汽油機油的燃油經濟性模擬試驗方法

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中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著我國汽車工業發展迅速，產銷總量持續增長，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未來國際競爭力，歐美日等汽車工業發達國家都在采取積極措施，推動和促進汽車節能減排技術的發展、提高汽車燃料經濟性水平，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。

隨著日漸苛刻的環保排放法規的發展，整車企業千方百計挖掘汽車各零部件的節能效果。潤滑油作為發動機流通的零部件，是發動機體內流淌的“血液”，其對整車的節能減排的貢獻也至關重要，越來越受到國內汽車廠商的關注。目前國內OEM廠商越來越關注低黏度節能油品對整車的貢獻，節能汽油機油也將是我國未來潤滑油的發展趨勢。

在節能減排大環境和減少污染物排放對我國環境影響的情況下，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。為緊跟歐美日等發達國家排放法規的發展，2016年12月23日，國家正式發布了《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的制定基本上延續歐洲排放法規，協調全球技術法規，融合美國排放法規，同時根據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節能油規格和程序ⅥD臺架介紹

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

表1 ILSAC GF-5汽油機油節能臺架要求 %

2 汽油機油減摩節能原理

目前，汽油機油的減摩節能途徑主要有兩點。一是降低油品黏度，減小流體潤滑條件下的摩擦損失，如發動機滑動軸承以及部分活塞環/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/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。但兩者最根本的區別在于摩擦改進劑的化學反應膜出現在混合潤滑狀態較溫和的負載、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動器獨立驅動，以實現在不同滑滾比(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/驅動系統支撐，球支撐在萬向節上，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。

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，該試驗機可用于高檔內燃機油的燃油經濟性測量，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，能夠最大限度區分不同油品的摩擦系數，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。

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開發油品，參比油的程序ⅥD臺架結果見表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摩擦副處機油溫度接近。

圖3 不同溫度試驗結果

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分性最明顯。因此，確定試驗負荷為L3。

圖4 不同負荷試驗結果

圖5是在負載L3，溫度T4，滑滾比S1、S2、S3的牽引力系數。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 不同滑滾比試驗結果

綜上，確定試驗條件為溫度T4，負載L3，滑滾比S2。

4 試驗結果分析討論

4.1 試驗條件對程序ⅥD臺架試驗評價結果

表3是程序ⅥD臺架試驗油結果，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臺架試驗油的節能效果。

表3 程序ⅥD臺架試驗油測試結果 %

表3(續)

圖6是試驗油A、B、C、D、E、F在MTM上結果。從圖中可以看出，開發的試驗條件對試驗油有較好的區分性，在邊界潤滑區域，未通過油A、B、C摩擦系數要比通過油D、E、F大許多，這與程序ⅥD臺架數據結果相對應。

圖6 不同試驗油的MTM結果

4.2 試驗油在MTM上穩定性分析

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定性分析，圖7是此次結果。

圖7 不同試驗油MTM的穩定性分析結果

從圖7中可以看到，程序ⅥD臺架通過油D、E、F的減摩穩定性較好，在極短時間內摩擦系數就達到穩定值；而程序ⅥD未通過油A、B、C穩定性較差，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 結論

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

(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均比程序ⅥD臺架未通過油摩擦系數低；

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

(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。