减摩剂对汽油机油节能减摩性能影响研究

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（中国石油兰州油研究开发中心，甘肃 兰州 730060）

摘要：简要介绍了油节能减摩技术，并利用油摩擦系数测定试验法和程序ⅥA台架对汽油机油的节能减摩性能进行了研究，分别讨论了油品粘度和摩擦改进剂对油节能减摩技术的影响。

关键词：油；摩擦系数；摩擦改进剂

中图分类号：TE626.32 文献标识码：A

0 前言

近年来,由于世界范围的石油短缺和燃料价格的上涨，燃料经济性已成为国际性热点话题之一，另外由于还涉及到自然资源和环境保护等问题,车辆的燃料效率也越来越引起人们的普遍关注。美国共同平均燃料经济性（CAFE）要求汽车要有高的燃料经济性，立法要求美国的汽车燃料经济性指标1990年为8.6 L/100 km，到2003年时将提高到6.7 L/100 km；而日本则提出2010年的汽车燃料经济性要比1995年提高23%，达到6.6 L/100 km的指标要求；欧盟也正在研究如何满足2008年6 L/100 km的汽车燃料经济性指标。我国也已将节能和环保问题列入了可持续发展计划之中。

提高燃料经济性可通过改进发动机设计、提高燃料质量、改善发动机油性能等途径实现。研究表明，燃料燃烧所产生的有效能量60％损失在气缸冷却和排气过程中，只有40％提供给动力。其中提供给动力的有效能量25％损失在摩擦中[1]。由此可见，提高发动机油性能，减少摩擦损失是提高燃料经济性的有效途径之一。

1 油节能评定

油节能评定早在70年代美国就开始用ASTM 5车法评价内燃机油的燃油经济性能，该法是使用轿车或轻型卡车在底盘测功机试验台上完成的。美国石油学会（API）于1983年提出了“节能油”级别：EC-Ⅰ（与参考油比较，降低油耗不低于1.5％）和EC－Ⅱ（与参考油比较，降低油耗不低于2.7％）。并为此建立了评价汽油机油节能效果的发动机试验台架――MS程序Ⅵ，该方法代替了5车法试验。MS程序Ⅵ试验法试验费用低、精密度高、更加客观地评定油的燃料经济性能。近年来随着发动机的不断发展，美国和日本共同成立的“国际剂认可与标准化委员会”（ILSAC），对认可的发动机油要求必须达到节能指标。1996年MS程序Ⅵ升级到ⅥA（ILSAC GF-2），最近又升级到ⅥB（ILSAC GF-3）。ⅥB包括用于确定燃料经济性以及燃料经济性维持能力的16 h和80 h的油老化阶段，更注重评估车辆在行驶6437~9656 km（4000～6000 mile）间的排放和燃料经济性。在欧洲，CEC开发的燃料经济性试验是使用DBM111发动机的ACEA A1和B1规格[2]。因此，开展汽油机油节能减摩性能研究具有非常重要的意义。

2 油节能减摩技术

2．1 油节能技术简介

有文献报道[3]，从发动机油配方分析，改善、减少摩擦的主要途径有两种：流体（常见于轴承）为决定因素时，可使用低运动粘度发动机油（如SAE 0W、5W/20、30），通过降低粘度级别来减少流体动力学阻力。这时基础油的选择至关重要，油品的运动粘度、粘度指数、高温高剪切（HTHS）粘度和压力/粘度系数起主要作用。例如在程序ⅥA发动机试验中，流体约占72％[4]，发动机油粘度对燃油经济性的影响占主导地位。

当边界和/或混合（常见于凸轮、挺柱和活塞环、气缸壁等摩擦副）为决定因素时，可添加减摩剂，减少边界和混合的摩擦。例如在程序

（注：作者简介：陈刚（1976-），男，1998年毕业于上海交通大学能源与动力工程学院，在读中国石油大学化学工程硕士，现从事油研发及与销售相关的技术服务工作，取得多项科研成果，已公开发表文章6篇。）

ⅥB发动机试验中，边界和/或混合状态增加。减摩剂优越的减摩性能使其具有重要作用。本文主要以这两个方面为研究内容。

2．2 减摩剂的类型及工作机理

减摩剂主要分有机减摩剂、金属有机化合物型减摩剂和非油溶性减摩剂三大类。

通常有机减摩剂的一端有一个极性基团，它是减摩剂发挥效用的主导因素之一。从化学结构划分为羧酸或其衍生物、酰亚胺或胺及其衍生物、磷或膦酸衍生物和有机聚合物。作用机理主要有减摩剂与金属表面形成化学反应膜、物理吸附膜和聚合物三种形式。

金属有机化合物型减摩剂的类型主要有钼或铜的化合物，诸如二硫代磷酸钼、二硫代氨基甲酸盐、油酸铜、水杨酸盐或酯和二烃基二硫代磷酸盐等。作用机理：一是钼可能渗入粗糙面，二是形成聚合物形式的膜，三是形成聚态的二硫化钼（最可接受的理论），四是由于金属（铜）的选择性转移形成导致易剪切的薄金属膜等。金属有机化合物型减摩剂的作用机理还不完全为人所知。

非油溶性减摩剂较经典的有石墨和二硫化钼等。这一类减摩剂的作用机理主要是形成低剪切率的层状结构或在金属表面形成易延展或可塑层，从而减少摩擦。

有研究表明，钼基金属有机化合物在边界状态下非常活跃，有机减摩剂在混合状态下更活跃[5]。

3 试验材料与试验方法

3．1 本项研究使用的试验油及减摩剂

试验油列于表1，减摩剂列于表2。

表1 试验油

注：字母“T”代表试验油，“RO”代表参考油。

表2 减摩剂

3．2 油摩擦系数测定法

参考有关文献[6-7]，油的节能性能与油品的摩擦系数有直接关系。根据实验室现有试验条件，确定以油摩擦系数测定法作为考察油品节能减摩性能的模拟评定方法。该方法采用MMW－1型立式万能摩擦磨损四球试验机在75 ℃恒温条件下通过逐级加载测定不同载荷条件下的摩擦系数，最终得出油品的摩擦系数曲线图。试验条件见表3。

表3 油摩擦系数测定法试验条件

为了验证油摩擦系数测定法对试验油的区分性，对有程序ⅥA台架数据的油样进行了试验，油样数据见表1，试验结果见图1。

图1表明，失败油T1的摩擦系数明显偏大，油摩擦系数测定法对程序ⅥA台架试验的通过油与失败油有一定的区分性，可以作为油节能减摩性能研究的一项参考试验方法。

图1 通过油和失败油的摩擦系数曲线

4 试验结果与讨论

4．1 不同粘度级别油品摩擦系数考察

几种不同粘度级别参比油的摩擦系数曲线见图2。

图2 不同粘度级别油品摩擦系数曲线

从图2中可以看出，不同粘度级别油品的摩擦系数曲线有较大的差异。在流体/混合状态下即中低负荷区域，油品的摩擦系数表现为0W/40＜5W/30＜5W/40＜10W/40，由于调制低粘度大跨度油品所用的基础油的粘度较小，因此可以认为基础油的粘度越小，油品的摩擦系数越低；在混合/边界状态下即中高负荷区域四种参比油的摩擦系数表现出不同的规律。

4．2 油品粘度和粘度指数与摩擦系数的关系

不同基础油和粘度指数油品的摩擦系数曲线见图3，同类基础油不同粘度油品的摩擦系数曲线见图4。以上油品粘度级别和复合剂均相同。

图3中试验油的粘度指数为T2>T1>T3，试验油T2选用的基础油为雪佛龙100N，其他选用的是大庆加氢基础油。从图3中可以看出，在中低负荷区域，油品粘度指数越大相对的摩擦系数越小；图4中试验油的100 ℃运动粘度为T1>T5>T4，结果表明，油品运动粘度越小，测得的摩擦系数也越小。这一规律同样在中低负荷区域表现明显。

图3 不同粘度指数油品的摩擦系数曲线

图4 不同粘度油品的摩擦系数曲线

综合以上结果，实验室分析认为，在流体状态下即中低负荷区域，基础油的选用、粘度指数和运动粘度对油品摩擦特性起主要作用。这也验证了前面的理论。

4．3 减摩剂对油品节能减摩性能的影响

分别对试验油T1和在T1中加入a％的减摩剂A这两种油品进行油摩擦系数测定试验和MS程序ⅥA节能台架试验，并将摩擦系数试验结果进行处理绘制出Stribeck曲线，见图5。

从图5中可以看出，T1中添加适量减摩剂A后油品的摩擦特性曲线得到显著改善，无论在流体还是边界区域都表现为摩擦系数降低，且流体区域有明显延长。参考有关文献[8-9]，摩擦特性曲线的改善对提高油品的节能性有一定作用。

试验油T1和在T1中加入a％的减摩剂A的MS程序ⅥA台架试验结果见图6。

图5 减摩剂与油品摩擦特性曲线（Stribeck曲线）

图6 MS程序ⅥA节能台架试验结果

试验油T1加减摩剂前后的ⅥA台架试验结果分别为0.79%和0.83%，结果表明，油品中加入减摩剂对MS程序ⅥA节能台架试验结果有一定的影响。结合油品的摩擦特性曲线可以得出，减摩剂对提高油品的节能减摩性能有一定作用。

4．4 减摩剂加剂量考察

选用减摩剂B进行减摩剂加剂量的考察，不同添加量时油品的摩擦系数曲线见图7。

图7 减摩剂B加量与油品摩擦系数曲线

从图7中可以看出，减摩剂B添加量不同时对油品摩擦系数的改善效果不同。当减摩剂B的加量为0.2％时，摩擦系数基本无明显变化；加量为0.3%~0.5％时，在中低负荷区域摩擦系数随剂量的增加而变小，尤其在0.5％加量时，油品表现出理想的摩擦改进特性；当加量达到1.0％时，摩擦系数反而增大（甚至高于未加剂油品的摩擦系数）。

结果表明，减摩剂加量不是越大越好，不同的减摩剂应有各自一定的加剂量范围。

4．5 不同类型减摩剂性能考察

以T3油品为基本配方，以0.3％的加量分别加入四种不同类型减摩剂C、D、E和F，对其减摩性能进行考察，结果见图8。

图8 不同类型减摩剂性能研究

从图8中可以看出有机钼盐类减摩剂F的减摩效果优于其他三种减摩剂。添加脂肪酸酯类减摩剂D的油品的摩擦系数高于未加剂油品的摩擦系数。

5 结论

（1）在流体状态下，基础油的类型、粘度指数和运动粘度对油品摩擦特性起主要作用。粘度指数越大，粘度越小摩擦系数越小。

（2）减摩剂能明显改善油品的摩擦特性，具体表现为降低油品摩擦系数，减少边界／混合的摩擦，延长流体状态。油品中加入减摩剂对MS程序ⅥA节能台架试验结果有一定影响，减摩剂对提高油品的节能减摩性能有一定作用。

（3）减摩剂加量不是越大越好，有一定的加剂量范围。

（4）有机钼盐类减摩剂F在油摩擦系数测定试验法中的摩擦系数较小，减摩效果较好。

参考文献：

［1］ Brent R Dohner, Melody A Wilk. Formulating for ILSAC GF-2 - Part 2: Obtaining Fuel Economy Enhancement from Motor Oil in a Modern Low Friction Engine［C］. SAE Technical Paper 952343.

［2］ 万烈雄，冯心凭，杨明桂，等，油节能技术［J］.油，2002，17(3)：15-18.［3］ Jagadish Sorab , Stefan Korcek, Charles Bovington. Friction Reduction in Lubricated Components Through Engine Oil Formulation［C］. SAE Technical Paper 982640.

［4］ James A Supp, Dr Brent R Dohner, Melody A Wilk，et al. An Investigation into the Effect of Viscosity Modifiers and Base Oils on ASTM Sequence VIA Fuel Economy［C］. SAE Technical Paper 972925.

［5］ 刘影.应用摩擦改进剂提高燃料经济性［J］.石油商技，2003,21(4)：36-38.

［6］ atsuya Arai, Michiya Yamada, Satoshi Asano, et al. Lubricant Technology to Enhance the Durability of Low Friction Performance of Gasoline Engine Oils［C］. SAE Technical Paper 952533.

［7］ Takashi Nagashima, Tsutomu Saka, Hideki Tanaka, et al. Research on Low-Friction Properties of High Viscosity Index Petroleum Base Stock and Development of Upgraded Engine Oil［C］. SAE Technical Paper 951036.

［8］ Melody A Wilk, William D Abraham, Brent R Dohner. An Investigation into the Effect of Zinc Dithiophosphate on ASTM Sequence VIA Fuel Economy［C］. SAE Technical Paper 961914.［9］ Kiyoshi Inoue , Eiji Tominaga, Kenyu Aklyama, et al. Effects of Lubricant Composition on Fuel Efficiency in Modern Engines［C］. SAE Technical Paper 951037.

STUDY ON THE EFFECT OF FRICTION IMPROVER ON FRICTION-REDUCING & ENERGY-SAVING PERFORMANCES OF GASOLINE OIL

CHEN Gang, LIU Lan, WU Jian

（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China）

Abstract:The energy-saving & friction-reducing technologies of lubricants are introduced in brief. And energy-saving & friction-reducing performances of gasoline oils are researched by means of the lubricating oil friction coefficient test method and MS ⅥA test stand. The effects of oil viscosity and friction improver on energy-saving & friction-reducing performances of lubricants are discussed respectively.

Key Words:lubricant; friction coefficient; friction improver