5號油品在試驗溫度為50，80，120℃時，試驗的摩擦因數(shù)雖有差異但不明顯，而試驗鋼球的磨斑直徑基本不受試驗溫度的影響。說明有機鉬型摩擦改進劑可以很好地保護摩擦副，即使機油溫度升高，摩擦副磨損也不會有明顯的增加。③加入FM2后，試驗的摩擦因數(shù)雖普遍降低，但程度較小，加入FM1－1后，低比例和高比例的加入量都可以明顯降低試驗的摩擦因數(shù)，高比例加入量試驗的摩擦因數(shù)降低程度更大。因此，從摩擦副的磨損來看，有機鉬型摩擦改進劑和胺類有機化合物摩擦改進劑都能夠有效降低摩擦副的磨損，其中有機鉬型摩擦改進劑的效果更明顯。

2.1.2 HFRR模擬試驗GF－5 0W－20油品在不同頻率條件下的HFRR模擬試驗結果見表4。從表4可以看出：4號油品（高黏度指數(shù)）與1號油品（低黏度指數(shù)）HFRR低頻率模擬試驗的摩擦因數(shù)沒有差異，加入FM1－1的5號油品和加入FM2的6號油品都可降低試驗的摩擦因數(shù)；在高頻率時有機鉬型摩擦改進劑（5號油品）的相對節(jié)能率更高，而胺類有機化合物摩擦改進劑（6號）在不同試驗頻率時的相對節(jié)能率差異不大。

A5/B5 0W－30油品的HFRR模擬試驗結果見表5。從表5可以看出：與8號、9號油品相比，7號油品的HFRR試驗鋼球的磨斑直徑和試驗的平均摩擦因數(shù)明顯偏大，說明添加摩擦改進劑后可以同時降低摩擦副的磨損和試驗的摩擦因數(shù)；對比8號、9號油品可以看出，8號油品試驗的摩擦因數(shù)明顯低于9號油品試驗的摩擦因數(shù)，說明8號、9號油品均具有降低試驗摩擦因數(shù)改善燃油經(jīng)濟性的效果，但8號油品（加入FM1－2）對燃油經(jīng)濟性能的改善效果優(yōu)于9號油品（加入FM2）。

表3 GF－5 0W－20油品的SRV模擬試驗結果

表4 GF－5 0W－20在不同頻率下的HFRR模擬試驗結果

表5 A5/B5 0W－30油品的HFRR模擬試驗結果

2.2 發(fā)動機扭矩試驗

2.2.1 日系發(fā)動機扭矩試驗對GF－5 0W－20油品進行日系T和N發(fā)動機扭矩試驗，試驗中測量發(fā)動機的扭矩，然后依據(jù)各自的參比油計算扭矩降低比例來確定油品的燃油經(jīng)濟性（節(jié)油效率）能改善效果。兩款發(fā)動機的扭矩試驗結果分別見表6和表7。從表6可以看出：①對于T發(fā)動機，1～5號油品與同質量級別GF－5 5W－30參比油相比都可明顯降低發(fā)動機的扭矩，即可顯著提高燃油經(jīng)濟性，當機油溫度為80℃時在低轉速下節(jié)油效果尤為明顯；②5個油品在80℃時綜合節(jié)油效率由高到低的順序為：5號＞3號≈4號＞2號＞1號；在100℃時，綜合節(jié)油效率由高到低的順序為：5號＞3號＞2號＞4號＞1號；③隨著發(fā)動機轉速的升高，1號、4號油品的相對節(jié)油效率在機油溫度為100℃和80℃的條件下出現(xiàn)了不同的變化趨勢，前者為先上升后下降，而后者為下降的趨勢。從表7可以看出：①對于N發(fā)動機，相對于1號參比油，2號、3號、5號油品具有降低扭矩的效果，且隨著發(fā)動機轉速的降低，燃油效率明顯提升，尤其在100℃條件下燃油效率提高顯著；80℃時，綜合節(jié)油效率由高到低的順序為：3號＞5號≈2號；100℃時，綜合節(jié)油效率由高到低的順序為：5號＞2號＞3號，說明提高黏度指數(shù)和加入摩擦改進劑都可以降低發(fā)動機的扭矩，進而提高燃油效率。②隨著機油溫度從80℃上升到100℃，加入FM1－1的2號油品較加入FM2的3號油品的扭矩降低比例大。相比T發(fā)動機的試驗結果，有機鉬型摩擦改進劑FM1－1在N發(fā)動機上會明顯提升油品在100℃、低轉速工況（700～1 200r/min）下的燃油經(jīng)濟性。

表6 試驗油品在日系T發(fā)動機上的扭矩試驗結果

表7 試驗油品在日系N發(fā)動機上的扭矩試驗結果

2.2.2 歐系發(fā)動機扭矩試驗在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動機上進行8號、9號A5/B50W－30油品與參比油A5/B5 0W－30的扭矩對比試驗，結果見圖1和圖2。扭矩差相對值＝（參比油平均扭矩—試驗油扭矩）/參比油平均扭矩，扭矩差值越大，說明試驗油品降低發(fā)動機扭矩的能力越強，提高燃油經(jīng)濟性效果越好。從圖1可以看出：8號油品在35℃和50℃工況下，扭矩降低1%～2%；80℃工況下，發(fā)動機轉速低于1 500r/min時扭矩微幅增大，發(fā)動機轉速高于1 500r/min時扭矩降低（降低1%～2%）；在115℃工況下，發(fā)動機轉速低于2 500r/min時，扭矩增加，最大增加6%，但當轉速在2 500r/min以上時試驗油品又能起到降低扭矩的效果。說明在35，50，80℃條件下，有機鉬型摩擦改進劑能夠降低發(fā)動機扭矩，提升燃油經(jīng)濟性。從圖2可以看出：9號油品在35℃工況下，扭矩降低1%～1.5%；在50℃工況下，轉速低于2 500r/min時扭矩微幅增大，轉速高于2 500 r/min時扭矩小幅降低；在80℃和115℃工況下，扭矩增加1.5%～9%。上述結果中除了35℃工況下提升了燃油經(jīng)濟性外，在其它溫度工況下，9號油品的燃油經(jīng)濟性均比參比油稍差。對比圖1和圖2可以看出，8號油品在35，50，80，115℃工況下的試驗結果優(yōu)于9號油品的試驗結果，說明有機鉬型摩擦改進劑在高溫工況下的性能優(yōu)于胺類有機化合物摩擦改進劑。一般認為含鉬的摩擦改進劑有利于減少邊界摩擦［4－6］，這在一定程度上能夠解釋為什么在高溫工況下，添加有機鉬型摩擦改進劑的油品在扭矩試驗中更有優(yōu)勢、 燃油經(jīng)濟性更優(yōu)。

圖1 8號油品在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動機上的扭矩試驗結果

圖2 9號油品在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動機上的扭矩試驗結果

3 結 論

（1）SRV模擬試驗結果表明，有機鉬型摩擦改進劑和胺類有機化合物摩擦改進劑都能夠有效降低摩擦副的磨損，其中有機鉬型摩擦改進劑的效果更明顯。

（2）HFRR模擬試驗結果表明，加入有機鉬型摩擦改進劑的油品在高頻率時降低試驗的摩擦因數(shù)效果更為突出，加入有機鉬型和胺類有機化合物摩擦改進劑都可同時降低試驗的摩擦因數(shù)、減小摩擦副的磨損，有機鉬型摩擦改進劑的減摩效果優(yōu)于胺類有機化合物的減摩效果。

（3）日系T和N發(fā)動機扭矩試驗結果表明，提高油品黏度指數(shù)或加入摩擦改進劑都可降低發(fā)動機扭矩，提升燃油效率。在100℃、低轉速工況下，在日系T發(fā)動機試驗中，加入胺類有機化合物摩擦改進劑的油品降低發(fā)動機扭矩效果要好于加入有機鉬型摩擦改進劑的油品；而在日系N發(fā)動機試驗中，兩種油品的表現(xiàn)效果相反。這可能與T發(fā)動機凸輪機構采用滾輪從動件而N發(fā)動機凸輪機構為滑動組件有關，說明發(fā)動機的構造不同，摩擦改進劑作用的效果也會出現(xiàn)差異。

（4）在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動機上對A5/B5 0W－30油品的考察結果表明，加入有機鉬型摩擦改進劑的油品發(fā)動機扭矩降低效果比加入胺類有機化合物摩擦改進劑的油品明顯，且隨著溫度升高，降低扭矩的效果更加突出。

（5）SRV及HFRR模擬試驗結果與日系、歐系發(fā)動機扭矩試驗結果具有較好的一致性。SRV及HFRR模擬試驗可以作為節(jié)能配方篩選的有效試驗手段。

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EFFECT OF FRICTION MODIFIER ON FRICTION PERFORMANCE OF GASOLINE ENGINE OIL

Zhang Chunhui
（SINOPEC Lubricant Co.Ltd.，Beijing100085）

The friction and wear behavior of GF－5 0W－20engine oil，A5/B5 0W－30engine oil with organic molybdenum FM or organic amine FM were measured by SRV friction and wear test machine and high frequency reciprocating rig（HFRR）under different conditions.The results were verified by engine torque test after addition of FM.The test results show that FM’s friction performance can be distinguished by SRV and HFRR；the addition of appropriate amount of FM can reduce the friction coefficient of gasoline engine，engine friction loss and torque，improve the fuel economy.The results of SRV and HFRR test are well consistent with the results of engine torque test.

friction modifier；gasoline engine oil；fuel economy；consistency

2016－09－30；修改稿收到日期：2016－12－20。

張春輝，博士，教授級高級工程師，主要從事潤滑油的研究及技術管理工作。

張春輝，E－mail：zhangchh.lube＠sinopec.com。