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(xué)機(jī)電學(xué)院）

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)摩擦部位的潤(rùn)滑狀況，減少摩擦帶來的損失，將是直接有效的降耗方式。對(duì)于乘用車而言，通過改進(jìn)潤(rùn)滑油配方、提升潤(rùn)滑油的品質(zhì)來改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性更具成本優(yōu)勢(shì)[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的過程中，主軸承部位主要處于彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)，而活塞-缸套、配氣機(jī)構(gòu)等則主要處于混合潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。對(duì)于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，降低潤(rùn)滑油黏度可有效減小摩擦阻力[3]。而對(duì)于混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，在機(jī)油中添加摩擦改進(jìn)劑則是更為有效的減磨方式[4]。文章采用SRV 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察參比油和試驗(yàn)油的摩擦磨損性能，并通過整車NEDC 油耗試驗(yàn)對(duì)不同配方油樣的降耗效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 摩擦改進(jìn)劑的作用機(jī)理

摩擦改進(jìn)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(tuán)通過物理或化學(xué)反應(yīng)吸附在金屬表面，形成類似緩沖墊的保護(hù)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(jìn)劑的作用機(jī)理。

圖1 摩擦改進(jìn)劑的作用機(jī)理

FM 品種繁多，常用的類型有脂肪酸、脂肪醇、脂肪胺、硫化動(dòng)植物油、有機(jī)鉬化合物等。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)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(jìn)劑Mo-FM，將其以不同比例分別加入0W20 黏度等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)油，調(diào)配成3 種試驗(yàn)油樣（其中1 種為空白對(duì)照）。通過SRV 摩擦磨損試驗(yàn)和整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)來研究摩擦改進(jìn)劑的摩擦磨損性能及其對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 SRV 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)設(shè)備選用SRV4 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。對(duì)磨試件選擇球和盤進(jìn)行對(duì)磨，接觸形式為點(diǎn)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(duì)磨盤的材料也是AISI 52100 鋼，洛氏硬度 HRC 為 62±1；試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備

整車油耗試驗(yàn)設(shè)備主要包括試驗(yàn)車、環(huán)境倉(cāng)、底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)等。試驗(yàn)車型為國(guó)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(yàn)車型相關(guān)性能參數(shù)

底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)主要由車輛對(duì)中裝置、轉(zhuǎn)鼓、輪胎固定裝置及冷風(fēng)機(jī)等組成。該系統(tǒng)能模擬整車道路試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)汽車驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力和輸出功率，評(píng)價(jià)汽車動(dòng)力性，也能監(jiān)測(cè)汽車滑行阻力。排氣分析系統(tǒng)主要由主機(jī)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(fēng)機(jī)及消聲器等組成。底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)與排放分析系統(tǒng)相互搭配，便能測(cè)試汽車的排放和油耗。而恒溫倉(cāng)主要由WEISS 環(huán)境倉(cāng)、廢氣排出系統(tǒng)、新鮮空氣補(bǔ)償系統(tǒng)、溫度和濕度控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。進(jìn)行整車油耗試驗(yàn)時(shí)，須在恒溫倉(cāng)中進(jìn)行6 h 以上的浸車處理，以控制試驗(yàn)初始油溫。

2.2 試驗(yàn)油樣

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

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)油樣配方和主要理化指標(biāo)

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 SRV 摩擦磨損試驗(yàn)

本試驗(yàn)在SRV 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，將油樣注入試驗(yàn)盤，將試驗(yàn)盤固定并使試件鋼球與其接觸。鋼球隨主軸一起進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)頻率為50 Hz，行程為1 mm，所加負(fù)荷為300 N，與試驗(yàn)盤相連的工作臺(tái)保持恒溫（50 ℃）。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)2 h。試驗(yàn)參數(shù)的控制和摩擦因數(shù)的采集均采用計(jì)算機(jī)專用軟件控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)盤總成的壓電傳感器測(cè)量摩擦力，測(cè)定和記錄整個(gè)試驗(yàn)過程的摩擦因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，取出球和盤，測(cè)定球和盤的磨痕直徑。

2.3.2 整車油耗試驗(yàn)

汽車燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12545.5—2008《汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)采用新歐洲測(cè)試循環(huán)工況（NewEuropean Driving Cycle，簡(jiǎn)稱NEDC），如圖2 所示，循環(huán)由4 個(gè)市區(qū)循環(huán)和1 個(gè)郊區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成[6]。

圖2 NEDC 測(cè)試循環(huán)工況

試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)車驅(qū)動(dòng)輪正確安裝在底盤測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上。測(cè)量汽車的相關(guān)參數(shù)，如胎壓、蓄電池電壓及機(jī)油溫度等，并做好相關(guān)記錄。駕駛員啟動(dòng)并控制試驗(yàn)車按照NEDC 循環(huán)工況要求的速度運(yùn)行。試驗(yàn)車的排氣進(jìn)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(diǎn)的碳?xì)浠衔锱c水蒸氣凝結(jié)，減少排氣各組分之間的反應(yīng)，使采樣氣體相對(duì)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(jìn)行分析，根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)過程中測(cè)得的采樣氣體濃度和氣體總體積，按照碳平衡法，便可計(jì)算出試驗(yàn)車氣體排放物的質(zhì)量，進(jìn)一步折算成整車100 km 油耗。

每種潤(rùn)滑油需要進(jìn)行至少5 次油耗試驗(yàn)，對(duì)綜合油耗結(jié)果進(jìn)行篩選，剔除異常數(shù)據(jù)后，至少應(yīng)有4 組有效數(shù)據(jù)，對(duì)有效數(shù)據(jù)求平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。1 種油樣完成多次油耗試驗(yàn)獲取有效數(shù)據(jù)后，換下一種油樣。油樣的試驗(yàn)順序?yàn)椋簠⒈扔汀囼?yàn)油1→參比油→試驗(yàn)油2→參比油→試驗(yàn)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(jī)油濾清器；2）更換某種測(cè)試油時(shí)，先用該款潤(rùn)滑油清洗發(fā)動(dòng)機(jī)2 次，即發(fā)動(dòng)機(jī)空擋以3 000 r/min運(yùn)行20 min 后排出，第3 次加注的機(jī)油用于油耗試驗(yàn)；3）為避免參比油試驗(yàn)周期過長(zhǎng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間偏差增大，故安排試驗(yàn)油和參比油連續(xù)交替開展測(cè)試，以驗(yàn)證試驗(yàn)油的降耗效果。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

2.4.1 SRV 摩擦學(xué)試驗(yàn)

圖3 示出整個(gè)SRV 試驗(yàn)過程中，各油樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。由圖3 可以看出，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)油3 與試驗(yàn)油2 的摩擦因數(shù)明顯比參比油和試驗(yàn)油1 低，說明Mo-FM可以減少摩擦。試驗(yàn)油3 比試驗(yàn)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(shí)刻的摩擦因數(shù)最大，原因是初始時(shí)刻由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦狀態(tài)。在初始時(shí)刻，試驗(yàn)油1 的摩擦因數(shù)略小于參比油，猜測(cè)是由于試驗(yàn)油1 的黏度比參比油低。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油和參比油的摩擦因數(shù)

表3 分別示出 SRV 摩擦磨損試驗(yàn)過程中第15，30，90，120 min 的摩擦因數(shù)值以及試驗(yàn)球的平均磨斑直徑。取試驗(yàn)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(yàn)油1 的平均摩擦因數(shù)均為0.159，試驗(yàn)油2 的平均摩擦因數(shù)為0.106，試驗(yàn)油3 的平均摩擦因數(shù)為0.101。參比油與試驗(yàn)油1 的平均磨斑直徑明顯比試驗(yàn)油2 和試驗(yàn)油3 的大，說明Mo-FM可明顯減少摩擦副的磨損，較好地保護(hù)摩擦副。試驗(yàn)油1 黏度較低且未添加摩擦改進(jìn)劑，因而平均磨斑直徑最高，為0.87 mm。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

2.4.2 整車油耗試驗(yàn)

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

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)油與參比油的整車油耗試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖4a 可以看出，試驗(yàn)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(jì)性提升效果最好。與參比油相比，試驗(yàn)油1 的降耗百分比為0.317%，說明低黏度潤(rùn)滑油可降低市區(qū)油耗。試驗(yàn)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(jì)性提升效果明顯。試驗(yàn)油3 的提升百分比比試驗(yàn)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(yàn)油與參比油的郊區(qū)油耗對(duì)比情況。從圖4b 可以看出，3 種試驗(yàn)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(rùn)滑油可提升郊區(qū)工況的燃油經(jīng)濟(jì)性，但摩擦改進(jìn)劑對(duì)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(diǎn)多數(shù)處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，在該狀態(tài)下摩擦改進(jìn)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(diǎn)大多處于邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦改進(jìn)劑在該狀態(tài)下的降耗效果更明顯。

圖4c 示出各試驗(yàn)油與參比油的綜合油耗對(duì)比。由圖4c 可知，與參比油相比，各試驗(yàn)油均有提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。其中，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(xiàn)來源于2 個(gè)方面：一是降低發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度可提升燃油經(jīng)濟(jì)性，二是摩擦改進(jìn)劑的抗磨減摩作用。降低黏度帶來的降耗效果為0.471%（試驗(yàn)油1），加入0.5%Mo-FM 帶來的降耗效果為0.251%（試驗(yàn)油2 與試驗(yàn)油1 相比），加入1%Mo-FM帶來的降耗效果為0.32%（試驗(yàn)油3 與試驗(yàn)油1 相比）。雖然降低潤(rùn)滑油黏度來提升燃油經(jīng)濟(jì)性的效果更加明顯，但是黏度降低會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短。在潤(rùn)滑油中添加摩擦改進(jìn)劑既可降低整車油耗，也能減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，是更經(jīng)濟(jì)有效的降耗方式。

3 結(jié)論

通過SRV 摩擦磨損試驗(yàn)可知：試驗(yàn)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(yàn)油2 的摩擦因數(shù)僅次于試驗(yàn)油3，平均摩擦因數(shù)為0.106，磨斑直徑為0.52 mm；試驗(yàn)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(duì)潤(rùn)滑油的摩擦磨損特性有改進(jìn)作用，且加入量越高，抗磨減摩效果越好。

使用NEDC 油耗試驗(yàn)驗(yàn)證各試驗(yàn)油在整車上的降耗效果。與參比油相比，試驗(yàn)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(rùn)滑油對(duì)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(jìn)劑對(duì)市區(qū)工況作用更為顯著，對(duì)郊區(qū)工況影響不明顯。試驗(yàn)油3 的降耗效果最好，即降低黏度同時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)與整車油耗試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)油降耗效果的考察方面，可將油品的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果作為篩選油品的輔助參考。