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(jìn)劑對(duì)汽油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了研究。用高頻往復(fù)試驗(yàn)儀模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦情況，通過(guò)測(cè)定摩擦因數(shù)來(lái)考察汽油機(jī)油的潤(rùn)滑性能。汽油機(jī)油的摩擦因數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好，越有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。用發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)測(cè)定汽油機(jī)油的摩擦扭矩，并與參比油的摩擦扭矩進(jìn)行比較。扭矩差（扭矩差=參比油摩擦扭矩的平均值-汽油機(jī)油的摩擦扭矩）越大，汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性越好。用運(yùn)動(dòng)黏度（100℃運(yùn)動(dòng)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(diào)配的0W-20黏度等級(jí)的汽油機(jī)油的摩擦因數(shù)較小，扭矩差較大，具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗(yàn)油耗計(jì)算，可以提高0.28%的燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

根據(jù)工信部發(fā)布的《乘用車(chē)燃料消耗量限值》：GB16578-2014和《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》：GB27999-2014強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的要求，到2020年，所有乘用車(chē)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(dāng)前汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

 

為了降低燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，除了改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)外，改善發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦部件間的潤(rùn)滑狀態(tài)也是一種有效的途徑。一般來(lái)講，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，軸承部位主要處于彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)，而閥系、活塞和缸套等部位主要處于邊界潤(rùn)滑以及混合潤(rùn)滑狀態(tài)。對(duì)于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，選擇低黏度汽油機(jī)油可以降低摩擦損耗；對(duì)于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，要降低摩擦損耗，在發(fā)動(dòng)機(jī)油中加入摩擦改進(jìn)劑則是比較有效的方法。對(duì)于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，則需要綜合考慮汽油機(jī)油的黏度特性與摩擦特性的優(yōu)化。

 

為了提高乘用車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，研究汽油機(jī)油組分對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響十分必要。作為一種可以改善潤(rùn)滑油黏溫性能的添加劑，黏度指數(shù)改進(jìn)劑在發(fā)動(dòng)機(jī)油中得到了廣泛的應(yīng)用。

 

常用的黏度指數(shù)改進(jìn)劑有氫化苯乙烯雙烯共聚物（簡(jiǎn)稱(chēng)HSD）、烯烴共聚物（簡(jiǎn)稱(chēng)OCP）、聚甲基丙烯酸酯（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jī)油中應(yīng)用較為普遍。PMA具有改善汽油機(jī)油低溫性能，提高黏度指數(shù)的特點(diǎn)，也廣泛用于高性能汽油機(jī)油中。有研究報(bào)道，使用PMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑調(diào)配的汽油機(jī)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(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

選用了一種HSD黏度指數(shù)改進(jìn)劑和三種PMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑（分別表示為PMA1黏度指數(shù)改進(jìn)劑，PMA2黏度指數(shù)改進(jìn)和PMA3黏度指數(shù)改進(jìn)劑），分別調(diào)配了四個(gè)0W-20黏度等級(jí)的汽油機(jī)油。借助高頻往復(fù)試驗(yàn)儀（High Frequency Reciprocating Rig，HFRR）和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，對(duì)比考察了這四種黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

 

高頻往復(fù)試驗(yàn)儀（HFRR）是由微處理器控制的往復(fù)磨損測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)汽油機(jī)油的摩擦磨損特性進(jìn)行測(cè)試。HFRR可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞（環(huán)）等部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦情況，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)（摩擦因數(shù)、磨斑直徑），考察汽油機(jī)油的潤(rùn)滑效果。
 

將某車(chē)企生產(chǎn)的1.2L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)扭矩法蘭與測(cè)功機(jī)連接，在不點(diǎn)火的狀態(tài)下用電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試不同工況下的摩擦扭矩值。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

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

使用相同的基礎(chǔ)油（同一批次的API Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油）和主劑，在配比不變的條件下，調(diào)配得到四個(gè)汽油機(jī)油樣油。在這四個(gè)汽油機(jī)油樣油中，分別加入HSD黏度指數(shù)改進(jìn)劑，PMA1黏度指數(shù)改進(jìn)劑，PMA2黏度指數(shù)改進(jìn)和PMA3黏度指數(shù)改進(jìn)劑，依次得到HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油。各黏度指數(shù)改進(jìn)劑的加入量應(yīng)盡可能使汽油機(jī)油的高溫高剪切黏度（ 150℃，106s-1 ）接近0W-20黏度等級(jí)的2.60mPa·s，以期獲得較佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油的典型理化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

高頻往復(fù)試驗(yàn)儀（HFRR）模擬試驗(yàn)條件為：沖程1mm，頻率40Hz，載荷3.92N，溫度80℃和110℃，每個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)15min；HFRR摩擦球的材質(zhì)為AISI E-52100鋼，洛氏硬度58～66，摩擦盤(pán)的材質(zhì)為AISI E-52100鋼。用HFRR模擬試驗(yàn)對(duì)HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油的摩擦因數(shù)和磨斑直徑進(jìn)行了考察，結(jié)果見(jiàn)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(jī)油表現(xiàn)較好，表明PMA1汽油機(jī)油具有較好的減摩效果和潤(rùn)滑性能。這是因?yàn)镻MA1的剪切穩(wěn)定性指數(shù)（SSI）較小（參見(jiàn)表1），剪切穩(wěn)定性較好以及100℃運(yùn)動(dòng)黏度相對(duì)較低（參見(jiàn)表2）的緣故。說(shuō)明剪切穩(wěn)定性好，100,℃運(yùn)動(dòng)黏度較低的汽油機(jī)油更有利于降低摩擦因數(shù)。從磨斑直徑方面看，PMA2汽油機(jī)油的磨損輕微，PMA3汽油機(jī)油的磨損嚴(yán)重，表明汽油機(jī)油100℃運(yùn)動(dòng)黏度（參見(jiàn)表2）越大，越有助于減少摩擦副的磨損。
 

在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能臺(tái)架上對(duì)HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油進(jìn)行倒拖摩擦扭矩考察，測(cè)試不同黏度指數(shù)改進(jìn)劑調(diào)配的汽油機(jī)油實(shí)際的燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

在測(cè)試時(shí)，即在一定溫度和轉(zhuǎn)速工況下測(cè)定參比油的摩擦扭矩（簡(jiǎn)稱(chēng)前摩擦扭矩），然后用試驗(yàn)油（即HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油）進(jìn)行沖洗，并在相同工況下測(cè)定試驗(yàn)油的摩擦扭矩，最后再測(cè)試參比油的摩擦扭矩（簡(jiǎn)稱(chēng)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(yàn)油的摩擦扭矩進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出兩者的扭矩差（扭矩差=參比油摩擦扭矩的平均值-試驗(yàn)油的摩擦扭矩），最后用NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗(yàn)油耗軟件計(jì)算出用不同黏度指數(shù)改進(jìn)劑調(diào)配的HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

根據(jù)NEDC循環(huán)試驗(yàn)的功率密度大致分布情況，確定了NEDC循環(huán)試驗(yàn)的工況條件，即：機(jī)油溫度分別為35℃，50℃，80℃和110℃；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jí)的汽油機(jī)油。

 

測(cè)試了HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油的扭矩，并計(jì)算得到不同溫度和不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下參比油與試驗(yàn)油的扭矩差，見(jiàn)圖2-圖5。

圖2 35℃時(shí)參比油與試驗(yàn)油的扭矩差

圖3 50℃時(shí)參比油與試驗(yàn)油的扭矩差

圖4 80℃時(shí)參比油與試驗(yàn)油的扭矩差

圖5 110℃時(shí)參比油與試驗(yàn)油的扭矩差

扭矩差越大，說(shuō)明試驗(yàn)油降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩的能力越強(qiáng)，燃油經(jīng)濟(jì)性越好。

 

從圖2-圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，PMA1汽油機(jī)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(guò)模擬軟件計(jì)算，將倒拖摩擦扭矩差轉(zhuǎn)化為NEDC循環(huán)試驗(yàn)油耗，分別得到HSD汽油機(jī)油，PMA1汽油機(jī)油，PMA2汽油機(jī)油和PMA3汽油機(jī)油的NEDC循環(huán)油耗結(jié)果，見(jiàn)表4。

從表4的結(jié)果看，PMA1汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性較好，PMA2汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

 

PMA1黏度指數(shù)改進(jìn)劑的100℃運(yùn)動(dòng)黏度較小，剪切穩(wěn)定性較好（100℃運(yùn)動(dòng)黏度為890mm2/s，SSI為5，參見(jiàn)表1），在高溫高剪切黏度相同的條件下，調(diào)配的PMA1汽油機(jī)油的100℃運(yùn)動(dòng)黏度較小，更有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

 

 

100℃運(yùn)動(dòng)黏度較小，剪切穩(wěn)定性較好聚甲基丙烯酸酯（PMA）調(diào)配的0W-20 黏度等級(jí)的汽油機(jī)油的摩擦因數(shù)較小，扭矩差較大，具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)NEDC（New European Driving Cycle）模擬循環(huán)試驗(yàn)油耗計(jì)算，可以提高0.28%的燃油經(jīng)濟(jì)性。