节能型汽油机油及有机钼减摩剂减摩性能评价

来源:用户上传      作者: 谢惊春　雷爱莲　王爱香

　　摘要：不断提高节能技术是推动汽车工业发展的三大动力之一。而提高内燃机燃油经济性的途径主要是通过适当降低内燃机油粘度和减少机件之间的摩擦损耗来实现。文章借助从德国OPTIMOL公司引进的SRV4型摩擦磨损试验机，采用满足ASTM D 6425方法的球-盘摩擦副，利用SRV4型摩擦磨损试验机试验参数可实现动态控制的优势，选择合适的模拟试验条件，模拟内燃机“边界―混合”润滑状态，测定确定条件下油品的摩擦系数，该方法对程序ⅥB台架试验的通过油和失败油有较好的区分，且对油溶性有机钼减摩剂减摩效果的评价具有良好的区分性。
　　关键词：节能型汽油机油；有机钼减摩剂；减摩性能
　　中图分类号：TE624.82 文献标识码：A
　　
　　0 前言
　　
　　随着机械工业的发展，对润滑油的要求也越来越高，单从炼制工艺上提高润滑油基础油的质量已不能满足高速、高负荷等苛刻运转条件下的润滑要求，必须在润滑油中加入各种添加剂来提高油品的质量以满足机械运转需求。对内燃机发动机而言，摩擦是一个非常重要的因素，摩擦可导致能量损失，从而增加燃料的消耗，因此，内燃机油应该具有最大的减摩性能。这一点已充分反映在美、日等国新一代内燃机发动机油规格中。API SH汽油机油规格中曾将节能试验作为顾客需求来确定，ILSAC规格从一开始就将节能发动机试验作为其要求之一，GF-1规格的油品要求通过程序Ⅵ节能试验，GF-2规格的油品要求通过程序ⅥA节能试验来评价燃油的节能性，GF-3、GF-4规格的油品要求通过程序ⅥB节能试验来评价燃油的节能性，对内燃机发动机的节能性能提出了明确的要求，而且有文献报道［1］，
　　在高档汽油机油中必须添加一定的减摩节能添加剂才能通过相应的润滑油节能台架。目前高档节能型内燃机油关于节能减摩性能的研究工作主要集中在以下两个方面：（1）开展节能减摩添加剂的研究工作；（2）建立相关的减摩节能性能评价方法。目前，评价内燃机油燃油经济性发动机试验周期长、费用高，国内尚无程序ⅥB节能台架试验，且这个台架试验较为苛刻，不易通过。因此，对节能型内燃机油的研制带来了较大的困难。德国OPTIMOL公司研制开发的SRV4型摩擦磨损试验机是一款功能多、测试手段全且能较为真实地模拟多种台架试验的自动化程度较高的摩擦磨损试验机，该试验机集往复运动和旋转运动于一体，具有点、线、面多种摩擦副接触形式，具有国际上先进的摩擦力测试系统和数据采集系统，并且在国内外科研院所、高等学府及润滑油行业的研究领域中得到了广泛的应用，尤其在模拟内燃机油的减摩节能试验中发挥了较大作用。本文就是借助于从德国OPTIMOL公司引进的SRV4型摩擦磨损试验机对几种常用的内燃机油减摩剂的减摩性能进行了评价。
　　
　　1 内燃机油减摩节能原理
　　
　　图1是表示摩擦面间润滑特征的斯萃贝克（Stribeck）曲线［2］。曲线根据操作条件、油膜厚度及摩擦表面特性将润滑分为三个区域。区域Ⅰ为流体润滑区（包括弹性流体动力润滑）。在此区域内，油膜厚度h大于两表面的粗糙度Ra，润滑油膜有效地隔开了两摩擦面，由于表面不直接接触，因此就不出现粘附磨损和磨料磨损，摩擦系数f的大小仅由润滑油的粘度η决定。但是流体润滑必须在润滑油粘度与运动零件的转速（N）、负荷（P）配合适当的条件下才能实现。在负荷增大或粘度、转速降低的情况下，润滑油膜将会变薄，当油膜厚度变薄到接近或小于摩擦面微凸体的高度时，两摩擦面较高的微凸体将直接接触，其余的地方被一到几层分子厚的油膜隔开，这时摩擦系数增大到0.03~0.15，并出现能控制住的有限磨损，这时对摩擦副的减摩作用，不仅取决于润滑油的粘度，更重要的是取决于润滑油添加剂与摩擦表面的相互作用，这种情况就属于混合-边界润滑，为了减少混合-边界润滑条件下的摩擦力，在润滑油中添加有效的减摩剂是必须的，减摩剂根据它们与摩擦表面的不同作用，能在表面形成吸附、沉积膜、反映膜及渗透层，从而达到减小摩擦的作用。图2是根据润滑原理绘制的减摩原理图。
　　
　　图1和图2表明：提高内燃机油燃料经济性的途径主要是通过适当降低油品粘度和减少机件之间的摩擦损耗来实现。内燃机不同部位的摩擦损耗各不相同，边界润滑下的能耗是摩擦耗能的重要方面，而添加减摩剂是降低“边界―混合”区域摩擦能耗的有效方法，它通过降低边界和混合润滑的摩擦来提高燃油经济性。未来发动机设计将使摩擦条件越来越苛刻，即边界和混合润滑的比例将提高。在流体动力润滑区域，润滑剂的粘度特性对节能性能起着重要作用。
　　本文就是借助引进的SRV4型摩擦磨损试验机，采用满足ASTM D6425方法的球-盘摩擦副，选择合适的模拟试验条件模拟内燃机边界―混合润滑状态，测定油品的摩擦系数，通过摩擦系数和油品的粘度综合评价内燃机油的减摩节能效果，并按照确定的摩擦系数测定程序对3种典型的有机钼减摩剂在基础油和成品油中的减摩效果进行了评价。
　　
　　2 试验部分
　　
　　2．1 试验设备及试验件
　　本研究用的是从德国OPTIMOL公司引进的SRV4型摩擦磨损试验机，主要包括一个振动驱动轴、一个试验室和一个加载轴。球-盘摩擦副的试验室见图3。
　　
　　1.振动驱动轴; 2.试验钢球夹具; 3.加载轴; 4.试验钢球; 5.试验盘; 6.加热电阻; 7.热电偶; 8.试验盘夹具; 9.压电测量装置; 10.固定块
　　试验件采用球-盘摩擦副。试验球，AISI 52100钢，硬度为(60±2) HRC，表面粗糙度Ra为0.025±0.005 μm,直径为10 mm。试验盘 ，AISI 52100钢，硬度为(60±2) HRC，表面粗糙度0.5μm 　　
　　程序ⅥB节能台架试验的5个阶段，运行工况各不相同，导致运动部件之间的润滑状态各异。流体润滑、边界润滑、混合润滑在5个阶段中的作用也不同，针对不同润滑状态，减小摩擦的方式不同，使用低粘度油品可减小流体润滑的摩擦，使用摩擦改进剂等化学技术可减小边界润滑、混合润滑的摩擦。因此，通过选择基础油、利用添加剂的交互作用等润滑油节能技术，才能通过节能台架，提高油品的燃油经济性。
　　
　　3 试验结果与讨论
　　
　　3．1 对具有ⅥB节能台架试验结果油样的减摩性评价结果
　　综合内燃机油的减摩节能原理，一是适当降低润滑油的粘度，二是加入有效的减摩剂减小内燃机“边界―混合”润滑状态下的摩擦系数。由表示摩擦面间润滑特征的斯萃贝克（Stribeck）曲线可知，润滑状态取决于润滑油的粘度、运动速度及摩擦面间承受的压力的配合。对于确定的油品，润滑油的粘度取决于油温、运动速度及摩擦面间承受的压力，它们之间的不同组合可改变润滑状态。为了找到合适的模拟试验条件，参照程序ⅥB台架试验条件确定了4个测温点，并选用不同的负荷、运动频率组合，经过试验条件的优选，确定了如表3所示的摩擦系数测定程序。对收集到的7个具有ⅥB节能台架试验结果的油样进行了减摩性能考察。试验油样及ⅥB节能台架试验结果见表4，用SRV测得的每个试验阶段的摩擦系数平均值见表5。
　　
　　表5的试验结果表明：在7个参比油中，加有摩擦改进剂的油A、油E、油F的摩擦系数在各个试验阶段都相对低一些，通过油F摩擦系数比其他失败油低很多，另外节油率比较高的油B在阶段5也表现出了比油G和油C低一些的摩擦系数（表3表示的试验程序可以模拟7个参比油的减摩效果，能够评价内燃机油的减摩性能）。
　　
　　对表5中测定的各试验阶段的摩擦系数根据程序ⅥB台架试验各阶段对节油率的贡献、以及各阶段边界-混合润滑所占的比例计算出了综合摩擦系数，并且与油品的粘度相结合建立了预测节油率的数学模型，预测值与实测值之间的相关性见图4。
　　图4的结果表明：所建立的模拟试验方法与台架试验结果之间具有较好的关联性。
　　
　　3．2 有机钼减摩剂在基础油中的减摩性能考察
　　按照表3评价全配方内燃机油减摩性能的试验程序的阶段3的条件，在125 ℃的试验温度下进行了3种有机钼减摩剂在2基础油中的减摩性能考察。其中钼盐A不含S、P，钼盐B含S不含P，钼盐C含S、P。试验结果分别见图5、图6。
　　
　　图5和图6的结果表明：3种不同的钼盐均以0.5%的剂量分别加入150SN、500N基础油中，表现出了不同的减摩效果，其减摩顺序为：钼盐A<钼盐B<钼盐C。
　　3．3 有机钼减摩剂在成品油中的减摩性能考察
　　图7、图8以及图9给出了钼盐A、钼盐B、钼盐C均以0.5%剂量分别加入油1及油2两种不同配方的成品油中减摩效果的考察结果。
　　
　　图7的结果表明：钼盐A以0.5%剂量分别加入油1及油2两种不同配方的成品油中，在试验的2、3、4、5阶段，在油1中的减摩效果均好于在油2中的减摩效果，尤其在第3阶段，表现得更为显著。
　　
　　图8的结果表明：钼盐B以0.5%剂量分别加入油1及油2两种不同配方的成品油中，均表现出了很好的减摩效果，在油1中的减摩效果略好于在油2中的减摩效果。
　　图9的结果表明：钼盐C以0.5%剂量分别加入油1及油2两种不同配方的成品油中，表现出了不同的减摩效果，在油2中的减摩效果明显好于在油1中的减摩效果。
　　图9 钼盐C加入两种成品油中的减摩效果考察
　　
　　4 结论
　　
　　（1）借助于从德国OPTIMOL公司引进的SRV4型摩擦磨损试验机，确定的试验程序对程序ⅥB通过油和失败油的摩擦系数有明显的区分。
　　（2）有机钼减摩剂在基础油中的减摩效果考察结果表明：含S、P的有机钼减摩剂的减摩效果优于只含S的有机钼减摩剂，不含S、P的有机钼减摩剂的减摩效果相对差一些。
　　（3）有机钼减摩剂在成品油中的减摩效果考察结果表明：不同的钼盐以相同剂量加入不同配方的成品油中，表现出了不同的减摩效果，因此，针对不同的配方体系，应选择与其相适应的钼盐以达到减摩节能的目的。
　　
　　参考文献：
　　［1］ Edgar Andreas Steigerwald. Fuel-Economy Lubrication-Effective Engine Oil Composition［P］. US: 6232279,2001.
　　［2］ 董浚修.润滑原理及润滑油［M］.北京：中国石化出版社,1989:60-64.
　　
　　FRICTION PERFORMANCE TEST OF ENERGY-SAVING GASOLINE ENGINE OIL AND ORGANO-MOLYBDENUM FRICTION MODIFIER
　　XIE Jing-chun, LEI Ai-lian, WANG Ai-xiang
　　(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060,China)
　　Abstract:The improving energy conservation technology is one of the three main powers to drive the auto industry's development. The utilization of lower viscosity oil is the key factor to reduce the engine parts friction to enhance the fuel efficiency benefit of engine oil. This research work is conducted on the OPTIMOL SRV4 tester to measure the test oil's friction coefficient under a pre-set test condition to simulate the "Boundary-Mixed" lubrication regime. The SRV4 tester is a reciprocating friction tester with the advantages of dynamic control and standard ball-disk test parts which can meet the requirement of ASTM D6425 method. This bench test method has a good performance to discriminate the pass and fail test oils which have a good correlation with regard to Sequence ⅥB fuel efficiency engine stand test. The friction-reducing property of oil-solved organo-molybdenum is also tested on the SRV4 tester and shows a good discrimination.
　　Key Words:energy-saving gasoline engine oil; organo-molybdenum friction modifier; friction reducing property

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