减摩剂在柴油机油中的复配性能研究

熊 云，杨 律，2，刘 晓，李 易

（1.解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆401311；2.75752部队；3.太平洋联合（北京）石油化工有限公司）

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，汽车保有量也在大幅度增加，而从2005年开始实施《乘用车燃料消耗量限值》的强制性国家标准，使得有效改善汽车燃油经济性、降低汽车燃油消耗已成为汽车制造工业和相关产业迫切需要解决的技术难题。在燃料的燃烧效能达到一定程度后，发动机节能性能的发挥主要依赖于润滑油的减摩性能。已有的研究结果表明［1－2］，汽车燃料做功释放的能量中有20%～25%被零部件间的摩擦所消耗，其中缸套与活塞和活塞环之间的摩擦损失占总摩擦损失的45%～55%，气阀机构消耗占7%～15%，连杆轴承消耗占20%～30%。发动机不同部件间的摩擦方式不同，随着发动机技术的发展，其中的边界和混合摩擦所占比例越来越大，因此，从发动机节能台架试验程序ⅥB到程序ⅥD，边界和混合润滑所占的比例也越来越大，减摩剂在提高燃料经济性方面的作用也越来越明显［3］。减摩剂大致可以分为两类：一类是有机金属化合物，如有机钼、有机铜、有机锑等，近些年关于有机钼添加剂的研究较多［4－7］，另一类是无灰型有机化合物，包括脂肪酸、醇、酯及其衍生物，脂肪胺及其衍生物［8］，近些年关于硼酸酯的研究较多［9－13］。一般无灰型的减摩剂主要依靠极性基团在摩擦副表面的物理或化学吸附来减小摩擦，当温度超过其临界温度时，添加剂会从摩擦副表面脱附，从而使摩擦系数增大，其作用温度较低。而有机金属化合物则主要通过与摩擦副表面发生化学反应，生成化学反应膜来减小摩擦，使摩擦系数下降，其作用温度较高。当两类添加剂的复配协同作用发挥良好时，在边界润滑和混合润滑状态下，在全温度范围内形成良好的边界润滑膜，从而有效地减小摩擦，降低磨损。

均匀设计是一种适合多因素多水平的试验设计方法［14］，其与正交试验设计的“均匀分散，整齐可比”的特点相比，去除“整齐可比”的要求，但数据点的分布更加均匀分散，同时相对于正交试验设计n2次试验（n为水平数）而言，均匀设计可用较少的试验次数完成复杂的科研试验，加快研究进度，尤其在水平数较多的情况下，效果更加明显。本课题使用均匀设计法考察减摩剂在柴油机油中的复配性，通过回归分析和偏最小二乘法寻找减摩剂在柴油机油中的最优配方，并对最优配方进行验证。

1 实 验

1.1 试验油和添加剂

润滑油为 CF－4 15W－40柴油机油，东风油品集团生产；添加剂为有机钼添加剂A，有机钼添加剂B，磷酸酯，含氮硼酸酯，均为市售产品。

1.2 减摩抗磨性能测试设备与方法

1.2.1 试验设备与材料 济南试验机厂生产的MMW－1型立式万能摩擦磨损试验机，所用钢球为上海轴承厂生产，直径12.7mm，符合GB/T 308—2002，Ⅱ级轴承钢球，材料为GCrl5，硬度HRC为64～66。1.2.2 试验方法 试验前，将钢球浸入石油醚中，用超声波清洗机清洗10min，参考SH/T 0762—2005试验方法，确定试验转速为600r/min；从98N开始，每隔10min增加载荷98N，逐级加至980N或出现摩擦力急剧增大时停止。取每级10min内摩擦系数的平均值为此载荷下的摩擦系数。试验结束后，用读数显微镜测量底球的磨斑直径，以3个底球磨斑直径的算术平均值来表征抗磨性能，以摩擦系数的变化来评价减摩能力。

1.3 减摩添加剂复配方案的均匀设计

润滑油中不同的添加剂之间存在相互作用，包括协同作用和对抗作用等，通过单剂筛选，从常用的减摩添加剂中选出4种在柴油机油中减摩效果好的添加剂，以温度和4种减摩剂的添加量为因素，考察4种减摩剂的复配方案，其中温度取4个水平，有机钼添加剂A和有机钼添加剂B的添加量取4个水平，考虑到无灰型减摩剂的用量范围较宽，磷酸酯和含氮硼酸酯的添加量分别取6个水平，具体水平取值见表1。

表1 各因素的水平范围

采用拟水平的混合水平法，用DPS数据处理系统构造了U12（43×62）均匀设计表。DPS数据处理系统是浙江大学唐启义教授开发的一款用于实验设计、统计分析和数据挖掘的应用软件，具有数值计算、统计分析、建立数学模型等功能，操作简单方便，人机界面灵活。均匀设计表如表2所示。

表2 均匀设计表

2 结果与讨论

2.1 试验指标测定结果

按照表2所示方案配制试样，通过四球摩擦磨损试验得出不同方案在各级荷载下的摩擦系数和磨斑直径。为便于数据结果分析与处理，通过对试验结果的观察，部分相邻载荷下的摩擦系数相差不大，于是将相邻的几个级别载荷的摩擦系数合并计算，将10级载荷分为低、中、高3种载荷，将98～196N定义为低载荷，294～588N定义为中载荷，686～980N定义为高载荷，取各区间段摩擦系数的平均值，结果见表3。

表3 低、中、高3种载荷区间段摩擦系数的平均值

2.2 试验结果分析

分别以5个因素为自变量，4个指标为因变量，通过DPS数据处理系统对均匀设计试验数据进行偏最小二乘二次多项式回归，其中用x1，x2，x3，x4，x5分别表示温度值以及有机钼添加剂A、有机钼添加剂B、磷酸酯、含氮硼酸酯添加的质量分数，y1，y2，y3，y4分别表示低载荷、中载荷、高载荷下的平均摩擦系数和磨斑直径，得出一组回归方程（回归方程比较冗长复杂，在此不一一列出），并求得最优条件，最优条件：温度为75℃，有机钼添加剂A、有机钼添加剂B和含氮硼酸酯在油品中的添加质量分数分别为0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%。

根据提取的潜变量个数不同，数据标准化后模型误差平方和与相关系数见表4。从表4可以看出，当潜变量数从1增大到5个时，误差平方和逐渐减小，决定系数逐渐增大，当潜变量数为5时，y1，y2，y3，y44个试验指标的回归方程的相关系数R2分别为0.940 1，0.985 7，0.975 4，0.946 1，都趋近于1，说明回归模型均有较高的可信度和可行性。

表4 误差平方和及决定系数R2

根据标准偏回归系数的大小和符号可以判断出试验因素对试验指标的影响程度和正负效应。表5列出了各个自变量主效应对各个因变量的标准回归系数（其它交互效应和二阶效应略去），通过标准回归系数的符号可以得出各因素对每个指标的影响，表的纵列表示单个因素分别对低载荷、中载荷、高载荷下的摩擦系数和磨斑直径的影响，表的横行表示不同因素对单个指标的影响，从标准回归系数的大小可得知因素对指标影响的程度。从表5可以看出：①温度对于中低载荷摩擦系数的影响为负效应，即温度越高，中低载荷摩擦系数越小，对于高载荷摩擦系数和磨斑直径则为正效应，即温度越高，高载荷摩擦系数越大，磨斑直径越大；②添加剂有机钼添加剂A的加入量对于中低载荷摩擦系数的影响为负效应，即随着添加量的增加，中低载荷摩擦系数越小，对于高载荷摩擦系数和磨斑直径则为正效应，即随着添加量的增加，高载荷摩擦系数越大，磨斑直径越大；③添加剂有机钼添加剂B的加入量对于各级载荷和磨斑直径均为负效应，即随着添加量增加，摩擦系数越小，磨斑直径越小；④添加剂磷酸酯和硼酸酯对每个指标的影响一致，对于低载荷、高载荷和磨斑直径为正效应，即随着添加量的增加，低、高载荷摩擦系数越大，磨斑直径越大，对于中载荷则为负效应，即随着添加量增加，中载荷摩擦系数越小；⑤有机钼添加剂A、有机钼添加剂B、含氮硼酸酯、磷酸酯的加入量及温度对低载荷下的摩擦系数的影响依次减小；⑥含氮硼酸酯、有机钼添加剂B、磷酸酯、有机钼添加剂A的加入量及温度对中载荷下的摩擦系数的影响依次减小；⑦有机钼添加剂B加入量、温度、磷酸酯加入量、含氮硼酸酯加入量、有机钼添加剂A加入量对高载荷下的摩擦系数的影响依次减小；⑧温度、含氮硼酸酯加入量、有机钼添加剂B加入量、有机钼添加剂A加入量、磷酸酯加入量对磨斑直径的影响依次减小。

表5 各个自变量对各个因变量主效应的标准回归系数

2.3 最优配方验证

将2.2节中得到的最优配方进行验证试验，最优配方的试验指标预测值与实测值对比见表6。从表6可以看出，最优配方实测值相对于未加入减摩剂的空白柴油机油而言，摩擦系数和磨斑直径均有大幅度降低，摩擦系数平均降低43.6%，磨斑直径降低47.1%，同时，除中载荷下的摩擦系数外，其它各项指标的预测值与实测值都较接近。最优配方中减摩剂产生了良好的减摩抗磨效果，同时添加剂总量是均匀设计中效果较好的几组方案中最少的，说明用偏最小二乘回归方法对数据结果的处理是适合的。

表6 最优配方验证结果

空白柴油机油与按最优配方调制的柴油机油的摩擦系数变化见图1。从图1可以看出，在整个试验载荷下，与空白柴油机油相比，最优配方柴油机油的摩擦系数大幅度减小，表明根据回归方程计算得出的节能减摩添加剂最优配方在柴油机油中能够起到非常优异的减摩效果。

图1 空白柴油机油与最优配方柴油机油的摩擦系数对比

3 结 论

CF－4 15W－40柴油机油的最优减摩配方为：有机钼添加剂A、有机钼添加剂B和含氮硼酸酯在油品中的添加质量分数分别为0.779 9%，1.200 0%，0.662 9%，该配方能够有效降低摩擦，减小磨损，平均摩擦系数减小43.6%，磨斑直径减小47.1%。

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