涨知识｜黏度指数改进剂对汽油发动机燃油经济性的影响

摘要：就一种氢化苯乙烯双烯共聚物和三种聚甲基丙烯酸酯黏度指数改进剂对汽油机油燃油经济性的影响进行了研究。用高频往复试验仪模拟发动机的摩擦情况，通过测定摩擦因数来考察汽油机油的润滑性能。汽油机油的摩擦因数越小，润滑性能越好，越有利于提高燃油经济性。用发动机倒拖试验测定汽油机油的摩擦扭矩，并与参比油的摩擦扭矩进行比较。扭矩差（扭矩差=参比油摩擦扭矩的平均值-汽油机油的摩擦扭矩）越大，汽油机油的燃油经济性越好。用运动黏度（100℃运动黏度890mm2/s）较小，剪切稳定性（剪切稳定性指数5 ）较好的聚甲基丙烯酸酯调配的0W-20黏度等级的汽油机油的摩擦因数较小，扭矩差较大，具有较好的燃油经济性。根据NEDC（New European Driving Cycle）模拟循环试验油耗计算，可以提高0.28%的燃油经济性。

 

根据工信部发布的《乘用车燃料消耗量限值》：GB16578-2014和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》：GB27999-2014强制性标准的要求，到2020年，所有乘用车每100km的平均油耗必须降至5.0L，因此节省燃油，降低油耗是当前汽车工业发展的大趋势。

 

为了降低燃油消耗，提高燃油经济性，除了改进发动机的设计外，改善发动机摩擦部件间的润滑状态也是一种有效的途径。一般来讲，发动机在运行过程中，轴承部位主要处于弹性流体润滑状态，而阀系、活塞和缸套等部位主要处于边界润滑以及混合润滑状态。对于流体润滑状态，选择低黏度的汽油机油可以降低摩擦损耗；对于边界润滑状态，要降低摩擦损耗，在发动机油中加入摩擦改进剂则是比较有效的方法。对于混合润滑状态，则需要综合考虑汽油机油的黏度特性与摩擦特性的优化。

 

为了提高乘用车的燃油经济性，研究汽油机油组分对燃油经济性的影响十分必要。作为一种可以改善润滑油黏温性能的添加剂，黏度指数改进剂在发动机油中得到了广泛的应用。

 

常用的黏度指数改进剂有氢化苯乙烯双烯共聚物（简称HSD）、烯烃共聚物（简称OCP）、聚甲基丙烯酸酯（简称PMA）、氢化苯乙烯-异戊二烯共聚物（SDC）和聚异丁烯（PIB）等。OCP和HSD的综合性能较好，但HSD比OCP具有更好的抗剪切性能，在高档汽油机油中应用较为普遍。PMA具有改善汽油机油低温性能，提高黏度指数的特点，也广泛用于高性能汽油机油中。有研究报道，使用PMA黏度指数改进剂调配的汽油机油在高温低速工况下，有助于在金属表面形成边界油膜，从而显著减小摩擦，提升汽油机油的燃油经济性。

 

选用了一种HSD黏度指数改进剂和三种PMA黏度指数改进剂（分别表示为PMA1黏度指数改进剂，PMA2黏度指数改进和PMA3黏度指数改进剂），分别调配了四个0W-20黏度等级的汽油机油。借助高频往复试验仪（High Frequency Reciprocating Rig，HFRR）和发动机台架，对比考察了这四种黏度指数改进剂对汽油发动机燃油经济性的影响。

 

高频往复试验仪（HFRR）是由微处理器控制的往复磨损测试系统，可对汽油机油的摩擦磨损特性进行测试。HFRR可以模拟发动机缸套-活塞（环）等部件往复运动时的摩擦情况，通过对比试验参数（摩擦因数、磨斑直径），考察汽油机油的润滑效果。
 

将某车企生产的1.2L涡轮增压直喷发动机通过扭矩法兰与测功机连接，在不点火的状态下用电机倒拖发动机测试不同工况下的摩擦扭矩值。发动机台架见图1。

图1 发动机台架

选用了一种HSD黏度指数改进剂和三种PMA黏度指数改进剂（分别表示为PMA1 黏度指数改进剂，PMA2黏度指数改进和PMA3黏度指数改进剂）作为试验样品，这四种黏度指数改进剂的部分典型理化性能见表1。

使用相同的基础油（同一批次的API Ⅲ类基础油）和主剂，在配比不变的条件下，调配得到四个汽油机油样油。在这四个汽油机油样油中，分别加入HSD黏度指数改进剂，PMA1黏度指数改进剂，PMA2黏度指数改进和PMA3黏度指数改进剂，依次得到HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油。各黏度指数改进剂的加入量应尽可能使汽油机油的高温高剪切黏度（ 150℃，106s-1 ）接近0W-20黏度等级的2.60mPa·s，以期获得较佳的燃油经济性。HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油的典型理化数据见表2。

高频往复试验仪（HFRR）模拟试验条件为：冲程1mm，频率40Hz，载荷3.92N，温度80℃和110℃，每个温度点试验15min；HFRR摩擦球的材质为AISI E-52100钢，洛氏硬度58～66，摩擦盘的材质为AISI E-52100钢。用HFRR模拟试验对HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油的摩擦因数和磨斑直径进行了考察，结果见表3。

从表3的考察中可以看出，在降低摩擦因数方面，PMA1汽油机油表现较好，表明PMA1汽油机油具有较好的减摩效果和润滑性能。这是因为PMA1的剪切稳定性指数（SSI）较小（参见表1），剪切稳定性较好以及100℃运动黏度相对较低（参见表2）的缘故。说明剪切稳定性好，100,℃运动黏度较低的汽油机油更有利于降低摩擦因数。从磨斑直径方面看，PMA2汽油机油的磨损轻微，PMA3汽油机油的磨损严重，表明汽油机油100℃运动黏度（参见表2）越大，越有助于减少摩擦副的磨损。
 

在发动机节能台架上对HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油进行倒拖摩擦扭矩考察，测试不同黏度指数改进剂调配的汽油机油实际的燃油经济性。

 

在测试时，即在一定温度和转速工况下测定参比油的摩擦扭矩（简称前摩擦扭矩），然后用试验油（即HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油）进行冲洗，并在相同工况下测定试验油的摩擦扭矩，最后再测试参比油的摩擦扭矩（简称后摩擦扭矩）。取参比油前摩擦扭矩和后摩擦扭矩的平均值与试验油的摩擦扭矩进行对比，计算出两者的扭矩差（扭矩差=参比油摩擦扭矩的平均值-试验油的摩擦扭矩），最后用NEDC（New European Driving Cycle）模拟循环试验油耗软件计算出用不同黏度指数改进剂调配的HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油的燃油经济性。

 

根据NEDC循环试验的功率密度大致分布情况，确定了NEDC循环试验的工况条件，即：机油温度分别为35℃，50℃，80℃和110℃；发动机转速分别为1100r/min，1450r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，3500r/min，4000r/min和4500r/min；参比油为0W-30黏度等级的汽油机油。

 

测试了HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油的扭矩，并计算得到不同温度和不同发动机转速下参比油与试验油的扭矩差，见图2-图5。

图2 35℃时参比油与试验油的扭矩差

图3 50℃时参比油与试验油的扭矩差

图4 80℃时参比油与试验油的扭矩差

图5 110℃时参比油与试验油的扭矩差

扭矩差越大，说明试验油降低发动机摩擦扭矩的能力越强，燃油经济性越好。

 

从图2-图5的试验结果可以看出，PMA1汽油机油的减摩能力较突出，特别是中低温工况下和高温中高速工况下降低扭矩较为显著。通过模拟软件计算，将倒拖摩擦扭矩差转化为NEDC循环试验油耗，分别得到HSD汽油机油，PMA1汽油机油，PMA2汽油机油和PMA3汽油机油的NEDC循环油耗结果，见表4。

从表4的结果看，PMA1汽油机油的燃油经济性较好，PMA2汽油机油的燃油经济性较差。

 

PMA1黏度指数改进剂的100℃运动黏度较小，剪切稳定性较好（100℃运动黏度为890mm2/s，SSI为5，参见表1），在高温高剪切黏度相同的条件下，调配的PMA1汽油机油的100℃运动黏度较小，更有利于提高燃油经济性。

 

 

100℃运动黏度较小，剪切稳定性较好聚甲基丙烯酸酯（PMA）调配的0W-20 黏度等级的汽油机油的摩擦因数较小，扭矩差较大，具有较好的燃油经济性。根据NEDC（New European Driving Cycle）模拟循环试验油耗计算，可以提高0.28%的燃油经济性。