汽油機油的燃油經(jīng)濟性模擬試驗方法

郭偉，金志良，鄧永生，李旭，謝驚春，雷愛蓮

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)銷總量持續(xù)增長，2016年和2017年汽車銷量分別達到2802.8萬輛、2887.89萬輛，到2017年底，截至2017年，我國民用汽車保有量達到2.17 億輛，預計在未來一段時期，我國汽車保有量仍將持續(xù)增長，2020年將超過2.7億輛，由此帶來的能源供需矛盾將更加突出。

為應對全球性的資源短缺和氣候變暖，鞏固和提高汽車工業(yè)未來國際競爭力，歐美日等汽車工業(yè)發(fā)達國家都在采取積極措施，推動和促進汽車節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展、提高汽車燃料經(jīng)濟性水平，相繼完成新一輪針對2020年甚至更長遠的各年度乘用車燃料消耗量標準法規(guī)制定，對乘用車燃料消耗量及對應的CO2排放提出更加嚴格的要求。

隨著日漸苛刻的環(huán)保排放法規(guī)的發(fā)展，整車企業(yè)千方百計挖掘汽車各零部件的節(jié)能效果。潤滑油作為發(fā)動機流通的零部件，是發(fā)動機體內(nèi)流淌的“血液”，其對整車的節(jié)能減排的貢獻也至關重要，越來越受到國內(nèi)汽車廠商的關注。目前國內(nèi)OEM廠商越來越關注低黏度節(jié)能油品對整車的貢獻，節(jié)能汽油機油也將是我國未來潤滑油的發(fā)展趨勢。

在節(jié)能減排大環(huán)境和減少污染物排放對我國環(huán)境影響的情況下，自2017年1月1日起，在全國實施第五階段國家機動車排放標準，逐步淘汰不符合國Ⅴ排放標準的乘用車，自2018年1月1日起，所有輕型汽車都要符合國Ⅴ標準要求。為緊跟歐美日等發(fā)達國家排放法規(guī)的發(fā)展，2016年12月23日，國家正式發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 18352.6-2016)，堪稱史上最苛刻的排放標準，而國Ⅵ的制定基本上延續(xù)歐洲排放法規(guī)，協(xié)調(diào)全球技術(shù)法規(guī)，融合美國排放法規(guī)，同時根據(jù)實際國情和實施的可行性，提出了第六階段的輕型汽車排放標準的要求，國Ⅵ在國Ⅴ標準上提出更加嚴格的排放標準。其中國Ⅵ包含國Ⅵa和國Ⅵb，該標準分兩階段進行，其中國Ⅵa階段在2020年7月1日實施，國Ⅵb階段在2023年7月1日實施，北京、上海、廣州等一線城市可能提前實施國Ⅵb。

1 ILSAC GF-5節(jié)能油規(guī)格和程序ⅥD臺架介紹

自1992年，國際潤滑油標準審查委員會(ILSAC)開始發(fā)布GF系列節(jié)能汽油機油規(guī)格，目前最新規(guī)格為2009年發(fā)布的GF-5規(guī)格，規(guī)定用程序ⅥD來評價油品的燃油經(jīng)濟性。表1為ILSAC規(guī)格油品的通過指標，其中FEI1為油品在程序ⅥD發(fā)動機上按照制定工況運行16 h后測得的節(jié)油率，相當于實際行車3200 km后的節(jié)油率，F(xiàn)EI2表示油品運行100 h后(16 h后再運行84 h)的節(jié)油率，相當于實際行車10400 km后的節(jié)油率。由表1可知，GF-5規(guī)格更注重燃油經(jīng)濟性的保持性，其沒有規(guī)定FEI1的通過指標，但對FEI2和FEI1+FEI2提出了嚴格要求。FEI2是油品通過程序ⅥD臺架的關鍵，因為FEI2代表油品使用10400 km后的節(jié)能效果，考察的是油品節(jié)能的保持性，很多油品新油節(jié)能效果很好(FEI1節(jié)油率較高)，但經(jīng)過程序ⅥD臺架100 h老化后因FEI2節(jié)油率較差而無法通過，因此，GF-5規(guī)格對油品節(jié)能的保持性有非常苛刻的要求。據(jù)國外研究統(tǒng)計，程序ⅥD臺架的通過率僅為20%～30%，為GF-5汽油機油規(guī)格中通過率最低、難度最大的臺架。

表1 ILSAC GF-5汽油機油節(jié)能臺架要求 %

2 汽油機油減摩節(jié)能原理

目前，汽油機油的減摩節(jié)能途徑主要有兩點。一是降低油品黏度，減小流體潤滑條件下的摩擦損失，如發(fā)動機滑動軸承以及部分活塞環(huán)/缸套間的潤滑；二是在油品中添加減摩劑，降低混合/邊界潤滑條件下的摩擦損失，如閥系和活塞環(huán)/缸套的潤滑。其中，減摩劑作用機理主要有形成物理吸附膜和化學反應膜。

物理吸附膜主要有長鏈羧酸、酯、醚、胺、胺基化合物、酰亞胺。溶解在油中的摩擦改進劑借助分子的極性基團吸著在金屬表面，碳氫長鏈溶解在油中，垂直于金屬表面，導致出現(xiàn)摩擦改進劑分子的多層基體。

化學反應膜主要有飽和脂肪酸、磷酸和硫代磷酸及含硫脂肪酸。其機理基本與抗磨劑相似，添加劑與金屬表面反應形成保護膜，從而減少摩擦。但兩者最根本的區(qū)別在于摩擦改進劑的化學反應膜出現(xiàn)在混合潤滑狀態(tài)較溫和的負載、溫度條件下，要求摩擦改進劑的化學活性相當高。

3 試驗部分

3.1 MTM介紹

在球盤上進行牽引試驗的測試設備，稱為微型牽引力機(MTM)。MTM試驗機如圖1所示。其中設備試驗件是由鋼球和鋼盤組成，球和盤通過直流伺服電機和驅(qū)動器獨立驅(qū)動，以實現(xiàn)在不同滑滾比(SRR)下的高精確速度控制，兩種試驗件安裝在不銹鋼流體浴槽中，加熱器和熱電偶的冷控制試驗油的溫度，盤由固定的垂直軸/驅(qū)動系統(tǒng)支撐，球支撐在萬向節(jié)上，其中一個軸垂直于負載方向，另一個軸垂直于牽引力方向，使得它可以圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)。

圖1 MTM微牽引力試驗機

MTM試驗機可以同時模擬流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑狀態(tài)，該試驗機可用于高檔內(nèi)燃機油的燃油經(jīng)濟性測量，主要手段是通過該設備測量油品在不同潤滑條件下的Stribeck曲線，見圖2，通過觀察摩擦系數(shù)進而反映油品的黏度以及減摩劑對減摩效果的影響。本試驗是利用MTM試驗機探索一種理想的試驗條件，能夠最大限度區(qū)分不同油品的摩擦系數(shù)，為臺架ⅥD試驗做初步的油品篩選，同時考察MTM模擬試驗和ⅥD臺架試驗的對應性，臺架ⅥD考察的是減摩劑在邊界潤滑條件下減摩性能的保持性，因此本研究更關注Stribeck曲線的邊界摩擦系數(shù)。

圖2 Stribeck曲線

3.2 試驗條件篩選

選擇程序ⅥD臺架參比油541和1010開發(fā)油品，參比油的程序ⅥD臺架結(jié)果見表2。

表2 程序ⅥD臺架參比油燃油性提高 %

利用MTM試驗機在不同溫度、負載和滑滾條件下考察參比油541和1010的Stribeck曲線，試驗條件如下所示，

溫度：T1、T2、T3、T4；

負載：L1、L2、L3；

滑滾比：S1、S2、S3；

速度：3000～10 mm/s。

圖3分別是541和1010在T1、T2、T3、T4下的Stribeck曲線。由圖3可知，在T4溫度下，541和1010在邊界潤滑條件下的區(qū)分性最明顯，分別約為0.12和0.08。因此，確定試驗溫度為T4，此溫度也與缸套活塞環(huán)摩擦副處機油溫度接近。

圖3 不同溫度試驗結(jié)果

圖4分別是T4下541和1010在L1、L2、L3條件下的Stribeck曲線。由圖4可知，在負荷為L3時，541和1010在邊界潤滑條件下的區(qū)分性最明顯。因此，確定試驗負荷為L3。

圖4 不同負荷試驗結(jié)果

圖5是在負載L3，溫度T4，滑滾比S1、S2、S3的牽引力系數(shù)。由圖5可知，在滑滾比為S2時，541和1010在邊界潤滑條件下的區(qū)分性最明顯。因此，確定試驗滑滾比為S2。

圖5 不同滑滾比試驗結(jié)果

綜上，確定試驗條件為溫度T4，負載L3，滑滾比S2。

4 試驗結(jié)果分析討論

4.1 試驗條件對程序ⅥD臺架試驗評價結(jié)果

表3是程序ⅥD臺架試驗油結(jié)果，A、B、C是程序ⅥD臺架未通過油，D、E、F是程序ⅥD臺架通過油，其中試驗油E黏度級別為5W-20，其余A、B、C、D、F均為5W-30試驗油，本次試驗利用在MTM微牽引力試驗機上篩選出的試驗條件，考察程序ⅥD臺架試驗油的節(jié)能效果。

表3 程序ⅥD臺架試驗油測試結(jié)果 %

表3(續(xù))

圖6是試驗油A、B、C、D、E、F在MTM上結(jié)果。從圖中可以看出，開發(fā)的試驗條件對試驗油有較好的區(qū)分性，在邊界潤滑區(qū)域，未通過油A、B、C摩擦系數(shù)要比通過油D、E、F大許多，這與程序ⅥD臺架數(shù)據(jù)結(jié)果相對應。

圖6 不同試驗油的MTM結(jié)果

4.2 試驗油在MTM上穩(wěn)定性分析

為更好地考察試驗油在邊界潤滑條件下的減摩穩(wěn)定性，設定溫度T4，負載L3，恒速50 mm/s，時間1 h，考察程序ⅥD臺架試驗油的減摩穩(wěn)定性分析，圖7是此次結(jié)果。

圖7 不同試驗油MTM的穩(wěn)定性分析結(jié)果

從圖7中可以看到，程序ⅥD臺架通過油D、E、F的減摩穩(wěn)定性較好，在極短時間內(nèi)摩擦系數(shù)就達到穩(wěn)定值；而程序ⅥD未通過油A、B、C穩(wěn)定性較差，尤其試驗油A、B變化幅度較大，同時A、B、C在1 h時還未達到穩(wěn)定值。

4.3 MTM試驗件的電鏡分析

對上述MTM試驗后的試驗件鋼盤磨斑表面用掃描電鏡進行分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同試驗油的MTM試驗鋼盤磨痕掃描電鏡

從圖8中可以看出，試驗油A、B、C的試驗鋼盤都有較深的磨痕，劃痕較粗并且分布不均；而試驗油D、E、F的試驗鋼盤相比A、B、C，其劃痕相對細密較均勻。

5 結(jié)論

(1)利用MTM試驗機建立了模擬程序ⅥD節(jié)能測試方法，在負載L3，SRR為S2，溫度T4條件下模擬了發(fā)動機三大主要摩擦副的潤滑狀態(tài)，對不同F(xiàn)EI節(jié)能率的試驗油在邊界潤滑條件下有良好的區(qū)分性；

(2)建立的模擬試驗方法與程序ⅥD臺架有較好的對應性，程序ⅥD臺架通過油邊界摩擦系數(shù)均比程序ⅥD臺架未通過油摩擦系數(shù)低；

(3)程序ⅥD臺架通過油的減摩穩(wěn)定性好，且在極短時間內(nèi)達到穩(wěn)定值，程序ⅥD臺架未通過油相比之下結(jié)果比較差；

(4)程序ⅥD試驗通過油D、E、F的磨斑比未通過油A、B、C的分布更均勻且細密。