發(fā)動機油摩擦磨損性能及其對整車油耗的影響

高勇 吳慶林 洪葉

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司；2.武漢理工大學機電學院）

發(fā)動機在工作狀態(tài)下，其零部件的總摩擦損失約占燃料燃燒釋放能量的20%～25%[1]。因此，通過改善發(fā)動機摩擦部位的潤滑狀況，減少摩擦帶來的損失，將是直接有效的降耗方式。對于乘用車而言，通過改進潤滑油配方、提升潤滑油的品質(zhì)來改善整車燃油經(jīng)濟性更具成本優(yōu)勢[2]。發(fā)動機在工作的過程中，主軸承部位主要處于彈性流體潤滑狀態(tài)，而活塞-缸套、配氣機構(gòu)等則主要處于混合潤滑或邊界潤滑狀態(tài)。對于流體潤滑狀態(tài)，降低潤滑油黏度可有效減小摩擦阻力[3]。而對于混合潤滑和邊界潤滑狀態(tài)，在機油中添加摩擦改進劑則是更為有效的減磨方式[4]。文章采用SRV 摩擦磨損試驗機考察參比油和試驗油的摩擦磨損性能，并通過整車NEDC 油耗試驗對不同配方油樣的降耗效果進行驗證。

1 摩擦改進劑的作用機理

摩擦改進劑FM（Friction Modifier）是一種含有極性基的添加劑，可改變基體表面的摩擦性能。FM中的極性基團通過物理或化學反應吸附在金屬表面，形成類似緩沖墊的保護膜把金屬分開，防止金屬直接接觸，從而減少摩擦及磨損[5]。FM在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)下減摩效果尤為顯著。圖1 示出摩擦改進劑的作用機理。

圖1 摩擦改進劑的作用機理

FM 品種繁多，常用的類型有脂肪酸、脂肪醇、脂肪胺、硫化動植物油、有機鉬化合物等。為響應國家節(jié)能減排的號召，新型FM的研發(fā)也發(fā)展迅速。文章選用一種鉬基摩擦改進劑Mo-FM，將其以不同比例分別加入0W20 黏度等級的發(fā)動機油，調(diào)配成3 種試驗油樣（其中1 種為空白對照）。通過SRV 摩擦磨損試驗和整車燃油經(jīng)濟性試驗來研究摩擦改進劑的摩擦磨損性能及其對整車燃油經(jīng)濟性的影響。

2 試驗部分

2.1 試驗設備

2.1.1 SRV 摩擦磨損試驗機

試驗設備選用SRV4 型摩擦磨損試驗機。對磨試件選擇球和盤進行對磨，接觸形式為點接觸。摩擦副鋼球的材料是AISI 52100 鋼，洛氏硬度HRC 為60±2，直徑為10 mm；對磨盤的材料也是AISI 52100 鋼，洛氏硬度 HRC 為 62±1；試驗盤直徑為（24±0.5）mm，厚度為（7.8±0.1）mm。

2.1.2 整車油耗試驗設備

整車油耗試驗設備主要包括試驗車、環(huán)境倉、底盤測功機系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)等。試驗車型為國內(nèi)某汽車企業(yè)自主開發(fā)的SUV 車型，其相關(guān)性能參數(shù)，如表1所示。

表1 整車油耗試驗車型相關(guān)性能參數(shù)

底盤測功機系統(tǒng)主要由車輛對中裝置、轉(zhuǎn)鼓、輪胎固定裝置及冷風機等組成。該系統(tǒng)能模擬整車道路試驗，監(jiān)測汽車驅(qū)動輪的驅(qū)動力和輸出功率，評價汽車動力性，也能監(jiān)測汽車滑行阻力。排氣分析系統(tǒng)主要由主機控制單元、HORIB 7200H 排放分析儀、稀釋通道、定容采樣系統(tǒng)、氣袋采樣單元、鼓風機及消聲器等組成。底盤測功機系統(tǒng)與排放分析系統(tǒng)相互搭配，便能測試汽車的排放和油耗。而恒溫倉主要由WEISS 環(huán)境倉、廢氣排出系統(tǒng)、新鮮空氣補償系統(tǒng)、溫度和濕度控制系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)等組成。進行整車油耗試驗時，須在恒溫倉中進行6 h 以上的浸車處理，以控制試驗初始油溫。

2.2 試驗油樣

本研究選取待提升燃油經(jīng)濟性能的參比油5W30作為對照，將調(diào)整黏度以及配方后的4 份油樣作為試驗對象，研究其摩擦學性能及燃油經(jīng)濟性的提升效果。各油樣的配方和主要理化指標，如表2 所示。

表2 發(fā)動機油樣配方和主要理化指標

2.3 試驗方法

2.3.1 SRV 摩擦磨損試驗

本試驗在SRV 試驗機上進行。試驗時，將油樣注入試驗盤，將試驗盤固定并使試件鋼球與其接觸。鋼球隨主軸一起進行往復運動。運動頻率為50 Hz，行程為1 mm，所加負荷為300 N，與試驗盤相連的工作臺保持恒溫（50 ℃）。試驗時長2 h。試驗參數(shù)的控制和摩擦因數(shù)的采集均采用計算機專用軟件控制系統(tǒng)，通過試驗盤總成的壓電傳感器測量摩擦力，測定和記錄整個試驗過程的摩擦因數(shù)。試驗結(jié)束后，取出球和盤，測定球和盤的磨痕直徑。

2.3.2 整車油耗試驗

汽車燃油經(jīng)濟性測試方法參照國家標準GB/T 12545.5—2008《汽車燃料消耗量試驗方法》。試驗采用新歐洲測試循環(huán)工況（NewEuropean Driving Cycle，簡稱NEDC），如圖2 所示，循環(huán)由4 個市區(qū)循環(huán)和1 個郊區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)組成[6]。

圖2 NEDC 測試循環(huán)工況

試驗時，將試驗車驅(qū)動輪正確安裝在底盤測功機的轉(zhuǎn)鼓上。測量汽車的相關(guān)參數(shù)，如胎壓、蓄電池電壓及機油溫度等，并做好相關(guān)記錄。駕駛員啟動并控制試驗車按照NEDC 循環(huán)工況要求的速度運行。試驗車的排氣進入氣體稀釋通道并與環(huán)境空氣混合稀釋。稀釋的目的是防止采樣系統(tǒng)中高沸點的碳氫化合物與水蒸氣凝結(jié)，減少排氣各組分之間的反應，使采樣氣體相對穩(wěn)定。定容采樣系統(tǒng)按照排氣與空氣的定容積比連續(xù)收集樣氣，并通過排放分析儀系統(tǒng)進行分析，根據(jù)整個試驗循環(huán)過程中測得的采樣氣體濃度和氣體總體積，按照碳平衡法，便可計算出試驗車氣體排放物的質(zhì)量，進一步折算成整車100 km 油耗。

每種潤滑油需要進行至少5 次油耗試驗，對綜合油耗結(jié)果進行篩選，剔除異常數(shù)據(jù)后，至少應有4 組有效數(shù)據(jù)，對有效數(shù)據(jù)求平均值、標準差。1 種油樣完成多次油耗試驗獲取有效數(shù)據(jù)后，換下一種油樣。油樣的試驗順序為：參比油→試驗油1→參比油→試驗油2→參比油→試驗油3。

每次換油的過程中，需注意：1）每換一種新油均需更換新的機油濾清器；2）更換某種測試油時，先用該款潤滑油清洗發(fā)動機2 次，即發(fā)動機空擋以3 000 r/min運行20 min 后排出，第3 次加注的機油用于油耗試驗；3）為避免參比油試驗周期過長導致數(shù)據(jù)之間偏差增大，故安排試驗油和參比油連續(xù)交替開展測試，以驗證試驗油的降耗效果。

2.4 試驗結(jié)論

2.4.1 SRV 摩擦學試驗

圖3 示出整個SRV 試驗過程中，各油樣的摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線。由圖3 可以看出，試驗過程中試驗油3 與試驗油2 的摩擦因數(shù)明顯比參比油和試驗油1 低，說明Mo-FM可以減少摩擦。試驗油3 比試驗油2 的摩擦因數(shù)略小，即加入1%Mo-FM 比加入0.5%Mo-FM所獲得的減摩效果略好，但不甚明顯，說明Mo-FM加入量與減摩提升效果并非成正比關(guān)系。曲線在零時刻的摩擦因數(shù)最大，原因是初始時刻由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ翣顟B(tài)。在初始時刻，試驗油1 的摩擦因數(shù)略小于參比油，猜測是由于試驗油1 的黏度比參比油低。

圖3 發(fā)動機試驗油和參比油的摩擦因數(shù)

表3 分別示出 SRV 摩擦磨損試驗過程中第15，30，90，120 min 的摩擦因數(shù)值以及試驗球的平均磨斑直徑。取試驗穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)作為平均摩擦因數(shù)，則參比油與試驗油1 的平均摩擦因數(shù)均為0.159，試驗油2 的平均摩擦因數(shù)為0.106，試驗油3 的平均摩擦因數(shù)為0.101。參比油與試驗油1 的平均磨斑直徑明顯比試驗油2 和試驗油3 的大，說明Mo-FM可明顯減少摩擦副的磨損，較好地保護摩擦副。試驗油1 黏度較低且未添加摩擦改進劑，因而平均磨斑直徑最高，為0.87 mm。試驗油3 的平均磨斑直徑最小，為0.51 mm。

表3 不同油品SRV 摩擦磨損試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

2.4.2 整車油耗試驗

對每種油樣測得的4 組有效油耗數(shù)據(jù)求平均值，得到下列試驗結(jié)果。圖4 示出3 種試驗油分別與其前組參比油的油耗對比。

圖4 發(fā)動機試驗油與參比油的整車油耗試驗結(jié)果對比

由圖4a 可以看出，試驗油3 可使整車油耗降低0.1 L/100 km，降耗百分比為1.054%，燃油經(jīng)濟性提升效果最好。與參比油相比，試驗油1 的降耗百分比為0.317%，說明低黏度潤滑油可降低市區(qū)油耗。試驗油2可降低市區(qū)油耗0.08 L/100 km，降耗百分比為0.834%，燃油經(jīng)濟性提升效果明顯。試驗油3 的提升百分比比試驗油2 高，說明加入1%Mo-FM比加入0.5%Mo-FM的減磨降耗效果更好。

圖4b 示出試驗油與參比油的郊區(qū)油耗對比情況。從圖4b 可以看出，3 種試驗油均可降低郊區(qū)油耗0.04 L/100 km，降耗百分比分別為0.677%，0.687%，0.68%。說明低黏度潤滑油可提升郊區(qū)工況的燃油經(jīng)濟性，但摩擦改進劑對郊區(qū)工況的油耗沒有顯著影響。這是由于郊區(qū)工況平均速度較市區(qū)工況高，其工況點多數(shù)處于流體潤滑狀態(tài)，在該狀態(tài)下摩擦改進劑的作用不明顯，黏度降低帶來的油耗提升效果更為顯著。市區(qū)工況點大多處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)，摩擦改進劑在該狀態(tài)下的降耗效果更明顯。

圖4c 示出各試驗油與參比油的綜合油耗對比。由圖4c 可知，與參比油相比，各試驗油均有提升整車燃油經(jīng)濟性的效果。其中，試驗油3 的降耗效果最好，可降低油耗0.057 L/100 km，降低百分比為0.791%。試驗油2 的降耗效果次之，其可降低油耗0.052 L/100 km，降耗百分比為0.722%。試驗油1 可以降低燃油消耗0.034 L/100 km，降低百分比為0.471%。降耗貢獻來源于2 個方面：一是降低發(fā)動機油黏度可提升燃油經(jīng)濟性，二是摩擦改進劑的抗磨減摩作用。降低黏度帶來的降耗效果為0.471%（試驗油1），加入0.5%Mo-FM 帶來的降耗效果為0.251%（試驗油2 與試驗油1 相比），加入1%Mo-FM帶來的降耗效果為0.32%（試驗油3 與試驗油1 相比）。雖然降低潤滑油黏度來提升燃油經(jīng)濟性的效果更加明顯，但是黏度降低會導致發(fā)動機壽命縮短。在潤滑油中添加摩擦改進劑既可降低整車油耗，也能減少發(fā)動機磨損，是更經(jīng)濟有效的降耗方式。

3 結(jié)論

通過SRV 摩擦磨損試驗可知：試驗油3 的摩擦因數(shù)和磨斑直徑均最小，平均摩擦因數(shù)為0.101，磨斑直徑為0.51 mm；試驗油2 的摩擦因數(shù)僅次于試驗油3，平均摩擦因數(shù)為0.106，磨斑直徑為0.52 mm；試驗油1與參比油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑較大，平均摩擦因數(shù)均為0.159，磨斑直徑分別為0.87 mm 和0.84 mm。證明Mo-FM對潤滑油的摩擦磨損特性有改進作用，且加入量越高，抗磨減摩效果越好。

使用NEDC 油耗試驗驗證各試驗油在整車上的降耗效果。與參比油相比，試驗油的市區(qū)油耗均有不同程度的提升，而郊區(qū)油耗提升的程度幾乎相同。說明低黏度潤滑油對市區(qū)和郊區(qū)工況均有降耗作用，郊區(qū)工況降耗效果更為明顯。而摩擦改進劑對市區(qū)工況作用更為顯著，對郊區(qū)工況影響不明顯。試驗油3 的降耗效果最好，即降低黏度同時添加1%Mo-FM可降低綜合油耗0.057 L/100 km，降低百分比為0.791%。

SRV 試驗數(shù)據(jù)與整車油耗試驗結(jié)果具有較好的一致性。因此，在發(fā)動機油降耗效果的考察方面，可將油品的摩擦磨損試驗結(jié)果作為篩選油品的輔助參考。