低黏度GF-60W-16发动机油节能摩擦模拟试验_郝丽春.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.027文献引用:郝丽春，杨鹤，张威力，等低黏度 GF6 0W16 发动机油节能摩擦模拟试验 J 润滑与密封，2023，48(2):190196Cite as:HAO Lichun，YANG He，ZHANG Weili，et alEnergysaving tribological simulation tests of GF6 0W16 low viscosity engine oil J Lubrication Engineering，2023，48(2):190196*基金项目:中国石油化工股份有限公司项目(116064)收稿日期:20211223;修回日期:20220122作者简介:郝丽春(1984)，男，博士，高级工程师，研究方向为润滑油品应用。Email:haolc.ripp 。通信作者:杨鹤(1978)，女，博士，高级工程师，研究方向为石油产品应用。Email:yanghe.ripp 。低黏度 GF6 0W16 发动机油节能摩擦模拟试验*郝丽春杨鹤张威力卢文彤(中石化石油化工科学研究院有限公司北京 100083)摘要:为了进一步提高汽车燃料经济性，ILSAC 颁布的节能发动机油规格已发展到黏度更低的 GF6 级别。由于GF6 发动机节能台架试验周期长、成本高，为了提高开发 GF6 0W16 汽油机油配方的筛选效率，利用摩擦模拟试验分析 0W16 汽油机油的摩擦润滑性能，并采用综合分析法研究摩擦模拟试验结果和发动机节能台架结果的相关性。结果表明:汽油机油配方中各添加剂之间的协同效应对其节油率和摩擦润滑性能产生显著影响，有机钼添加剂含量多的低黏度 GF6 0W16 汽油机油比参比油 GF5 0W20 更具减摩作用;试验温度激发汽油机油中有机钼减摩剂进一步发挥作用，降低摩擦因数;所建立的摩擦模拟试验综合分析法能够较好地预测低黏度 GF6 润滑油节能台架试验结果。关键词:GF6 汽油机油;节能台架;模拟试验;相关性;摩擦磨损中图分类号:TH117.1Energysaving Tribological Simulation Tests of GF60W16 Low Viscosity Engine OilHAO LichunYANG HeZHANG WeiliLU Wentong(esearch Institute of Petroleum Processing Co，Ltd，SINOPEC，Beijing 100083，China)Abstract:In order to further improve the fuel economy of automotive，the energysaving engine oil specification GF6has been issued by ILSAC recentlyThe testing duration and testing cost of GF6 engine oil energysaving bench test arelong and expensiveIn order to improve the screen efficiency of the developing GF6 engine oils，tribological simulationtests were developed to evaluate the lubrication property of the GF6 oilsThe correlation between simulation test andbench test was studied by using the comprehensive analysis methodesults show that synergy effects between oil additivesplay an important influence on the fuel saving rate and the tribological behaviors of engine oilsLower viscosity oil GF60W16 having more organic molybdenum additive presents much lower friction coefficient than reference oil GF5 0W20Testing temperature can induce organic molybdenum additive to reduce the friction coefficient furtherThe comprehens-ive analysis method of the tribological simulation tests developed can better predict the results of GF6 engine oil energysaving bench testKeywords:GF6 oils;energysaving bench;simulation test;correlation;friction and wear随着汽车保有量不断增加，环保问题持续凸显。为减少 CO2排放和应对石油短缺，汽车工业发达国家都在大力发展汽车节能技术。研究表明，发动机摩擦损失占总能量的 15%20%12，而降低油品黏度并改善油品配方能够提高发动机燃油经济性，实现汽车节能减排34。经过近 30 年的发展，ILSAC 颁布的节能发动机油规格已发展到 ILSAC GF6，GF6 分为GF6A 和 GF6B 两个子规格，其中 GF6B 只针对黏度更低的汽油机油56，如 SAE 0W16。GF6 规格在开发过程中遇到巨大挑战，如机油低黏度化、燃油经济性、高温抗氧化性等技术难题。经过业界近 9年的不断努力，该规格发动机油于 2020 年 5 月进行了首批认证。GF6 汽油机油是发动机润滑技术发展的一次重要创新，其中燃油经济性获得广泛关注。ILSAC 制定的汽油机油规格除了分别满足 API 相应的指标外，还应通过 ILSAC 的发动机节能指标要求，测评发动机油燃油经济性的台架试验经历了 VIAVI BVI D 的发展，GF6 规格引入了新开发的程序 VI E/VI F 台架试验来评价汽油机油的燃油经济性。与程序 VI D 相比，程序 VI E/VI F 增加了机油老化试验时间，并在试验过程中减少机油补充量，这就要求发动机油具有更高的燃油经济性保持能力。发动机台架试验复杂、成本高、周期长，而模拟试验具有简单、高效、经济性好等特点，能够快速对机油配方进行初步筛选。杨鹤、张春辉等78 的研究表明，模拟试验可以在一定程度上预测发动机台架试验结果，与台架试验建立相关性关系。GF6 汽油机油黏度进一步降低，使得发动机摩擦副中边界润滑和混合润滑占比增大，对机油的摩擦保护能力和减摩能力提出更加严苛的要求，机油配方开发难度巨大，因此研究合理的模拟试验并对机油配方做出有效筛选十分必要。本文作者采用摩擦试验机，研究低黏度发动机油 GF6 0W16 的摩擦润滑性能，分析模拟试验与 GF6 发动机节能台架试验的相关性，以支撑低黏度 GF6 汽油机油的开发，对节约石油资源、降低碳排放具有重要意义。1试验部分1.1节能台架试验及油样GF6 节能台架试验的发动机转速为 6692 631r/min，扭矩为 6.570.6 Nm，润滑油温度范围为33101，燃油经济性测试方法包含 9 个稳态工况，模拟整车 NEDC 循环。该台架试验结果标准偏差在0.2%以内，具有良好的重复性和区分性9。表 1 给出了 6 个典型的经过节能台架评定的油样，用于模拟试验研究，A 油的节能性最好，F 油的节能性最差，所用参比油为 GF5 0W20 汽油机油。表 1机油油样及发动机台架节油率排序Table 1Engine oil samples and the oil rank offuel saving rate of engine bench油样质量级别黏度级别黏度/(mm2s1)40 100 节油率排序AGF6B0W16272162191BGF6B0W16281763352CGF6B0W16273262583DGF6B0W16282264094EGF6B0W16282664165FGF6B0W16297964416参比油GF50W20359583061.2摩擦模拟试验1.2.1SV 球盘极压试验发动机中的凸轮/挺杆、缸套/活塞环等摩擦部件的接触压力高，如果润滑油的极压性能欠佳，油膜就会出现破裂，产生较大的摩擦阻力和磨损，影响发动机油的节能性能。文中利用 SV 摩擦磨损试验机测定油样的极压性能，试验温度为 50，往复频率为50 Hz，往复行程为 1 mm。试验钢球为 AISI 52100钢，洛氏硬度为(602)HC，表面粗糙度 a为(0.0250.005)m;试验盘为 AISI 52100 钢，洛氏硬度为(602)HC，表面粗糙度 a为(0.0430.007)m。试验时，先在 100 N 载荷下磨合 15min，然后以 100 N 逐级递增载荷，每级载荷运行 2min，直至油膜破裂摩擦因数突然增大或达到试验机载荷限值，以获得极压载荷值。1.2.2SV 缸套活塞环试验缸套活塞环是发动机中最重要的摩擦副之一，摩擦损失占比最大。利用模拟方法直接考察润滑油在缸套活塞环摩擦副中的表现，对于预测发动机台架试验结果具有重要意义。试验时，截取现用发动机缸套块和活塞环，组成缸套活塞环摩擦副，其中缸套块长 20 mm、宽 12 mm、中间位置厚 4 mm，活塞环截取现用活塞环的 1/2。在加持活塞环时，通过施加合适的预紧力改变活塞环弧度，使活塞环与缸套块接触时能完全贴合，以产生均匀的带状磨痕。高温是缸套活塞环处最突出的工作条件，对节能影响显著的润滑工况为边界润滑，同时结合 SV 摩擦试验机技术参数，设计了缸套活塞环模拟试验参数，即接触压力为 104 MPa，平均往复滑动速度为 0.18 m/s。试验首先在 40 下运行 20 min，然后逐步升温到 120，试验时间为 1 h。在试验条件下，油膜厚度与缸套和活塞环综合粗糙度的比值 小于 0.2，表明 SV缸套活塞环摩擦试验处于边界润滑状态1012。1.2.3四球摩擦因数试验SV 试验模拟往复滑动工况，往复频率高，往复行程小，摩擦工况较为苛刻。旋转运动形式的滑动摩擦也存在于发动机摩擦副中，如凸轮/挺杆、油泵等，另外发动机内摩擦副之间的接触力是变化的。文中利用四球试验机，测定不同载荷下油样的摩擦因数。试验转速为 600 r/min，温度为 75，载荷以98.1 N 逐级递增，每级载荷运行 10 min，最大载荷981 N，试验机实时记录摩擦因数。2试验结果及分析2.1油样组成分析为了研究油样的摩擦润滑性能，首先利用红外光1912023 年第 2 期郝丽春等:低黏度 GF6 0W16 发动机油节能摩擦模拟试验谱技术分析 GF6 0W16 汽油机油和参比油中主要减摩抗磨添加剂，红外谱图见图 1。波数 1 738 cm1附近为 C=O 伸缩振动峰13，表明油样中含有无灰酯类减摩剂。1 706 cm1附近为酰亚胺的 C=O 吸收峰14，表明油样中含有酰亚胺类分散剂或无灰减摩剂。1 514 和 1 233 cm1附近为 C=S 不对称和对称伸缩振动峰，1 156 cm1附近为 CN 伸缩振动峰，971cm1附近为 Mo=O 特征吸收峰1516，可以得出油样中含有机钼减摩剂 MoDTC。1 062 cm1附近为 POC伸缩振动峰，668 cm1附近为 P=S 振动吸收峰，537cm1附近为 PSZn 振动