郝麗春 楊 鶴 張威力 盧文彤

(中石化石油化工科學研究院有限公司 北京 100083)

隨著汽車保有量不斷增加，環(huán)保問題持續(xù)凸顯。為減少CO2排放和應對石油短缺，汽車工業(yè)發(fā)達國家都在大力發(fā)展汽車節(jié)能技術。研究表明，發(fā)動機摩擦損失占總能量的15%～20%[1-2]，而降低油品黏度并改善油品配方能夠提高發(fā)動機燃油經濟性，實現汽車節(jié)能減排[3-4]。經過近30年的發(fā)展，ILSAC頒布的節(jié)能發(fā)動機油規(guī)格已發(fā)展到ILSAC GF-6，GF-6分為GF-6A和GF-6B兩個子規(guī)格，其中GF-6B只針對黏度更低的汽油機油[5-6]，如SAE 0W-16。GF-6規(guī)格在開發(fā)過程中遇到巨大挑戰(zhàn)，如機油低黏度化、燃油經濟性、高溫抗氧化性等技術難題。經過業(yè)界近9年的不斷努力，該規(guī)格發(fā)動機油于2020年5月進行了首批認證。GF-6汽油機油是發(fā)動機潤滑技術發(fā)展的一次重要創(chuàng)新，其中燃油經濟性獲得廣泛關注。

ILSAC制定的汽油機油規(guī)格除了分別滿足API相應的指標外，還應通過ILSAC的發(fā)動機節(jié)能指標要求，測評發(fā)動機油燃油經濟性的臺架試驗經歷了VI A-VI B-VI D的發(fā)展，GF-6規(guī)格引入了新開發(fā)的程序VI E/VI F臺架試驗來評價汽油機油的燃油經濟性。與程序VI D相比，程序VI E/VI F增加了機油老化試驗時間，并在試驗過程中減少機油補充量，這就要求發(fā)動機油具有更高的燃油經濟性保持能力。

發(fā)動機臺架試驗復雜、成本高、周期長，而模擬試驗具有簡單、高效、經濟性好等特點，能夠快速對機油配方進行初步篩選。楊鶴、張春輝等[7-8]的研究表明，模擬試驗可以在一定程度上預測發(fā)動機臺架試驗結果，與臺架試驗建立相關性關系。GF-6汽油機油黏度進一步降低，使得發(fā)動機摩擦副中邊界潤滑和混合潤滑占比增大，對機油的摩擦保護能力和減摩能力提出更加嚴苛的要求，機油配方開發(fā)難度巨大，因此研究合理的模擬試驗并對機油配方做出有效篩選十分必要。本文作者采用摩擦試驗機，研究低黏度發(fā)動機油GF-6 0W-16的摩擦潤滑性能，分析模擬試驗與GF-6發(fā)動機節(jié)能臺架試驗的相關性，以支撐低黏度GF-6汽油機油的開發(fā)，對節(jié)約石油資源、降低碳排放具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 節(jié)能臺架試驗及油樣

GF-6節(jié)能臺架試驗的發(fā)動機轉速為669～2 631 r/min，扭矩為6.5～70.6 N·m，潤滑油溫度范圍為33～101 ℃，燃油經濟性測試方法包含9個穩(wěn)態(tài)工況，模擬整車NEDC循環(huán)。該臺架試驗結果標準偏差在0.2%以內，具有良好的重復性和區(qū)分性[9]。表1給出了6個典型的經過節(jié)能臺架評定的油樣，用于模擬試驗研究，A油的節(jié)能性最好，F油的節(jié)能性最差，所用參比油為GF-5 0W-20汽油機油。

表1 機油油樣及發(fā)動機臺架節(jié)油率排序Table 1 Engine oil samples and the oil rank of fuel saving rate of engine bench

1.2 摩擦模擬試驗

1.2.1 SRV球-盤極壓試驗

發(fā)動機中的凸輪/挺桿、缸套/活塞環(huán)等摩擦部件的接觸壓力高，如果潤滑油的極壓性能欠佳，油膜就會出現破裂，產生較大的摩擦阻力和磨損，影響發(fā)動機油的節(jié)能性能。文中利用SRV摩擦磨損試驗機測定油樣的極壓性能，試驗溫度為50 ℃，往復頻率為50 Hz，往復行程為1 mm。試驗鋼球為 AISI 52100鋼，洛氏硬度為(60±2)HRC，表面粗糙度Ra為(0.025±0.005)μm；試驗盤為AISI 52100鋼，洛氏硬度為(60±2)HRC，表面粗糙度Ra為(0.043±0.007)μm。試驗時，先在100 N載荷下磨合15 min，然后以100 N逐級遞增載荷，每級載荷運行2 min，直至油膜破裂摩擦因數突然增大或達到試驗機載荷限值，以獲得極壓載荷值。

1.2.2 SRV缸套-活塞環(huán)試驗

缸套-活塞環(huán)是發(fā)動機中最重要的摩擦副之一，摩擦損失占比最大。利用模擬方法直接考察潤滑油在缸套-活塞環(huán)摩擦副中的表現，對于預測發(fā)動機臺架試驗結果具有重要意義。試驗時，截取現用發(fā)動機缸套塊和活塞環(huán)，組成缸套-活塞環(huán)摩擦副，其中缸套塊長20 mm、寬12 mm、中間位置厚4 mm，活塞環(huán)截取現用活塞環(huán)的1/2。在加持活塞環(huán)時，通過施加合適的預緊力改變活塞環(huán)弧度，使活塞環(huán)與缸套塊接觸時能完全貼合，以產生均勻的帶狀磨痕。高溫是缸套-活塞環(huán)處最突出的工作條件，對節(jié)能影響顯著的潤滑工況為邊界潤滑，同時結合SRV摩擦試驗機技術參數，設計了缸套-活塞環(huán)模擬試驗參數，即接觸壓力為104 MPa，平均往復滑動速度為0.18 m/s。試驗首先在40 ℃下運行20 min，然后逐步升溫到120 ℃，試驗時間為1 h。在試驗條件下，油膜厚度與缸套和活塞環(huán)綜合粗糙度的比值λ小于0.2，表明SRV缸套-活塞環(huán)摩擦試驗處于邊界潤滑狀態(tài)[10-12]。

1.2.3 四球摩擦因數試驗

SRV試驗模擬往復滑動工況，往復頻率高，往復行程小，摩擦工況較為苛刻。旋轉運動形式的滑動摩擦也存在于發(fā)動機摩擦副中，如凸輪/挺桿、油泵等，另外發(fā)動機內摩擦副之間的接觸力是變化的。文中利用四球試驗機，測定不同載荷下油樣的摩擦因數。試驗轉速為600 r/min，溫度為75 ℃，載荷以98.1 N逐級遞增，每級載荷運行10 min，最大載荷981 N，試驗機實時記錄摩擦因數。

2 試驗結果及分析

2.1 油樣組成分析

為了研究油樣的摩擦潤滑性能，首先利用紅外光譜技術分析GF-6 0W-16汽油機油和參比油中主要減摩抗磨添加劑，紅外譜圖見圖1。波數1 738 cm-1附近為C=O伸縮振動峰[13]，表明油樣中含有無灰酯類減摩劑。1 706 cm-1附近為酰亞胺的C=O吸收峰[14]，表明油樣中含有酰亞胺類分散劑或無灰減摩劑。1 514和1 233 cm-1附近為C=S不對稱和對稱伸縮振動峰，1 156 cm-1附近為C-N伸縮振動峰，971 cm-1附近為Mo=O特征吸收峰[15-16]，可以得出油樣中含有機鉬減摩劑MoDTC。1 062 cm-1附近為P-O-C伸縮振動峰，668 cm-1附近為P=S振動吸收峰，537 cm-1附近為P-S-Zn振動吸收峰[17-18]，這些結構來自極壓抗磨添加劑ZDDP。

圖1 GF-6 0W-16汽油機油和參比油紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrums of GF-6 0W-16 engine oils and reference oil

在紅外光譜分析油樣官能團基礎上，利用元素光譜技術[21-22]測定油樣中主要元素，以進一步分析油樣中添加劑含量。油樣添加劑主要元素質量分數測試結果見圖2。Zn元素主要來自于極壓抗磨添加劑ZDDP，Mo元素主要來自于有機鉬類減摩劑，S元素主要來自于基礎油、清凈劑、ZDDP和有機鉬類減摩劑等，P元素主要來自于基礎油、ZDDP等，而N元素則有可能來自于分散劑或含氮類減摩劑[23]。7個油樣中Zn元素和P元素質量分數基本相當，表明油樣中ZDDP含量在同一水平。油樣中Mo元素質量分數關系如下：wA≈wF>wE>wB≈wC≈wD>w參比油，其中參比油中Mo元素質量分數為GF-6 0W-16油樣中Mo質量分數的8%～14%。結合臺架試驗結果，可以得出，增加有機鉬減摩劑的含量能夠提高發(fā)動機油的節(jié)能作用(A油與其他油樣相比；GF-6 0W-16油樣與參比油相比)，但是一味提高Mo的含量并不能獲得更好的節(jié)油率(F油與E油相比；F油和E油與B油、C油、D油相比)，各類添加劑之間的協(xié)同作用對添加劑發(fā)揮效能具有重要影響[24](A油與F油相比；B油、C油、D油之間互比)。

圖2 GF-6 0W-16汽油機油和參比油主要元素含量Fig.2 Element content of GF-6 0W-16 engine oils and reference oil

2.2 SRV球-盤極壓試驗

SRV球-盤極壓試驗測得的油樣摩擦因數曲線如圖3所示。當摩擦因數急劇增加時，表明油膜破裂，結束試驗。SRV球-盤試驗接觸壓力高，潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑，有機鉬減摩劑起主要減摩作用，酯類、酰胺類等減摩劑起到輔助減摩作用[24]。在整個試驗過程中，GF-6 0W-16發(fā)動機油與參比油相比摩擦因數處于更低水平，這是因為GF-6 0W-16發(fā)動機油中有機鉬減摩劑含量高。從圖3中可以看出，D油的極壓性能最好，其次是A油，F油最差。結合圖2，可以得出，雖然7種油樣中極壓抗磨劑ZDDP含量相當，但是由于不同配方中各添加劑之間的競爭吸附和協(xié)同效應不同，導致油樣的極壓值差異較大。節(jié)油率最好的A油在載荷1 000 N之前摩擦因數平穩(wěn)且較小，推測這時的表面膜以有機鉬和酯類、酰胺類等減摩劑潤滑膜為主；當載荷升到1 100 N時，摩擦因數上升到一個較高水平，這時減摩劑潤滑膜發(fā)生破裂，ZDDP極壓油膜開始發(fā)揮主要作用；當載荷繼續(xù)增加到1 600 N時，油膜發(fā)生破裂。這表明A油中的極壓抗磨添加劑與減摩劑能夠很好地銜接，產生良好的協(xié)同效應。節(jié)油率較好的B油，在極壓試驗中也有相同的表現。節(jié)油率差的E油、F油，在極壓試驗中隨著載荷增加，油膜突然破裂發(fā)生卡咬?？梢酝茰y，ZDDP在E油和F油中的添加劑競爭吸附中處于弱勢，當試驗載荷增大時，未能在摩擦表面生成足夠的極壓油膜。GF-6 0W-16汽油機油的黏度小，形成的潤滑油膜薄，極壓值大的潤滑油能夠更好地保護摩擦副表面，防止油膜破裂而產生較高的摩擦阻力和磨損。在SRV球-盤極壓試驗中，極壓載荷值將作為相關性研究的模擬試驗結果。

圖3 GF-6 0W-16汽油機油和參比油 的SRV極壓試驗摩擦因數曲線Fig.3 Friction coefficient curves of GF-6 0W-16 engine oils and reference oil in extreme pressure tests

2.3 SRV缸套-活塞環(huán)試驗

圖4示出了GF-6 0W-16油樣和參比油的缸套-活塞環(huán)試驗摩擦因數曲線?？梢钥闯?，GF-6 0W-16油樣的摩擦因數隨著溫度升高逐漸降低；對于參比油，當溫度升高到50 ℃左右時，其摩擦因數開始快速下降，溫度升高到110 ℃時，其摩擦因數與GF-6 0W-16油樣的摩擦因數相當。該試驗潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑，有機鉬減摩劑起主要減摩作用。在低溫時，油樣中的酯類、酰胺類等減摩劑起一定作用，隨著溫度升高，無灰減摩劑發(fā)生解吸，有機鉬減摩作用持續(xù)增大，進一步降低摩擦因數[12,25]。節(jié)油率最好的A油，在整個溫度范圍內摩擦因數處于較低水平；節(jié)油率次之的B油在低溫階段摩擦因數較低，但是隨著溫度升高摩擦因數下降并不十分明顯，這可能是因為有機鉬減摩劑在潤滑油配方中未能充分發(fā)揮作用，與其他添加劑的協(xié)同效應欠佳。節(jié)油率最差的F油與其他GF-6 0W-16油樣相比在低溫階段表現出更大的摩擦因數，說明F油中減摩劑的低溫性能較差。GF-6 0W-16潤滑油與參比油相比，在整個溫度范圍內表現出更小的摩擦因數，表明含有更多有機鉬減摩劑的低黏度汽油機油表現出更顯著的減摩作用。在SRV缸套-活塞環(huán)試驗中，平均摩擦因數將作為相關性研究的模擬試驗結果。

圖4 GF-6 0W-16汽油機油和參比油的 缸套-活塞環(huán)試驗摩擦因數曲線Fig.4 Friction coefficient curves of GF-6 0W-16 engine oils and reference oil in SRV cylinder liner/piston-ring tests

試驗后缸套塊典型照片和磨痕形貌見圖5。由圖5(a)可以看出，試驗后缸套塊上產生了均勻的帶狀磨痕。對圖5(a)中的3個長方框中磨痕進行取樣測量，其3D形貌圖如圖5(b)所示。通過表面輪廓儀測量缸套塊3個取樣范圍內的磨痕深度，并取平均值，結果如圖6所示。可知，節(jié)油率最好的A油，其缸套平均磨痕深度比參比油小，節(jié)油率次之的B油磨損情況與參比油相當。說明性能優(yōu)異的低黏度油樣A、B，與黏度較高的參比油相比，并沒有引起更大的磨損。

圖5 試驗后缸套塊典型照片及磨痕形貌Fig.5 Typical picture and topography of cylinder liner wear scar after test：(a) topography of cylinder liner after test; (b)3D topography of wear scar in sampling range

圖6 GF-6 0W-16汽油機油和參比油 潤滑下的缸套塊平均磨痕深度Fig.6 Average wear scar depth of cylinder liner segments lubricated by GF-6 0W-16 engine oils and reference oil

2.4 四球摩擦因數試驗

四球摩擦因數試驗結束后，對每級載荷的摩擦因數取平均值，繪制于圖7中。

圖7 GF-6 0W-16汽油機油和參比油 隨載荷變化的四球摩擦因數曲線Fig.7 Friction coefficient curves of GF-6 0W-16 engine oils and reference oil as a function of load in four-ball tests

由圖7可知，隨著載荷增大GF-6 0W-16汽油機油的摩擦因數總體表現平穩(wěn)，在0.026～0.054之間；參比油的摩擦因數隨載荷增大先平穩(wěn)再增大，摩擦因數在0.088～0.115之間，遠高于GF-6 0W-16汽油機油的摩擦因數，同樣表明低黏度汽油機油具有顯著的減摩作用。在整個試驗過程中，節(jié)油率最好的A油表現出較低的摩擦因數，節(jié)油率次之的B油的摩擦因數最低，節(jié)油率最差的F油表現出較大的摩擦因數；E油在882 N之前，摩擦因數較小，但加載到最后一級載荷時，摩擦因數突然增大，可以判斷其油膜破裂潤滑失效。在四球摩擦因數試驗中，平均摩擦因數將作為相關性研究的模擬試驗結果。

2.5 摩擦模擬試驗與節(jié)能臺架試驗相關性分析

將上述3個摩擦模擬試驗結果列于表2中，可以看出，節(jié)油率最高的A油，在3個模擬試驗中并非都表現出最優(yōu)結果；節(jié)油率最低的F油，在3個模擬試驗中并非都表現出最差結果；節(jié)油率處于中間位置的D油，在模擬試驗中也會表現出最優(yōu)結果。由于發(fā)動機臺架試驗摩擦部件多，單個摩擦模擬試驗并不能夠與臺架試驗建立較好的關聯關系，因此需要把3個模擬試驗結果綜合成為1個結果變量，與發(fā)動機臺架節(jié)油率建立關聯關系。

表2 用于臺架相關性研究的模擬試驗結果Table 2 The results of simulation tests using for correlation research

在發(fā)動機總摩擦損失中，配氣機構及附件約占21%，缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)約占52%，機油泵損失約占3%，曲軸軸承約占24%[26]；根據文中3個模擬試驗特點，在綜合考察模擬試驗與發(fā)動機臺架關聯中，3個模擬試驗的權重設定見表3。

表3 模擬試驗特點及權重占比Table 3 Simulation test characteristics and weight ratio

由表2可知，3個模擬試驗結果包括量綱為一的摩擦因數和有量綱的極壓載荷，它們之間不能通過簡單的數值平均或乘積來獲得1個綜合變量與發(fā)動機臺架節(jié)油率建立關系。文中選用排隊積分法[27]，先將7個油樣在各摩擦模擬試驗中的結果進行名次排隊，然后根據試驗結果的名次計算油樣在各模擬試驗中的單項得分q，計算公式見式(1)。將各單項得分加權平均求出綜合得分Q，計算公式見式(2)。計算結果列于表4。

(1)

式中：q為單項得分；k為某一樣品模擬試驗結果在全部樣品中的排名；n為試驗樣品數量。

(2)

式中：m為摩擦模擬試驗數目；W為綜合模擬試驗中權重系數。

在統(tǒng)計學中，當兩個變量不連續(xù)，需要研究這兩個變量大小排序之間的關系時，通常選用Spearman相關系數法。采用Spearman相關系數法分析油樣模擬試驗的綜合得分與節(jié)能臺架節(jié)油率之間的排序相關性，相關系數的絕對值越大，兩變量之間的相關性越強。統(tǒng)計學計算結果見表4。經過計算，3個模擬試驗綜合結果與節(jié)能臺架節(jié)油率之間的相關性系數為0.811；在0.05顯著性水平下，摩擦模擬試驗綜合結果與節(jié)能臺架試驗結果之間具有顯著相關性?？梢钥闯觯C合多個模擬試驗結果來考察機油潤滑性能，可以避免單一試驗的片面性，實現多因素統(tǒng)籌考慮，突出重點變量，能更加準確、全面地反映機油的臺架性能。

表4 統(tǒng)計學計算結果Table 4 Statistical calculation results

3 結論

(1)增加有機鉬減摩劑的含量能夠提高發(fā)動機油GF-6 0W-16的節(jié)能作用，但是并非有機鉬減摩劑含量越高越好，各類添加劑之間具有良好的協(xié)同作用時，才能進一步提升發(fā)動機油配方節(jié)油率。

(2)GF-6 0W-16發(fā)動機油配方中各添加劑之間的競爭吸附和協(xié)同效應對潤滑油的極壓性能產生顯著影響，節(jié)油率最高的A油中的ZDDP與其他添加劑產生良好的協(xié)同作用，表現出更佳的極壓性能。

(3)低黏度GF-6 0W-16發(fā)動機油與參比油GF-5 0W-20相比具有顯著的減摩作用，在邊界潤滑條件下酯類、酰胺類摩擦改進劑減摩作用較弱，有機鉬減摩劑作用顯著，而提高試驗溫度能激發(fā)有機鉬減摩劑進一步發(fā)揮作用，降低摩擦因數。

(4)摩擦模擬試驗的綜合結果與GF-6節(jié)能臺架試驗之間具有顯著相關性，能夠對低黏度GF-6發(fā)動機油配方進行初步篩選。綜合多個模擬試驗結果分析方法能更加準確、全面地反映機油的臺架性能。