汽油机油的燃油经济性模拟试验方法

郭伟，金志良，邓永生，李旭，谢惊春，雷爱莲

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着我国汽车工业发展迅速，产销总量持续增长，2016年和2017年汽车销量分别达到2802.8万辆、2887.89万辆，到2017年底，截至2017年，我国民用汽车保有量达到2.17 亿辆，预计在未来一段时期，我国汽车保有量仍将持续增长，2020年将超过2.7亿辆，由此带来的能源供需矛盾将更加突出。

为应对全球性的资源短缺和气候变暖，巩固和提高汽车工业未来国际竞争力，欧美日等汽车工业发达国家都在采取积极措施，推动和促进汽车节能减排技术的发展、提高汽车燃料经济性水平，相继完成新一轮针对2020年甚至更长远的各年度乘用车燃料消耗量标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求。

随着日渐苛刻的环保排放法规的发展，整车企业千方百计挖掘汽车各零部件的节能效果。润滑油作为发动机流通的零部件，是发动机体内流淌的“血液”，其对整车的节能减排的贡献也至关重要，越来越受到国内汽车厂商的关注。目前国内OEM厂商越来越关注低黏度节能油品对整车的贡献，节能汽油机油也将是我国未来润滑油的发展趋势。

在节能减排大环境和减少污染物排放对我国环境影响的情况下，自2017年1月1日起，在全国实施第五阶段国家机动车排放标准，逐步淘汰不符合国Ⅴ排放标准的乘用车，自2018年1月1日起，所有轻型汽车都要符合国Ⅴ标准要求。为紧跟欧美日等发达国家排放法规的发展，2016年12月23日，国家正式发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 18352.6-2016)，堪称史上最苛刻的排放标准，而国Ⅵ的制定基本上延续欧洲排放法规，协调全球技术法规，融合美国排放法规，同时根据实际国情和实施的可行性，提出了第六阶段的轻型汽车排放标准的要求，国Ⅵ在国Ⅴ标准上提出更加严格的排放标准。其中国Ⅵ包含国Ⅵa和国Ⅵb，该标准分两阶段进行，其中国Ⅵa阶段在2020年7月1日实施，国Ⅵb阶段在2023年7月1日实施，北京、上海、广州等一线城市可能提前实施国Ⅵb。

1 ILSAC GF-5节能油规格和程序ⅥD台架介绍

自1992年，国际润滑油标准审查委员会(ILSAC)开始发布GF系列节能汽油机油规格，目前最新规格为2009年发布的GF-5规格，规定用程序ⅥD来评价油品的燃油经济性。表1为ILSAC规格油品的通过指标，其中FEI1为油品在程序ⅥD发动机上按照制定工况运行16 h后测得的节油率，相当于实际行车3200 km后的节油率，FEI2表示油品运行100 h后(16 h后再运行84 h)的节油率，相当于实际行车10400 km后的节油率。由表1可知，GF-5规格更注重燃油经济性的保持性，其没有规定FEI1的通过指标，但对FEI2和FEI1+FEI2提出了严格要求。FEI2是油品通过程序ⅥD台架的关键，因为FEI2代表油品使用10400 km后的节能效果，考察的是油品节能的保持性，很多油品新油节能效果很好(FEI1节油率较高)，但经过程序ⅥD台架100 h老化后因FEI2节油率较差而无法通过，因此，GF-5规格对油品节能的保持性有非常苛刻的要求。据国外研究统计，程序ⅥD台架的通过率仅为20%～30%，为GF-5汽油机油规格中通过率最低、难度最大的台架。

表1 ILSAC GF-5汽油机油节能台架要求 %

2 汽油机油减摩节能原理

目前，汽油机油的减摩节能途径主要有两点。一是降低油品黏度，减小流体润滑条件下的摩擦损失，如发动机滑动轴承以及部分活塞环/缸套间的润滑；二是在油品中添加减摩剂，降低混合/边界润滑条件下的摩擦损失，如阀系和活塞环/缸套的润滑。其中，减摩剂作用机理主要有形成物理吸附膜和化学反应膜。

物理吸附膜主要有长链羧酸、酯、醚、胺、胺基化合物、酰亚胺。溶解在油中的摩擦改进剂借助分子的极性基团吸着在金属表面，碳氢长链溶解在油中，垂直于金属表面，导致出现摩擦改进剂分子的多层基体。

化学反应膜主要有饱和脂肪酸、磷酸和硫代磷酸及含硫脂肪酸。其机理基本与抗磨剂相似，添加剂与金属表面反应形成保护膜，从而减少摩擦。但两者最根本的区别在于摩擦改进剂的化学反应膜出现在混合润滑状态较温和的负载、温度条件下，要求摩擦改进剂的化学活性相当高。

3 试验部分

3.1 MTM介绍

在球盘上进行牵引试验的测试设备，称为微型牵引力机(MTM)。MTM试验机如图1所示。其中设备试验件是由钢球和钢盘组成，球和盘通过直流伺服电机和驱动器独立驱动，以实现在不同滑滚比(SRR)下的高精确速度控制，两种试验件安装在不锈钢流体浴槽中，加热器和热电偶的冷控制试验油的温度，盘由固定的垂直轴/驱动系统支撑，球支撑在万向节上，其中一个轴垂直于负载方向，另一个轴垂直于牵引力方向，使得它可以围绕两个轴旋转。

图1 MTM微牵引力试验机

MTM试验机可以同时模拟流体润滑、混合润滑和边界润滑状态，该试验机可用于高档内燃机油的燃油经济性测量，主要手段是通过该设备测量油品在不同润滑条件下的Stribeck曲线，见图2，通过观察摩擦系数进而反映油品的黏度以及减摩剂对减摩效果的影响。本试验是利用MTM试验机探索一种理想的试验条件，能够最大限度区分不同油品的摩擦系数，为台架ⅥD试验做初步的油品筛选，同时考察MTM模拟试验和ⅥD台架试验的对应性，台架ⅥD考察的是减摩剂在边界润滑条件下减摩性能的保持性，因此本研究更关注Stribeck曲线的边界摩擦系数。

图2 Stribeck曲线

3.2 试验条件筛选

选择程序ⅥD台架参比油541和1010开发油品，参比油的程序ⅥD台架结果见表2。

表2 程序ⅥD台架参比油燃油性提高 %

利用MTM试验机在不同温度、负载和滑滚条件下考察参比油541和1010的Stribeck曲线，试验条件如下所示，

温度：T1、T2、T3、T4；

负载：L1、L2、L3；

滑滚比：S1、S2、S3；

速度：3000～10 mm/s。

图3分别是541和1010在T1、T2、T3、T4下的Stribeck曲线。由图3可知，在T4温度下，541和1010在边界润滑条件下的区分性最明显，分别约为0.12和0.08。因此，确定试验温度为T4，此温度也与缸套活塞环摩擦副处机油温度接近。

图3 不同温度试验结果

图4分别是T4下541和1010在L1、L2、L3条件下的Stribeck曲线。由图4可知，在负荷为L3时，541和1010在边界润滑条件下的区分性最明显。因此，确定试验负荷为L3。

图4 不同负荷试验结果

图5是在负载L3，温度T4，滑滚比S1、S2、S3的牵引力系数。由图5可知，在滑滚比为S2时，541和1010在边界润滑条件下的区分性最明显。因此，确定试验滑滚比为S2。

图5 不同滑滚比试验结果

综上，确定试验条件为温度T4，负载L3，滑滚比S2。

4 试验结果分析讨论

4.1 试验条件对程序ⅥD台架试验评价结果

表3是程序ⅥD台架试验油结果，A、B、C是程序ⅥD台架未通过油，D、E、F是程序ⅥD台架通过油，其中试验油E黏度级别为5W-20，其余A、B、C、D、F均为5W-30试验油，本次试验利用在MTM微牵引力试验机上筛选出的试验条件，考察程序ⅥD台架试验油的节能效果。

表3 程序ⅥD台架试验油测试结果 %

表3(续)

图6是试验油A、B、C、D、E、F在MTM上结果。从图中可以看出，开发的试验条件对试验油有较好的区分性，在边界润滑区域，未通过油A、B、C摩擦系数要比通过油D、E、F大许多，这与程序ⅥD台架数据结果相对应。

图6 不同试验油的MTM结果

4.2 试验油在MTM上稳定性分析

为更好地考察试验油在边界润滑条件下的减摩稳定性，设定温度T4，负载L3，恒速50 mm/s，时间1 h，考察程序ⅥD台架试验油的减摩稳定性分析，图7是此次结果。

图7 不同试验油MTM的稳定性分析结果

从图7中可以看到，程序ⅥD台架通过油D、E、F的减摩稳定性较好，在极短时间内摩擦系数就达到稳定值；而程序ⅥD未通过油A、B、C稳定性较差，尤其试验油A、B变化幅度较大，同时A、B、C在1 h时还未达到稳定值。

4.3 MTM试验件的电镜分析

对上述MTM试验后的试验件钢盘磨斑表面用扫描电镜进行分析，结果如图8所示。

图8 不同试验油的MTM试验钢盘磨痕扫描电镜

从图8中可以看出，试验油A、B、C的试验钢盘都有较深的磨痕，划痕较粗并且分布不均；而试验油D、E、F的试验钢盘相比A、B、C，其划痕相对细密较均匀。

5 结论

(1)利用MTM试验机建立了模拟程序ⅥD节能测试方法，在负载L3，SRR为S2，温度T4条件下模拟了发动机三大主要摩擦副的润滑状态，对不同FEI节能率的试验油在边界润滑条件下有良好的区分性；

(2)建立的模拟试验方法与程序ⅥD台架有较好的对应性，程序ⅥD台架通过油边界摩擦系数均比程序ⅥD台架未通过油摩擦系数低；

(3)程序ⅥD台架通过油的减摩稳定性好，且在极短时间内达到稳定值，程序ⅥD台架未通过油相比之下结果比较差；

(4)程序ⅥD试验通过油D、E、F的磨斑比未通过油A、B、C的分布更均匀且细密。