張 春 輝

（中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司，北京100085）

摩擦改進(jìn)劑對(duì)汽油機(jī)油摩擦性能的影響

張 春 輝

（中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司，北京100085）

采用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)儀對(duì)GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油機(jī)油加入有機(jī)鉬型和胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑后在不同試驗(yàn)條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行考察；通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證加入摩擦改進(jìn)劑后汽油機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際扭矩變化，確定摩擦改進(jìn)劑對(duì)汽油機(jī)油摩擦性能的改善效果。結(jié)果表明：采用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)儀能夠區(qū)分不同摩擦改進(jìn)劑的性能差異；摩擦改進(jìn)劑的適量加入可以降低汽油機(jī)油摩擦試驗(yàn)的摩擦因數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦磨損和扭矩，改善汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性。SRV及HFRR模擬試驗(yàn)結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

摩擦改進(jìn)劑 汽油機(jī)油 燃油經(jīng)濟(jì)性 一致性

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)保有量急劇增加，各國(guó)政府、車(chē)企及車(chē)主都越來(lái)越關(guān)注燃油消耗問(wèn)題，節(jié)能減排成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力。各國(guó)乘用車(chē)油耗標(biāo)準(zhǔn)紛紛出臺(tái)，如美國(guó)的平均燃油經(jīng)濟(jì)性CAFE（Corporate Average Fuel Economy）標(biāo)準(zhǔn)、日本的《能源使用合理化法》轎車(chē)能源利用效率考核標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)的GB 19578《乘用車(chē)燃料消耗量限值》標(biāo)準(zhǔn)等。為了降低乘用車(chē)的燃油消耗，汽車(chē)設(shè)計(jì)者采用更低摩擦的活塞設(shè)計(jì)技術(shù)以及采用滾動(dòng)氣門(mén)閥系設(shè)計(jì)代替滑動(dòng)閥系設(shè)計(jì)等途徑進(jìn)行整車(chē)油耗的改進(jìn)［1］。同時(shí)汽車(chē)廠還希望借助使用節(jié)能效果更好的汽油機(jī)油進(jìn)一步提升燃油經(jīng)濟(jì)性。除降低汽油機(jī)油黏度外［2－3］，如何選用摩擦改進(jìn)劑來(lái)改善燃油經(jīng)濟(jì)性也成為汽油機(jī)油節(jié)能研究的焦點(diǎn)。本研究采用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)儀對(duì)GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油機(jī)油加入有機(jī)鉬型和胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑后在不同試驗(yàn)條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行考察。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)儀可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸套－活塞（環(huán)）等部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此采用SRV及HFRR模擬試驗(yàn)考察發(fā)動(dòng)機(jī)油對(duì)球－盤(pán)摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)的摩擦因數(shù)及磨損情況的影響。

1.1.1 SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦副鋼球，AISI 52100鋼，硬度60±2；盤(pán)，AISI 52100鋼，硬度62±1；主要試驗(yàn)條件：沖程1mm，頻率50，25，17 Hz（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是一個(gè)變化量，參考ASTM 5707方法將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速換算成相應(yīng)的試驗(yàn)振動(dòng)頻率），載荷300，200，100N，機(jī)油溫度50，80，120℃，試驗(yàn)時(shí)間2h。

1.1.2 HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)儀摩擦副鋼球，AISI E－52100鋼，硬度58～66；盤(pán)，AISI E－52100鋼；主要試驗(yàn)條件：沖程1mm，頻率50、20Hz，載荷200N，機(jī)油溫度115℃，試驗(yàn)時(shí)間90min。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

1.2.1 日系發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)采用日系T發(fā)動(dòng)機(jī)（排量1.3L，凸輪機(jī)構(gòu)采用滾輪從動(dòng)件）以及N發(fā)動(dòng)機(jī)（排量3.0L，凸輪機(jī)構(gòu)為滑動(dòng)組件）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速700～2 400r/min，機(jī)油溫度80、100℃。采用試驗(yàn)油作沖洗油進(jìn)行試驗(yàn)前期的沖洗，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩并計(jì)算扭矩降低比例。

1.2.2 歐系增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)歐系增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為1.6L直列四缸直噴并帶渦輪增壓和進(jìn)氣可變氣門(mén)正時(shí)（VVT）發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速750～5 000r/min，機(jī)油溫度35，50，80，115℃。采用試驗(yàn)油作沖洗油進(jìn)行試驗(yàn)前期的沖洗，測(cè)量不同溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)油相對(duì)參比油的扭矩差。

1.3 試驗(yàn)油品

選擇GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30發(fā)動(dòng)機(jī)油為基礎(chǔ)油，在保持基礎(chǔ)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(lèi)型的摩擦改進(jìn)劑（FM1－1、FM1－2為不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑，F(xiàn)M2為胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑），考察不同摩擦改進(jìn)劑對(duì)汽油機(jī)油摩擦性能的影響及在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)上的燃油經(jīng)濟(jì)性。表1、表2分別為以GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30為基礎(chǔ)油的油品編號(hào)及主要理化性能。

表1 以GF－5 0W－20為基礎(chǔ)油的油品編號(hào)及主要理化性能

表2 以A5/B5 0W－30為基礎(chǔ)油的油品編號(hào)及主要理化性能

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬試驗(yàn)

2.1.1 SRV模擬試驗(yàn)GF－5 0W－20油品的SRV模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出：①在其它試驗(yàn)條件相同的情況下，載荷從300N降低到100 N，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)呈降低的趨勢(shì)；同時(shí)，隨載荷降低，試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明載荷較小時(shí)摩擦副磨損也較小。②GF－5 0W－20基礎(chǔ)油中加入0.750%和0.075%FM1－1的5號(hào)、5－2號(hào)油品和加入0.500%FM2的6號(hào)油品，在其它條件相同的情況下，隨著試驗(yàn)溫度的升高，摩擦因數(shù)有上升的趨勢(shì)，但90～120min試驗(yàn)后期摩擦因數(shù)差異縮小，同時(shí)，隨著溫度的升高，試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑呈上升的趨勢(shì)，說(shuō)明摩擦副的磨損隨試驗(yàn)溫度的升高呈增加的趨勢(shì)；與5－2號(hào)和6號(hào)油品相比，5號(hào)油品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)明顯偏低，可能是因?yàn)?號(hào)油品中FM1－1添加量較大；另外，5號(hào)油品在試驗(yàn)溫度為50，80，120℃時(shí)，試驗(yàn)的摩擦因數(shù)雖有差異但不明顯，而試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑基本不受試驗(yàn)溫度的影響。說(shuō)明有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑可以很好地保護(hù)摩擦副，即使機(jī)油溫度升高，摩擦副磨損也不會(huì)有明顯的增加。③加入FM2后，試驗(yàn)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(yàn)的摩擦因數(shù)，高比例加入量試驗(yàn)的摩擦因數(shù)降低程度更大。因此，從摩擦副的磨損來(lái)看，有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑和胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑都能夠有效降低摩擦副的磨損，其中有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑的效果更明顯。

2.1.2 HFRR模擬試驗(yàn)GF－5 0W－20油品在不同頻率條件下的HFRR模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出：4號(hào)油品（高黏度指數(shù)）與1號(hào)油品（低黏度指數(shù)）HFRR低頻率模擬試驗(yàn)的摩擦因數(shù)沒(méi)有差異，加入FM1－1的5號(hào)油品和加入FM2的6號(hào)油品都可降低試驗(yàn)的摩擦因數(shù)；在高頻率時(shí)有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑（5號(hào)油品）的相對(duì)節(jié)能率更高，而胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑（6號(hào)）在不同試驗(yàn)頻率時(shí)的相對(duì)節(jié)能率差異不大。

A5/B5 0W－30油品的HFRR模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出：與8號(hào)、9號(hào)油品相比，7號(hào)油品的HFRR試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑和試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)明顯偏大，說(shuō)明添加摩擦改進(jìn)劑后可以同時(shí)降低摩擦副的磨損和試驗(yàn)的摩擦因數(shù)；對(duì)比8號(hào)、9號(hào)油品可以看出，8號(hào)油品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)明顯低于9號(hào)油品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)，說(shuō)明8號(hào)、9號(hào)油品均具有降低試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的效果，但8號(hào)油品（加入FM1－2）對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性能的改善效果優(yōu)于9號(hào)油品（加入FM2）。

表3 GF－5 0W－20油品的SRV模擬試驗(yàn)結(jié)果

表4 GF－5 0W－20在不同頻率下的HFRR模擬試驗(yàn)結(jié)果

表5 A5/B5 0W－30油品的HFRR模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)

2.2.1 日系發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)對(duì)GF－5 0W－20油品進(jìn)行日系T和N發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)，試驗(yàn)中測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，然后依據(jù)各自的參比油計(jì)算扭矩降低比例來(lái)確定油品的燃油經(jīng)濟(jì)性（節(jié)油效率）能改善效果。兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表6和表7。從表6可以看出：①對(duì)于T發(fā)動(dòng)機(jī)，1～5號(hào)油品與同質(zhì)量級(jí)別GF－5 5W－30參比油相比都可明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，即可顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)機(jī)油溫度為80℃時(shí)在低轉(zhuǎn)速下節(jié)油效果尤為明顯；②5個(gè)油品在80℃時(shí)綜合節(jié)油效率由高到低的順序?yàn)椋?號(hào)＞3號(hào)≈4號(hào)＞2號(hào)＞1號(hào)；在100℃時(shí)，綜合節(jié)油效率由高到低的順序?yàn)椋?號(hào)＞3號(hào)＞2號(hào)＞4號(hào)＞1號(hào)；③隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，1號(hào)、4號(hào)油品的相對(duì)節(jié)油效率在機(jī)油溫度為100℃和80℃的條件下出現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)，前者為先上升后下降，而后者為下降的趨勢(shì)。從表7可以看出：①對(duì)于N發(fā)動(dòng)機(jī)，相對(duì)于1號(hào)參比油，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)油品具有降低扭矩的效果，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)，綜合節(jié)油效率由高到低的順序?yàn)椋?號(hào)＞5號(hào)≈2號(hào)；100℃時(shí)，綜合節(jié)油效率由高到低的順序?yàn)椋?號(hào)＞2號(hào)＞3號(hào)，說(shuō)明提高黏度指數(shù)和加入摩擦改進(jìn)劑都可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，進(jìn)而提高燃油效率。②隨著機(jī)油溫度從80℃上升到100℃，加入FM1－1的2號(hào)油品較加入FM2的3號(hào)油品的扭矩降低比例大。相比T發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑FM1－1在N發(fā)動(dòng)機(jī)上會(huì)明顯提升油品在100℃、低轉(zhuǎn)速工況（700～1 200r/min）下的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表6 試驗(yàn)油品在日系T發(fā)動(dòng)機(jī)上的扭矩試驗(yàn)結(jié)果

表7 試驗(yàn)油品在日系N發(fā)動(dòng)機(jī)上的扭矩試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 歐系發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行8號(hào)、9號(hào)A5/B50W－30油品與參比油A5/B5 0W－30的扭矩對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。扭矩差相對(duì)值＝（參比油平均扭矩—試驗(yàn)油扭矩）/參比油平均扭矩，扭矩差值越大，說(shuō)明試驗(yàn)油品降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的能力越強(qiáng)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性效果越好。從圖1可以看出：8號(hào)油品在35℃和50℃工況下，扭矩降低1%～2%；80℃工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 500r/min時(shí)扭矩微幅增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 500r/min時(shí)扭矩降低（降低1%～2%）；在115℃工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 500r/min時(shí)，扭矩增加，最大增加6%，但當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 500r/min以上時(shí)試驗(yàn)油品又能起到降低扭矩的效果。說(shuō)明在35，50，80℃條件下，有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。從圖2可以看出：9號(hào)油品在35℃工況下，扭矩降低1%～1.5%；在50℃工況下，轉(zhuǎn)速低于2 500r/min時(shí)扭矩微幅增大，轉(zhuǎn)速高于2 500 r/min時(shí)扭矩小幅降低；在80℃和115℃工況下，扭矩增加1.5%～9%。上述結(jié)果中除了35℃工況下提升了燃油經(jīng)濟(jì)性外，在其它溫度工況下，9號(hào)油品的燃油經(jīng)濟(jì)性均比參比油稍差。對(duì)比圖1和圖2可以看出，8號(hào)油品在35，50，80，115℃工況下的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于9號(hào)油品的試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑在高溫工況下的性能優(yōu)于胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑。一般認(rèn)為含鉬的摩擦改進(jìn)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(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑的油品在扭矩試驗(yàn)中更有優(yōu)勢(shì)、 燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖1 8號(hào)油品在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的扭矩試驗(yàn)結(jié)果

圖2 9號(hào)油品在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的扭矩試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）SRV模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑和胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑都能夠有效降低摩擦副的磨損，其中有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑的效果更明顯。

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

（3）日系T和N發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)結(jié)果表明，提高油品黏度指數(shù)或加入摩擦改進(jìn)劑都可降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，提升燃油效率。在100℃、低轉(zhuǎn)速工況下，在日系T發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，加入胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)劑的油品降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩效果要好于加入有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑的油品；而在日系N發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，兩種油品的表現(xiàn)效果相反。這可能與T發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)采用滾輪從動(dòng)件而N發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)為滑動(dòng)組件有關(guān)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造不同，摩擦改進(jìn)劑作用的效果也會(huì)出現(xiàn)差異。

（4）在歐系1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)A5/B5 0W－30油品的考察結(jié)果表明，加入有機(jī)鉬型摩擦改進(jìn)劑的油品發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低效果比加入胺類(lèi)有機(jī)化合物摩擦改進(jìn)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(yàn)結(jié)果與日系、歐系發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。SRV及HFRR模擬試驗(yàn)可以作為節(jié)能配方篩選的有效試驗(yàn)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(jí)高級(jí)工程師，主要從事潤(rùn)滑油的研究及技術(shù)管理工作。

張春輝，E－mail：zhangchh.lube＠sinopec.com。