摩擦改进剂对汽油机油摩擦性能的影响

张 春 辉

（中国石化润滑油有限公司，北京100085）

摩擦改进剂对汽油机油摩擦性能的影响

张 春 辉

（中国石化润滑油有限公司，北京100085）

采用SRV摩擦磨损试验机、HFRR高频往复试验仪对GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油机油加入有机钼型和胺类有机化合物摩擦改进剂后在不同试验条件下的摩擦磨损性能进行考察；通过发动机扭矩试验进一步验证加入摩擦改进剂后汽油机油在发动机上的实际扭矩变化，确定摩擦改进剂对汽油机油摩擦性能的改善效果。结果表明：采用SRV摩擦磨损试验机、HFRR高频往复试验仪能够区分不同摩擦改进剂的性能差异；摩擦改进剂的适量加入可以降低汽油机油摩擦试验的摩擦因数，降低发动机的摩擦磨损和扭矩，改善汽油机油的燃油经济性。SRV及HFRR模拟试验结果与发动机扭矩试验结果具有较好的一致性。

摩擦改进剂 汽油机油 燃油经济性 一致性

随着汽车工业的迅猛发展，汽车保有量急剧增加，各国政府、车企及车主都越来越关注燃油消耗问题，节能减排成为汽车工业发展的推动力。各国乘用车油耗标准纷纷出台，如美国的平均燃油经济性CAFE（Corporate Average Fuel Economy）标准、日本的《能源使用合理化法》轿车能源利用效率考核标准、中国的GB 19578《乘用车燃料消耗量限值》标准等。为了降低乘用车的燃油消耗，汽车设计者采用更低摩擦的活塞设计技术以及采用滚动气门阀系设计代替滑动阀系设计等途径进行整车油耗的改进［1］。同时汽车厂还希望借助使用节能效果更好的汽油机油进一步提升燃油经济性。除降低汽油机油黏度外［2－3］，如何选用摩擦改进剂来改善燃油经济性也成为汽油机油节能研究的焦点。本研究采用SRV摩擦磨损试验机、HFRR高频往复试验仪对GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30汽油机油加入有机钼型和胺类有机化合物摩擦改进剂后在不同试验条件下的摩擦磨损性能进行考察。

1 实 验

1.1 实验室模拟试验

SRV摩擦磨损试验机、HFRR高频往复试验仪可模拟发动机缸套－活塞（环）等部件的往复运动，因此采用SRV及HFRR模拟试验考察发动机油对球－盘摩擦副往复运动试验的摩擦因数及磨损情况的影响。

1.1.1 SRV摩擦磨损试验机摩擦副钢球，AISI 52100钢，硬度60±2；盘，AISI 52100钢，硬度62±1；主要试验条件：冲程1mm，频率50，25，17 Hz（发动机转速在实际运转过程中是一个变化量，参考ASTM 5707方法将发动机转速换算成相应的试验振动频率），载荷300，200，100N，机油温度50，80，120℃，试验时间2h。

1.1.2 HFRR高频往复试验仪摩擦副钢球，AISI E－52100钢，硬度58～66；盘，AISI E－52100钢；主要试验条件：冲程1mm，频率50、20Hz，载荷200N，机油温度115℃，试验时间90min。

1.2 发动机台架试验

1.2.1 日系发动机扭矩试验采用日系T发动机（排量1.3L，凸轮机构采用滚轮从动件）以及N发动机（排量3.0L，凸轮机构为滑动组件）进行发动机扭矩试验，发动机转速700～2 400r/min，机油温度80、100℃。采用试验油作冲洗油进行试验前期的冲洗，测量发动机的扭矩并计算扭矩降低比例。

1.2.2 欧系增压直喷发动机扭矩试验欧系增压直喷发动机为1.6L直列四缸直喷并带涡轮增压和进气可变气门正时（VVT）发动机，发动机转速750～5 000r/min，机油温度35，50，80，115℃。采用试验油作冲洗油进行试验前期的冲洗，测量不同温度及发动机转速条件下发动机油相对参比油的扭矩差。

1.3 试验油品

选择GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30发动机油为基础油，在保持基础油、功能主剂、高温高剪切黏度尽可能一致的前提下，加入不同类型的摩擦改进剂（FM1－1、FM1－2为不同结构的有机钼型摩擦改进剂，FM2为胺类有机化合物摩擦改进剂），考察不同摩擦改进剂对汽油机油摩擦性能的影响及在发动机台架试验上的燃油经济性。表1、表2分别为以GF－5 0W－20、A5/B5 0W－30为基础油的油品编号及主要理化性能。

表1 以GF－5 0W－20为基础油的油品编号及主要理化性能

表2 以A5/B5 0W－30为基础油的油品编号及主要理化性能

2 结果与讨论

2.1 模拟试验

2.1.1 SRV模拟试验GF－5 0W－20油品的SRV模拟试验结果见表3。从表3可以看出：①在其它试验条件相同的情况下，载荷从300N降低到100 N，试验的摩擦因数呈降低的趋势；同时，随载荷降低，试验钢球的磨斑直径呈降低的趋势，说明载荷较小时摩擦副磨损也较小。②GF－5 0W－20基础油中加入0.750%和0.075%FM1－1的5号、5－2号油品和加入0.500%FM2的6号油品，在其它条件相同的情况下，随着试验温度的升高，摩擦因数有上升的趋势，但90～120min试验后期摩擦因数差异缩小，同时，随着温度的升高，试验钢球的磨斑直径呈上升的趋势，说明摩擦副的磨损随试验温度的升高呈增加的趋势；与5－2号和6号油品相比，5号油品试验的摩擦因数明显偏低，可能是因为5号油品中FM1－1添加量较大；另外，5号油品在试验温度为50，80，120℃时，试验的摩擦因数虽有差异但不明显，而试验钢球的磨斑直径基本不受试验温度的影响。说明有机钼型摩擦改进剂可以很好地保护摩擦副，即使机油温度升高，摩擦副磨损也不会有明显的增加。③加入FM2后，试验的摩擦因数虽普遍降低，但程度较小，加入FM1－1后，低比例和高比例的加入量都可以明显降低试验的摩擦因数，高比例加入量试验的摩擦因数降低程度更大。因此，从摩擦副的磨损来看，有机钼型摩擦改进剂和胺类有机化合物摩擦改进剂都能够有效降低摩擦副的磨损，其中有机钼型摩擦改进剂的效果更明显。

2.1.2 HFRR模拟试验GF－5 0W－20油品在不同频率条件下的HFRR模拟试验结果见表4。从表4可以看出：4号油品（高黏度指数）与1号油品（低黏度指数）HFRR低频率模拟试验的摩擦因数没有差异，加入FM1－1的5号油品和加入FM2的6号油品都可降低试验的摩擦因数；在高频率时有机钼型摩擦改进剂（5号油品）的相对节能率更高，而胺类有机化合物摩擦改进剂（6号）在不同试验频率时的相对节能率差异不大。

A5/B5 0W－30油品的HFRR模拟试验结果见表5。从表5可以看出：与8号、9号油品相比，7号油品的HFRR试验钢球的磨斑直径和试验的平均摩擦因数明显偏大，说明添加摩擦改进剂后可以同时降低摩擦副的磨损和试验的摩擦因数；对比8号、9号油品可以看出，8号油品试验的摩擦因数明显低于9号油品试验的摩擦因数，说明8号、9号油品均具有降低试验摩擦因数改善燃油经济性的效果，但8号油品（加入FM1－2）对燃油经济性能的改善效果优于9号油品（加入FM2）。

表3 GF－5 0W－20油品的SRV模拟试验结果

表4 GF－5 0W－20在不同频率下的HFRR模拟试验结果

表5 A5/B5 0W－30油品的HFRR模拟试验结果

2.2 发动机扭矩试验

2.2.1 日系发动机扭矩试验对GF－5 0W－20油品进行日系T和N发动机扭矩试验，试验中测量发动机的扭矩，然后依据各自的参比油计算扭矩降低比例来确定油品的燃油经济性（节油效率）能改善效果。两款发动机的扭矩试验结果分别见表6和表7。从表6可以看出：①对于T发动机，1～5号油品与同质量级别GF－5 5W－30参比油相比都可明显降低发动机的扭矩，即可显著提高燃油经济性，当机油温度为80℃时在低转速下节油效果尤为明显；②5个油品在80℃时综合节油效率由高到低的顺序为：5号＞3号≈4号＞2号＞1号；在100℃时，综合节油效率由高到低的顺序为：5号＞3号＞2号＞4号＞1号；③随着发动机转速的升高，1号、4号油品的相对节油效率在机油温度为100℃和80℃的条件下出现了不同的变化趋势，前者为先上升后下降，而后者为下降的趋势。从表7可以看出：①对于N发动机，相对于1号参比油，2号、3号、5号油品具有降低扭矩的效果，且随着发动机转速的降低，燃油效率明显提升，尤其在100℃条件下燃油效率提高显著；80℃时，综合节油效率由高到低的顺序为：3号＞5号≈2号；100℃时，综合节油效率由高到低的顺序为：5号＞2号＞3号，说明提高黏度指数和加入摩擦改进剂都可以降低发动机的扭矩，进而提高燃油效率。②随着机油温度从80℃上升到100℃，加入FM1－1的2号油品较加入FM2的3号油品的扭矩降低比例大。相比T发动机的试验结果，有机钼型摩擦改进剂FM1－1在N发动机上会明显提升油品在100℃、低转速工况（700～1 200r/min）下的燃油经济性。

表6 试验油品在日系T发动机上的扭矩试验结果

表7 试验油品在日系N发动机上的扭矩试验结果

2.2.2 欧系发动机扭矩试验在欧系1.6L涡轮增压直喷发动机上进行8号、9号A5/B50W－30油品与参比油A5/B5 0W－30的扭矩对比试验，结果见图1和图2。扭矩差相对值＝（参比油平均扭矩—试验油扭矩）/参比油平均扭矩，扭矩差值越大，说明试验油品降低发动机扭矩的能力越强，提高燃油经济性效果越好。从图1可以看出：8号油品在35℃和50℃工况下，扭矩降低1%～2%；80℃工况下，发动机转速低于1 500r/min时扭矩微幅增大，发动机转速高于1 500r/min时扭矩降低（降低1%～2%）；在115℃工况下，发动机转速低于2 500r/min时，扭矩增加，最大增加6%，但当转速在2 500r/min以上时试验油品又能起到降低扭矩的效果。说明在35，50，80℃条件下，有机钼型摩擦改进剂能够降低发动机扭矩，提升燃油经济性。从图2可以看出：9号油品在35℃工况下，扭矩降低1%～1.5%；在50℃工况下，转速低于2 500r/min时扭矩微幅增大，转速高于2 500 r/min时扭矩小幅降低；在80℃和115℃工况下，扭矩增加1.5%～9%。上述结果中除了35℃工况下提升了燃油经济性外，在其它温度工况下，9号油品的燃油经济性均比参比油稍差。对比图1和图2可以看出，8号油品在35，50，80，115℃工况下的试验结果优于9号油品的试验结果，说明有机钼型摩擦改进剂在高温工况下的性能优于胺类有机化合物摩擦改进剂。一般认为含钼的摩擦改进剂有利于减少边界摩擦［4－6］，这在一定程度上能够解释为什么在高温工况下，添加有机钼型摩擦改进剂的油品在扭矩试验中更有优势、 燃油经济性更优。

图1 8号油品在欧系1.6L涡轮增压直喷发动机上的扭矩试验结果

图2 9号油品在欧系1.6L涡轮增压直喷发动机上的扭矩试验结果

3 结 论

（1）SRV模拟试验结果表明，有机钼型摩擦改进剂和胺类有机化合物摩擦改进剂都能够有效降低摩擦副的磨损，其中有机钼型摩擦改进剂的效果更明显。

（2）HFRR模拟试验结果表明，加入有机钼型摩擦改进剂的油品在高频率时降低试验的摩擦因数效果更为突出，加入有机钼型和胺类有机化合物摩擦改进剂都可同时降低试验的摩擦因数、减小摩擦副的磨损，有机钼型摩擦改进剂的减摩效果优于胺类有机化合物的减摩效果。

（3）日系T和N发动机扭矩试验结果表明，提高油品黏度指数或加入摩擦改进剂都可降低发动机扭矩，提升燃油效率。在100℃、低转速工况下，在日系T发动机试验中，加入胺类有机化合物摩擦改进剂的油品降低发动机扭矩效果要好于加入有机钼型摩擦改进剂的油品；而在日系N发动机试验中，两种油品的表现效果相反。这可能与T发动机凸轮机构采用滚轮从动件而N发动机凸轮机构为滑动组件有关，说明发动机的构造不同，摩擦改进剂作用的效果也会出现差异。

（4）在欧系1.6L涡轮增压直喷发动机上对A5/B5 0W－30油品的考察结果表明，加入有机钼型摩擦改进剂的油品发动机扭矩降低效果比加入胺类有机化合物摩擦改进剂的油品明显，且随着温度升高，降低扭矩的效果更加突出。

（5）SRV及HFRR模拟试验结果与日系、欧系发动机扭矩试验结果具有较好的一致性。SRV及HFRR模拟试验可以作为节能配方筛选的有效试验手段。

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EFFECT OF FRICTION MODIFIER ON FRICTION PERFORMANCE OF GASOLINE ENGINE OIL

Zhang Chunhui
（SINOPEC Lubricant Co.Ltd.，Beijing100085）

The friction and wear behavior of GF－5 0W－20engine oil，A5/B5 0W－30engine oil with organic molybdenum FM or organic amine FM were measured by SRV friction and wear test machine and high frequency reciprocating rig（HFRR）under different conditions.The results were verified by engine torque test after addition of FM.The test results show that FM’s friction performance can be distinguished by SRV and HFRR；the addition of appropriate amount of FM can reduce the friction coefficient of gasoline engine，engine friction loss and torque，improve the fuel economy.The results of SRV and HFRR test are well consistent with the results of engine torque test.

friction modifier；gasoline engine oil；fuel economy；consistency

2016－09－30；修改稿收到日期：2016－12－20。

张春辉，博士，教授级高级工程师，主要从事润滑油的研究及技术管理工作。

张春辉，E－mail：zhangchh.lube＠sinopec.com。