李程中國石化潤滑油有限公司北京研究院

使用低黏度發(fā)動機油是提高燃油經(jīng)濟性的有效方法。本文選取4 款150 ℃高溫高剪切黏度接近的不同技術(shù)平臺的0W-20 發(fā)動機油作為試驗油，對其進行與節(jié)能相關(guān)的理化試驗（100 ℃運動黏度、不同溫度高溫高剪切黏度和元素含量）和模擬試驗（高頻往復(fù)摩擦磨損試驗和SRV 摩擦磨損試驗）分析，并采用發(fā)動機倒拖臺架試驗評價4 款試驗油的節(jié)能表現(xiàn)，參比油為5W-30。結(jié)果顯示，倒拖試驗溫度為60 ℃時，高溫高剪切黏度更低的試驗油3 綜合節(jié)能效果最好，倒拖試驗溫度為80 ℃時，含有MoDTC 減摩劑的試驗油2 節(jié)能表現(xiàn)最優(yōu)。不同溫度下的高溫高剪切黏度、MoDTC 含量、高頻往復(fù)摩擦磨損試驗和SRV 摩擦磨損試驗與發(fā)動機倒拖臺架試驗結(jié)果具有相關(guān)性。

隨著石油資源的不斷減少和全球機動車保有量持續(xù)增加，能源危機日益凸顯，在“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，節(jié)能減排成為國內(nèi)外主流車企共同追求的目標(biāo)[1,2]。發(fā)動機作為汽車上的關(guān)鍵零部件，對整車燃油經(jīng)濟性起到至關(guān)重要的作用。發(fā)動機摩擦損失約占發(fā)動機燃料燃燒能量的20%～25%，因此提高發(fā)動機效率，降低摩擦損失顯得尤為關(guān)鍵[3]。通過對發(fā)動機技術(shù)升級或硬件改進的途徑提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性往往成本較高，相比之下，使用低黏度發(fā)動機油是提升發(fā)動機燃油經(jīng)濟性較為經(jīng)濟且便捷的方式，相關(guān)研究工作受到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注[4]。

目前行業(yè)內(nèi)主要使用發(fā)動機點火試驗和倒拖臺架試驗進行發(fā)動機油節(jié)能評價，而發(fā)動機倒拖臺架試驗由于測試精度高、試驗條件易于控制等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用。在發(fā)動機油開發(fā)階段，經(jīng)常使用與節(jié)能相關(guān)的理化試驗和摩擦磨損模擬試驗進行配方考察和篩選，常用的油品理化試驗有不同溫度下的高溫高剪切黏度，常用的模擬試驗有高頻往復(fù)摩擦磨損試驗和SRV 摩擦磨損模擬試驗。通過實驗室理化試驗、模擬試驗與發(fā)動機試驗結(jié)果的關(guān)聯(lián)性研究可以為節(jié)能發(fā)動機油產(chǎn)品開發(fā)提供指導(dǎo)。

本文選取4 款不同技術(shù)平臺的0W-20 發(fā)動機油進行與節(jié)能相關(guān)的理化試驗和模擬試驗分析，通過發(fā)動機倒拖臺架試驗考察4 款試驗油相對于參比油5W-30 的扭矩節(jié)約率，以此評價4 款試驗油的節(jié)能表現(xiàn)。通過對比分析4 款試驗油的理化試驗、模擬試驗和臺架試驗結(jié)果，研究其關(guān)聯(lián)規(guī)律。

試驗部分

試驗儀器及方法

高頻往復(fù)摩擦磨損試驗（HFRR）

為了對發(fā)動機油摩擦磨損性能進行分析，本研究利用高頻往復(fù)摩擦磨損試驗儀（HFRR，SH/T 0765）對混合-邊界潤滑狀態(tài)下油品的摩擦性能進行考察。HFRR 是由微處理器控制的往復(fù)摩擦磨損測試系統(tǒng)，通過該儀器可對潤滑油的摩擦磨損特性進行測試，它可以模擬發(fā)動機缸套-活塞（環(huán)）等部件往復(fù)運動時的摩擦情況，通過試驗過程中摩擦系數(shù)和磨斑直徑的對比，可判斷不同油品的減摩抗磨效果。

試驗條件為：沖程1 mm，頻率50 Hz，載荷400 g/800 g，油溫60 ℃/80 ℃，測試時間90 min。摩擦副球：52100 鋼，硬度Rc 58 ～66；摩擦副盤：AISI E-52100 鋼。

SRV 摩擦磨損試驗

SRV可以模擬發(fā)動機活塞（環(huán)）-缸套的往復(fù)運動，對油品的摩擦磨損性能進行研究，常用于發(fā)動機油配方節(jié)能效果考察和篩選。本方法（ASTM D5707）是在SRV 試驗機上用一個試驗球，在恒定負荷下對著表面加有潤滑劑的試驗盤進行往復(fù)振動，通過測定摩擦系數(shù)和磨斑直徑來評價油品摩擦磨損性能。試驗過程中振動頻率、振幅、試驗溫度、試驗負荷、試驗時間均可以通過軟件編程系統(tǒng)編寫成運行程序，由測量程序自動控制。

試驗條件為：沖程1 mm，頻率50 Hz，載荷200 N，油溫60 ℃/80 ℃，測試時間60 min，摩擦副為球盤。試 驗 球：52100 鋼， 硬 度Rc 為60±2，直徑為10 mm。試驗盤：52100 鋼，硬度Rc 為60±2，直徑為24 mm，厚度為7.85 mm。

發(fā)動機倒拖臺架試驗

發(fā)動機倒拖臺架試驗裝置（如圖1 所示）包括發(fā)動機、倒拖電機、變頻器、扭矩儀、發(fā)動機冷卻液恒溫系統(tǒng)、發(fā)動機機油恒溫系統(tǒng)、全室空調(diào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。其中發(fā)動機為國內(nèi)某主流合資OEM（原始設(shè)備制造商）提供，直列四缸，2.0 L 自然吸氣。扭矩儀量程-100 ～+100 N·m，分 辨 率 為0.1 N·m。

圖1 發(fā)動機倒拖臺架試驗裝置

油品測試過程包括潤滑油路清洗和正式測試兩部分：

◇油路清洗：需要用待測油清洗發(fā)動機2 次，之后再加入定量待測潤滑油。

◇正式測試：測試開始前，首先在一定溫度和轉(zhuǎn)速下將發(fā)動機進行預(yù)熱磨合，磨合完成后將潤滑油和冷卻液同時控制在60 ℃，依次進行800/1 000/1 200/1 600/2 000/2 400/2 800 r/min 共7 個轉(zhuǎn)速點的扭矩測量。之后將潤滑油和冷卻液溫度升至80 ℃，再依次進行上述7 個轉(zhuǎn)速點的扭矩測量。倒拖試驗直接獲取的是使用測試油品在特定試驗條件下的發(fā)動機扭矩值，通過對比相同試驗條件下試驗油與參比油的扭矩值，計算出扭矩節(jié)約率（Torque saving rate），并以此指標(biāo)評價不同試驗油的節(jié)能效果。一般認為，扭矩節(jié)約率越大，油品節(jié)能效果越好。

試驗油和參比油按照如下順序進行測試：參比油→試驗油1 →試驗油2 →參比油→試驗油3 →試驗油4 →參比油。

試驗油品

在實驗室調(diào)制4 款不同技術(shù)平臺的0W-20 試驗油和參比油5W-30。試驗油和參比油的典型性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗油和參比油的典型理化試驗分析結(jié)果

試驗結(jié)果與分析

試驗油摩擦磨損模擬試驗結(jié)果

對4 個試驗油進行HFRR 和SRV 模擬試驗分析，表征油品的摩擦磨損性能，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)匯總于表2。

表2 4個試驗油的摩擦磨損模擬試驗分析結(jié)果

油膜覆蓋率可以在一定程度上反映摩擦副之間油膜的完好程度，與減摩和抗磨有一定關(guān)系。從HFRR結(jié)果看，所有試驗結(jié)果的油膜覆蓋率均大于90%，說明不同試驗油在本文的試驗條件下均可以在摩擦副表面形成比較完整的油膜。

HFRR 是模擬包含流體潤滑和邊界潤滑在內(nèi)的混合潤滑狀態(tài)，而MoDTC 在邊界潤滑狀態(tài)下能有效降低摩擦系數(shù)。在相同試驗條件下，由于試驗油2 含有MoDTC 減摩劑，因此試驗油2 的摩擦系數(shù)都明顯低于另外3 個試驗油。在其他試驗條件不變，只改變試驗溫度時，可以看出試驗油2 在80 ℃的摩擦系數(shù)低于60 ℃的摩擦系數(shù)，這是由于MoDTC 起到減摩作用的成分是分解后生成的MoS2，而MoS2分解是需要一定溫度的，一般認為80 ℃時MoDTC 分解比較完全，而60 ℃時還有一部分MoDTC 并未活化分解形成具有減摩作用的MoS2。在其他試驗條件不變，只改變載荷時，可以看出試驗油2 在一定范圍內(nèi)增加載荷，摩擦系數(shù)減小，這是因為隨著載荷在一定范圍內(nèi)增加，潤滑狀態(tài)更趨近于邊界潤滑，而邊界潤滑狀態(tài)更有利于發(fā)揮MoDTC 的減摩作用。綜合試驗油1、試驗油3 和試驗油4 看，并結(jié)合表1 可知3 個試驗油150 ℃高溫高剪切黏度相當(dāng)，因此在相同試驗條件下的摩擦系數(shù)接近。

從磨斑直徑結(jié)果看，相同試驗條件下試驗油2 的磨斑直徑均小于另外3 個試驗油，可以推測加入MoDTC 也在一定程度上改善油品抗磨效果。試驗油3 在載荷為800 g時的磨斑直徑較大，這可能與該樣品在此試驗條件下油膜覆蓋率相對較低有關(guān)。

SRV 結(jié)果與HFRR 呈現(xiàn)相似的規(guī)律性。相同試驗條件下，試驗油2 的摩擦系數(shù)低于其他3 個試驗油，這是由于SRV 模擬邊界潤滑的狀態(tài)，試驗油2 中含有MoDTC 減摩劑，在邊界潤滑狀態(tài)能有效起到減摩效果，因此摩擦系數(shù)較低。其他試驗條件不變，提高試驗溫度，試驗油2 的摩擦系數(shù)略有降低，這與提高試驗溫度有利于MoDTC 分解有關(guān)；另外3 個試驗油的摩擦系數(shù)和磨斑直徑基本不變，是由于這3 個試驗油均不含MoDTC 減摩劑，單純提高試驗溫度對試驗結(jié)果影響不大。

發(fā)動機倒拖臺架試驗結(jié)果

對4 個試驗油分別在60 ℃和80 ℃進行發(fā)動機倒拖臺架試驗，其中60 ℃試驗結(jié)果如圖2 所示，80 ℃試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 4個試驗油在80 ℃發(fā)動機倒拖臺架試驗結(jié)果

從圖2 可見，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，和參比油相比試驗油的扭矩節(jié)約率有逐漸降低的趨勢，但扭矩節(jié)約率始終為正值，說明0W-20 試驗油和5W-30 參比油相比，在60 ℃始終具有節(jié)能表現(xiàn)，但轉(zhuǎn)速越高，節(jié)能表現(xiàn)越小。試驗油3 具有最好的節(jié)能效果，試驗油4 節(jié)能效果較差，試驗油1 和試驗油2 的節(jié)能效果表現(xiàn)居中，并且低轉(zhuǎn)速時兩個試驗油節(jié)能表現(xiàn)接近，高轉(zhuǎn)速時試驗油1 的節(jié)能表現(xiàn)相對較好。

圖2 4個試驗油在60 ℃發(fā)動機倒拖臺架試驗結(jié)果

從圖3 可見，4 個試驗油的相對于參比油也都表現(xiàn)出節(jié)能效果，但節(jié)能表現(xiàn)具有明顯差異。試驗油2具有最好的節(jié)能表現(xiàn)，試驗油1 的節(jié)能表現(xiàn)其次，試驗油3 和試驗油4 的節(jié)能表現(xiàn)相對較差。并且可以發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速時，4 個試驗油的節(jié)能表現(xiàn)差異較大，隨著轉(zhuǎn)速的提高，節(jié)能效果逐漸接近。這可能是由于高溫低轉(zhuǎn)速時，油膜形成不好，主要以混合潤滑和邊界潤滑為主，減摩劑對節(jié)能效果影響明顯，高轉(zhuǎn)速時油膜形成完好，主要是流體潤滑狀態(tài)，與油品的黏度相關(guān)，而高溫時4 個試驗油的黏度差異不大，因此節(jié)能效果雖然有差別，但不如低轉(zhuǎn)速時明顯。

理化模擬試驗與臺架試驗關(guān)聯(lián)分析

不同溫度下的HTHS 黏度、MoDTC 含 量、HFRR 和SRV 測 得的摩擦系數(shù)這些指標(biāo)與油品節(jié)能表現(xiàn)有關(guān)。一般認為不同溫度下的HTHS 黏度越低，油品的節(jié)能效果越好，并且有研究表明油品的節(jié)能效果與100 ℃和80 ℃的HTHS 黏度有較大的相關(guān)性[5]；在一定范圍內(nèi)提高MoDTC 含量有利于燃油經(jīng)濟性提升；SRV 和HFRR 測得的摩擦系數(shù)越低，越有利于獲得更高的燃油經(jīng)濟性。由于4 個試驗油的150 ℃高溫高剪切黏度接近，因此只分析其他與節(jié)能相關(guān)的性能指標(biāo)和最終倒拖試驗結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。

發(fā)動機倒拖臺架試驗可以模擬不同的潤滑狀態(tài)，其中高溫低轉(zhuǎn)速主要是邊界潤滑狀態(tài)，低溫高轉(zhuǎn)速主要是流體潤滑狀態(tài)，其余工況主要是混合潤滑狀態(tài)為主。油品黏溫性質(zhì)主要影響流體潤滑狀態(tài)下的節(jié)能效果，而MoDTC 作用明顯主要在邊界潤滑狀態(tài)，即高溫低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，因為高溫時MoDTC 容易分解形成MoS2，并且高溫時油品黏度較小，油膜較薄，多處于邊界潤滑狀態(tài)。低溫時MoDTC 不容易分解，并且低溫時油品黏度大，油膜厚，多處于流體潤滑，所以MoDTC 作用不明顯。

試驗油2 含有MoDTC 減摩劑，盡管其80 ℃和100 ℃的HTHS 并不是最低的，仍然在80 ℃時具有最好的節(jié)能表現(xiàn)，并且低轉(zhuǎn)速時節(jié)能表現(xiàn)更為突出，證明在高溫低轉(zhuǎn)速時MoDTC 主要影響節(jié)能效果。試 驗 油2 的SRV 和HFRR 的 摩 擦系數(shù)低于其他3 個試驗油，因此可以推斷在邊界潤滑狀態(tài)下，油品的節(jié)能效果和MoDTC 含量、SRV 和HFRR 的試驗結(jié)果關(guān)聯(lián)性較高，而油品黏度并不起主要作用。

在60 ℃時，試驗油3 的80 ℃和100 ℃的HTHS 最低，雖然不含有MoDTC 減摩劑，但總體節(jié)能效果仍然最好，并且高轉(zhuǎn)速時節(jié)能效果更明顯。這是由于低溫時MoDTC并未完全分解起到減摩效果，油品黏溫性能對節(jié)能效果貢獻更大，可以推斷在流體潤滑狀態(tài)下，油品不同溫度下的HTHS 與節(jié)能效果有較高關(guān)聯(lián)度。

結(jié)論

☆不同技術(shù)方案的4 款0W-20發(fā)動機油在發(fā)動機倒拖臺架測試中表現(xiàn)出不同的節(jié)能效果，倒拖試驗溫度為60 ℃時，80 ℃和100 ℃的HTHS 黏度更低的試驗油3 綜合節(jié)能效果最好，倒拖試驗溫度為80℃時，含有MoDTC 減摩劑的試驗油2節(jié)能表現(xiàn)最優(yōu)。

☆不同溫度下的HTHS 黏度、MoDTC 含量、摩擦磨損模擬試驗（HFRR 和SRV）與發(fā)動機倒拖臺架試驗具有相關(guān)性。在邊界潤滑狀態(tài)下，油品黏度對節(jié)能效果影響相對較小，提高MoDTC 含量可以降低SRV 和HFRR 的摩擦系數(shù)，從而提高油品節(jié)能效果。在流體潤滑狀態(tài)下，降低油品不同溫度下的HTHS 對提升節(jié)能效果有利。

☆本研究為節(jié)能發(fā)動機油產(chǎn)品開發(fā)提供了經(jīng)驗和參考。節(jié)能油品開發(fā)時需要針對不同的發(fā)動機試驗工況調(diào)整油品對應(yīng)的性能指標(biāo)，可以嘗試降低油品不同溫度下的HTHS黏度，同時添加適量的MoDTC 減摩劑以獲得較好的燃油經(jīng)濟性。