減摩劑在柴油機油中的復配性能研究

熊 云，楊 律，2，劉 曉，李 易

（1.解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶401311；2.75752部隊；3.太平洋聯合（北京）石油化工有限公司）

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車保有量也在大幅度增加，而從2005年開始實施《乘用車燃料消耗量限值》的強制性國家標準，使得有效改善汽車燃油經濟性、降低汽車燃油消耗已成為汽車制造工業和相關產業迫切需要解決的技術難題。在燃料的燃燒效能達到一定程度后，發動機節能性能的發揮主要依賴于潤滑油的減摩性能。已有的研究結果表明［1－2］，汽車燃料做功釋放的能量中有20%～25%被零部件間的摩擦所消耗，其中缸套與活塞和活塞環之間的摩擦損失占總摩擦損失的45%～55%，氣閥機構消耗占7%～15%，連桿軸承消耗占20%～30%。發動機不同部件間的摩擦方式不同，隨著發動機技術的發展，其中的邊界和混合摩擦所占比例越來越大，因此，從發動機節能臺架試驗程序ⅥB到程序ⅥD，邊界和混合潤滑所占的比例也越來越大，減摩劑在提高燃料經濟性方面的作用也越來越明顯［3］。減摩劑大致可以分為兩類：一類是有機金屬化合物，如有機鉬、有機銅、有機銻等，近些年關于有機鉬添加劑的研究較多［4－7］，另一類是無灰型有機化合物，包括脂肪酸、醇、酯及其衍生物，脂肪胺及其衍生物［8］，近些年關于硼酸酯的研究較多［9－13］。一般無灰型的減摩劑主要依靠極性基團在摩擦副表面的物理或化學吸附來減小摩擦，當溫度超過其臨界溫度時，添加劑會從摩擦副表面脫附，從而使摩擦系數增大，其作用溫度較低。而有機金屬化合物則主要通過與摩擦副表面發生化學反應，生成化學反應膜來減小摩擦，使摩擦系數下降，其作用溫度較高。當兩類添加劑的復配協同作用發揮良好時，在邊界潤滑和混合潤滑狀態下，在全溫度范圍內形成良好的邊界潤滑膜，從而有效地減小摩擦，降低磨損。

均勻設計是一種適合多因素多水平的試驗設計方法［14］，其與正交試驗設計的“均勻分散，整齊可比”的特點相比，去除“整齊可比”的要求，但數據點的分布更加均勻分散，同時相對于正交試驗設計n2次試驗（n為水平數）而言，均勻設計可用較少的試驗次數完成復雜的科研試驗，加快研究進度，尤其在水平數較多的情況下，效果更加明顯。本課題使用均勻設計法考察減摩劑在柴油機油中的復配性，通過回歸分析和偏最小二乘法尋找減摩劑在柴油機油中的最優配方，并對最優配方進行驗證。

1 實 驗

1.1 試驗油和添加劑

潤滑油為 CF－4 15W－40柴油機油，東風油品集團生產；添加劑為有機鉬添加劑A，有機鉬添加劑B，磷酸酯，含氮硼酸酯，均為市售產品。

1.2 減摩抗磨性能測試設備與方法

1.2.1 試驗設備與材料 濟南試驗機廠生產的MMW－1型立式萬能摩擦磨損試驗機，所用鋼球為上海軸承廠生產，直徑12.7mm，符合GB/T 308—2002，Ⅱ級軸承鋼球，材料為GCrl5，硬度HRC為64～66。1.2.2 試驗方法 試驗前，將鋼球浸入石油醚中，用超聲波清洗機清洗10min，參考SH/T 0762—2005試驗方法，確定試驗轉速為600r/min；從98N開始，每隔10min增加載荷98N，逐級加至980N或出現摩擦力急劇增大時停止。取每級10min內摩擦系數的平均值為此載荷下的摩擦系數。試驗結束后，用讀數顯微鏡測量底球的磨斑直徑，以3個底球磨斑直徑的算術平均值來表征抗磨性能，以摩擦系數的變化來評價減摩能力。

1.3 減摩添加劑復配方案的均勻設計

潤滑油中不同的添加劑之間存在相互作用，包括協同作用和對抗作用等，通過單劑篩選，從常用的減摩添加劑中選出4種在柴油機油中減摩效果好的添加劑，以溫度和4種減摩劑的添加量為因素，考察4種減摩劑的復配方案，其中溫度取4個水平，有機鉬添加劑A和有機鉬添加劑B的添加量取4個水平，考慮到無灰型減摩劑的用量范圍較寬，磷酸酯和含氮硼酸酯的添加量分別取6個水平，具體水平取值見表1。

表1 各因素的水平范圍

采用擬水平的混合水平法，用DPS數據處理系統構造了U12（43×62）均勻設計表。DPS數據處理系統是浙江大學唐啟義教授開發的一款用于實驗設計、統計分析和數據挖掘的應用軟件，具有數值計算、統計分析、建立數學模型等功能，操作簡單方便，人機界面靈活。均勻設計表如表2所示。

表2 均勻設計表

2 結果與討論

2.1 試驗指標測定結果

按照表2所示方案配制試樣，通過四球摩擦磨損試驗得出不同方案在各級荷載下的摩擦系數和磨斑直徑。為便于數據結果分析與處理，通過對試驗結果的觀察，部分相鄰載荷下的摩擦系數相差不大，于是將相鄰的幾個級別載荷的摩擦系數合并計算，將10級載荷分為低、中、高3種載荷，將98～196N定義為低載荷，294～588N定義為中載荷，686～980N定義為高載荷，取各區間段摩擦系數的平均值，結果見表3。

表3 低、中、高3種載荷區間段摩擦系數的平均值

2.2 試驗結果分析

分別以5個因素為自變量，4個指標為因變量，通過DPS數據處理系統對均勻設計試驗數據進行偏最小二乘二次多項式回歸，其中用x1，x2，x3，x4，x5分別表示溫度值以及有機鉬添加劑A、有機鉬添加劑B、磷酸酯、含氮硼酸酯添加的質量分數，y1，y2，y3，y4分別表示低載荷、中載荷、高載荷下的平均摩擦系數和磨斑直徑，得出一組回歸方程（回歸方程比較冗長復雜，在此不一一列出），并求得最優條件，最優條件：溫度為75℃，有機鉬添加劑A、有機鉬添加劑B和含氮硼酸酯在油品中的添加質量分數分別為0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%。

根據提取的潛變量個數不同，數據標準化后模型誤差平方和與相關系數見表4。從表4可以看出，當潛變量數從1增大到5個時，誤差平方和逐漸減小，決定系數逐漸增大，當潛變量數為5時，y1，y2，y3，y44個試驗指標的回歸方程的相關系數R2分別為0.940 1，0.985 7，0.975 4，0.946 1，都趨近于1，說明回歸模型均有較高的可信度和可行性。

表4 誤差平方和及決定系數R2

根據標準偏回歸系數的大小和符號可以判斷出試驗因素對試驗指標的影響程度和正負效應。表5列出了各個自變量主效應對各個因變量的標準回歸系數（其它交互效應和二階效應略去），通過標準回歸系數的符號可以得出各因素對每個指標的影響，表的縱列表示單個因素分別對低載荷、中載荷、高載荷下的摩擦系數和磨斑直徑的影響，表的橫行表示不同因素對單個指標的影響，從標準回歸系數的大小可得知因素對指標影響的程度。從表5可以看出：①溫度對于中低載荷摩擦系數的影響為負效應，即溫度越高，中低載荷摩擦系數越小，對于高載荷摩擦系數和磨斑直徑則為正效應，即溫度越高，高載荷摩擦系數越大，磨斑直徑越大；②添加劑有機鉬添加劑A的加入量對于中低載荷摩擦系數的影響為負效應，即隨著添加量的增加，中低載荷摩擦系數越小，對于高載荷摩擦系數和磨斑直徑則為正效應，即隨著添加量的增加，高載荷摩擦系數越大，磨斑直徑越大；③添加劑有機鉬添加劑B的加入量對于各級載荷和磨斑直徑均為負效應，即隨著添加量增加，摩擦系數越小，磨斑直徑越小；④添加劑磷酸酯和硼酸酯對每個指標的影響一致，對于低載荷、高載荷和磨斑直徑為正效應，即隨著添加量的增加，低、高載荷摩擦系數越大，磨斑直徑越大，對于中載荷則為負效應，即隨著添加量增加，中載荷摩擦系數越小；⑤有機鉬添加劑A、有機鉬添加劑B、含氮硼酸酯、磷酸酯的加入量及溫度對低載荷下的摩擦系數的影響依次減小；⑥含氮硼酸酯、有機鉬添加劑B、磷酸酯、有機鉬添加劑A的加入量及溫度對中載荷下的摩擦系數的影響依次減小；⑦有機鉬添加劑B加入量、溫度、磷酸酯加入量、含氮硼酸酯加入量、有機鉬添加劑A加入量對高載荷下的摩擦系數的影響依次減小；⑧溫度、含氮硼酸酯加入量、有機鉬添加劑B加入量、有機鉬添加劑A加入量、磷酸酯加入量對磨斑直徑的影響依次減小。

表5 各個自變量對各個因變量主效應的標準回歸系數

2.3 最優配方驗證

將2.2節中得到的最優配方進行驗證試驗，最優配方的試驗指標預測值與實測值對比見表6。從表6可以看出，最優配方實測值相對于未加入減摩劑的空白柴油機油而言，摩擦系數和磨斑直徑均有大幅度降低，摩擦系數平均降低43.6%，磨斑直徑降低47.1%，同時，除中載荷下的摩擦系數外，其它各項指標的預測值與實測值都較接近。最優配方中減摩劑產生了良好的減摩抗磨效果，同時添加劑總量是均勻設計中效果較好的幾組方案中最少的，說明用偏最小二乘回歸方法對數據結果的處理是適合的。

表6 最優配方驗證結果

空白柴油機油與按最優配方調制的柴油機油的摩擦系數變化見圖1。從圖1可以看出，在整個試驗載荷下，與空白柴油機油相比，最優配方柴油機油的摩擦系數大幅度減小，表明根據回歸方程計算得出的節能減摩添加劑最優配方在柴油機油中能夠起到非常優異的減摩效果。

圖1 空白柴油機油與最優配方柴油機油的摩擦系數對比

3 結 論

CF－4 15W－40柴油機油的最優減摩配方為：有機鉬添加劑A、有機鉬添加劑B和含氮硼酸酯在油品中的添加質量分數分別為0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%，該配方能夠有效降低摩擦，減小磨損，平均摩擦系數減小43.6%，磨斑直徑減小47.1%。

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