小科普｜黏度指數(shù)改進劑對汽油機油燃油經(jīng)濟性的影響

摘要：就一種氫化苯乙烯雙烯共聚物和三種聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進劑對汽油機油燃油經(jīng)濟性的影響進行了研究。用高頻往復試驗儀模擬發(fā)動機的摩擦情況，通過測定摩擦因數(shù)來考察汽油機油的潤滑性能。汽油機油的摩擦因數(shù)越小，潤滑性能越好，越有利于提高燃油經(jīng)濟性。用發(fā)動機倒拖試驗測定汽油機油的摩擦扭矩，并與參比油的摩擦扭矩進行比較。扭矩差（扭矩差=參比油摩擦扭矩的平均值-汽油機油的摩擦扭矩）越大，汽油機油的燃油經(jīng)濟性越好。用運動黏度（100℃運動黏度890mm2/s）較小，剪切穩(wěn)定性（剪切穩(wěn)定性指數(shù)5 ）較好的聚甲基丙烯酸酯調配的0W-20黏度等級的汽油機油的摩擦因數(shù)較小，扭矩差較大，具有較好的燃油經(jīng)濟性。根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗油耗計算，可以提高0.28%的燃油經(jīng)濟性。

 

根據(jù)工信部發(fā)布的《乘用車燃料消耗量限值》：GB16578-2014和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》：GB27999-2014強制性標準的要求，到2020年，所有乘用車每100km的平均油耗必須降至5.0L，因此節(jié)省燃油，降低油耗是當前汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢。

 

為了降低燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟性，除了改進發(fā)動機的設計外，改善發(fā)動機摩擦部件間的潤滑狀態(tài)也是一種有效的途徑。一般來講，發(fā)動機在運行過程中，軸承部位主要處于彈性流體潤滑狀態(tài)，而閥系、活塞和缸套等部位主要處于邊界潤滑以及混合潤滑狀態(tài)。對于流體潤滑狀態(tài)，選擇低黏度汽油機油可以降低摩擦損耗；對于邊界潤滑狀態(tài)，要降低摩擦損耗，在發(fā)動機油中加入摩擦改進劑則是比較有效的方法。對于混合潤滑狀態(tài)，則需要綜合考慮汽油機油的黏度特性與摩擦特性的優(yōu)化。

 

為了提高乘用車的燃油經(jīng)濟性，研究汽油機油組分對燃油經(jīng)濟性的影響十分必要。作為一種可以改善潤滑油黏溫性能的添加劑，黏度指數(shù)改進劑在發(fā)動機油中得到了廣泛的應用。

 

常用的黏度指數(shù)改進劑有氫化苯乙烯雙烯共聚物（簡稱HSD）、烯烴共聚物（簡稱OCP）、聚甲基丙烯酸酯（簡稱PMA）、氫化苯乙烯-異戊二烯共聚物（SDC）和聚異丁烯（PIB）等。OCP和HSD的綜合性能較好，但HSD比OCP具有更好的抗剪切性能，在高檔汽油機油中應用較為普遍。PMA具有改善汽油機油低溫性能，提高黏度指數(shù)的特點，也廣泛用于高性能汽油機油中。有研究報道，使用PMA黏度指數(shù)改進劑調配的汽油機油在高溫低速工況下，有助于在金屬表面形成邊界油膜，從而顯著減小摩擦，提升汽油機油的燃油經(jīng)濟性。

 

選用了一種HSD黏度指數(shù)改進劑和三種PMA黏度指數(shù)改進劑（分別表示為PMA1黏度指數(shù)改進劑，PMA2黏度指數(shù)改進和PMA3黏度指數(shù)改進劑），分別調配了四個0W-20黏度等級的汽油機油。借助高頻往復試驗儀（High Frequency Reciprocating Rig，HFRR）和發(fā)動機臺架，對比考察了這四種黏度指數(shù)改進劑對汽油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響。

 

高頻往復試驗儀（HFRR）是由微處理器控制的往復磨損測試系統(tǒng)，可對汽油機油的摩擦磨損特性進行測試。HFRR可以模擬發(fā)動機缸套-活塞（環(huán)）等部件往復運動時的摩擦情況，通過對比試驗參數(shù)（摩擦因數(shù)、磨斑直徑），考察汽油機油的潤滑效果。
 

將某車企生產(chǎn)的1.2L渦輪增壓直噴發(fā)動機通過扭矩法蘭與測功機連接，在不點火的狀態(tài)下用電機倒拖發(fā)動機測試不同工況下的摩擦扭矩值。發(fā)動機臺架見圖1。

圖1 發(fā)動機臺架

選用了一種HSD黏度指數(shù)改進劑和三種PMA黏度指數(shù)改進劑（分別表示為PMA1 黏度指數(shù)改進劑，PMA2黏度指數(shù)改進和PMA3黏度指數(shù)改進劑）作為試驗樣品，這四種黏度指數(shù)改進劑的部分典型理化性能見表1。

使用相同的基礎油（同一批次的API Ⅲ類基礎油）和主劑，在配比不變的條件下，調配得到四個汽油機油樣油。在這四個汽油機油樣油中，分別加入HSD黏度指數(shù)改進劑，PMA1黏度指數(shù)改進劑，PMA2黏度指數(shù)改進和PMA3黏度指數(shù)改進劑，依次得到HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油。各黏度指數(shù)改進劑的加入量應盡可能使汽油機油的高溫高剪切黏度（ 150℃，106s-1 ）接近0W-20黏度等級的2.60mPa·s，以期獲得較佳的燃油經(jīng)濟性。HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油的典型理化數(shù)據(jù)見表2。

高頻往復試驗儀（HFRR）模擬試驗條件為：沖程1mm，頻率40Hz，載荷3.92N，溫度80℃和110℃，每個溫度點試驗15min；HFRR摩擦球的材質為AISI E-52100鋼，洛氏硬度58～66，摩擦盤的材質為AISI E-52100鋼。用HFRR模擬試驗對HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑進行了考察，結果見表3。

從表3的考察中可以看出，在降低摩擦因數(shù)方面，PMA1汽油機油表現(xiàn)較好，表明PMA1汽油機油具有較好的減摩效果和潤滑性能。這是因為PMA1的剪切穩(wěn)定性指數(shù)（SSI）較?。▍⒁姳?），剪切穩(wěn)定性較好以及100℃運動黏度相對較低（參見表2）的緣故。說明剪切穩(wěn)定性好，100,℃運動黏度較低的汽油機油更有利于降低摩擦因數(shù)。從磨斑直徑方面看，PMA2汽油機油的磨損輕微，PMA3汽油機油的磨損嚴重，表明汽油機油100℃運動黏度（參見表2）越大，越有助于減少摩擦副的磨損。
 

在發(fā)動機節(jié)能臺架上對HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油進行倒拖摩擦扭矩考察，測試不同黏度指數(shù)改進劑調配的汽油機油實際的燃油經(jīng)濟性。

 

在測試時，即在一定溫度和轉速工況下測定參比油的摩擦扭矩（簡稱前摩擦扭矩），然后用試驗油（即HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油）進行沖洗，并在相同工況下測定試驗油的摩擦扭矩，最后再測試參比油的摩擦扭矩（簡稱后摩擦扭矩）。取參比油前摩擦扭矩和后摩擦扭矩的平均值與試驗油的摩擦扭矩進行對比，計算出兩者的扭矩差（扭矩差=參比油摩擦扭矩的平均值-試驗油的摩擦扭矩），最后用NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗油耗軟件計算出用不同黏度指數(shù)改進劑調配的HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油的燃油經(jīng)濟性。

 

根據(jù)NEDC循環(huán)試驗的功率密度大致分布情況，確定了NEDC循環(huán)試驗的工況條件，即：機油溫度分別為35℃，50℃，80℃和110℃；發(fā)動機轉速分別為1100r/min，1450r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，3500r/min，4000r/min和4500r/min；參比油為0W-30黏度等級的汽油機油。

 

測試了HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油的扭矩，并計算得到不同溫度和不同發(fā)動機轉速下參比油與試驗油的扭矩差，見圖2-圖5。

圖2 35℃時參比油與試驗油的扭矩差

圖3 50℃時參比油與試驗油的扭矩差

圖4 80℃時參比油與試驗油的扭矩差

圖5 110℃時參比油與試驗油的扭矩差

扭矩差越大，說明試驗油降低發(fā)動機摩擦扭矩的能力越強，燃油經(jīng)濟性越好。

 

從圖2-圖5的試驗結果可以看出，PMA1汽油機油的減摩能力較突出，特別是中低溫工況下和高溫中高速工況下降低扭矩較為顯著。通過模擬軟件計算，將倒拖摩擦扭矩差轉化為NEDC循環(huán)試驗油耗，分別得到HSD汽油機油，PMA1汽油機油，PMA2汽油機油和PMA3汽油機油的NEDC循環(huán)油耗結果，見表4。

從表4的結果看，PMA1汽油機油的燃油經(jīng)濟性較好，PMA2汽油機油的燃油經(jīng)濟性較差。

 

PMA1黏度指數(shù)改進劑的100℃運動黏度較小，剪切穩(wěn)定性較好（100℃運動黏度為890mm2/s，SSI為5，參見表1），在高溫高剪切黏度相同的條件下，調配的PMA1汽油機油的100℃運動黏度較小，更有利于提高燃油經(jīng)濟性。

 

 

100℃運動黏度較小，剪切穩(wěn)定性較好聚甲基丙烯酸酯（PMA）調配的0W-20 黏度等級的汽油機油的摩擦因數(shù)較小，扭矩差較大，具有較好的燃油經(jīng)濟性。根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗油耗計算，可以提高0.28%的燃油經(jīng)濟性。