【润英联技术研究成果分享】全配方汽油机油助力实现减摩突破

中国润滑油信息网2019-05-22 03:53:30

发动机摩擦损失占客车燃料消耗的三分之一。该客观事实正推动着对减少摩擦这一研究的重大投资,因为OEM厂商正为满足不断紧缩的二氧化碳排放法规要求而努力。继在英国利兹 - 里昂研讨会发布论文之后,润英联Dean Clarke介绍了润英联和Mahle所进行的将实际路况下的超润滑作为一种显著减少摩擦方法的工作。

为改善车辆油耗,汽车行业多年来一直致力于降低发动机的摩擦损失。其中一个重点关注领域就是活塞环和活塞,因为它们占据了发动机总摩擦损失的一半左右。 迄今为止,这些工作主要围绕设计更改、使用低摩擦涂层,改善内壁表面光洁度及调配高级润滑油,来减少活塞系统的摩擦。



现在,业界正在探索涂层和润滑油添加剂一些特定组合所具有的新型协同效应(称为“超润滑”),用以减少摩擦。

结构性超润滑是指两个接触表面在测量误差范围内摩擦系数(CoF)小于0.01的无阻力滑动的状态。尽管已获得实际使用的发动机部件低至0.02的摩擦系数,但还未获得使用全配方机油有如此低的摩擦系数。润英联和Mahle公司已开展了一项旨在实际路况下实现超润滑效应的研究,这意味着通过使用经过全面调配的发动机油,显著降低真实条件下的发动机部件之间的摩擦(≤0.04 CoF)。


目前有若干个假设来解释超润滑效应,其核心的一个假设是氢键在类金刚石(DLC)光滑表面上形成。 然而,这一最新项目也探索了一个实现超润滑的全新途径,它结合了物理气相沉积陶瓷(PVDC)涂层,钼类添加剂和常规的内壁抛光。

活塞环试验

首先,选择两款市面销售的机油进行试验。

对活塞环和缸套(来自生产过程中的真实部件)的无氢DLC和PVDC涂层, 用往复试验来评估各种负荷及温度下的摩擦系数。


对于每个活塞环/缸套/润滑油,根据以下步骤至少进行三次往复式试验:

在试验之后,清洁了活塞环/缸套,测量了磨损情况,并分析了所选活塞环/缸套的摩擦膜情况。


两种测试机油在PVDC和DLC类型涂层的摩擦和磨损程序中显示出非常不同的CoF响应。油样A没有达到超润滑性,在PVDC的测试程序中CoF约保持在 0.13,而对于DLC涂层,CoF在测试开始时约为0.07,到测试结束时增加至0.12至0.13。油样B在PVDC活塞环中明显摩擦降低,在130℃时达到超润滑。然而,对于油样B,速率和负载的增加对DLC涂层几乎无影响。

油样B在PVDC活塞环中达到超润滑


然后,测量了活塞环和缸套的磨损情况。摩擦结果最低的一组显示出磨损更少。值得特别关注的是尽管基础产品油A中DLC涂层的磨损低于PVDC涂层,而对于日本燃油经济性产品油B来说,情况正好相反。

日本燃油经济型机油减少了PVDC涂层上的磨损,但增加了DLC涂层上的磨损情况。


此外,在测试后观察缸套表面时,油B引起的缸套磨损度较低,特别是对于PVDC涂层的活塞环,其中还可以看到棕褐色的摩擦膜。


为研究导致不同涂层对两种机油造成不同反应的摩擦化学机理,采用了X-射线光电子能谱和具有能量色散能谱法的扫描透射电子显微镜即STEM-EDS对所选的活塞环/缸套的表面进行了详细地表征。


不同寻常的是,与PVDC相比,在DLC表面上观察到的摩擦膜很少。此外,也观察到了两种涂层之间的差异,这可能有助于解释PVDC为何能获得比DLC更小的摩擦。


采用全配方机油进一步测试

这些初步结果显示了日本的燃料经济型机油在PVDC涂层中具有比无氢DLC涂层更小的磨损和摩擦,此后又进行了进一步的测试。使用三种实验性的经过全面调配的SAE 0W-20机油来研究文献假设,即超润滑是通过组合使用有机摩擦改进剂(OFM)和DLC涂层来实现的。



为了更好地研究摩擦膜效应,从测试程序中去除了50℃时摩擦和磨损程序。与之前的测试一样,DLC涂层对润滑油种类和速率的增加几乎不敏感。然而,对于PVDC活塞环,当用含有OFM的机油测试时,其显示出轻微的摩擦减少,但在含有钼盐的机油中观察到了显著的摩擦减少。


尽管实验并没有达到超润滑值,但结果表明,相较于OFM,钼盐对于达到所需的CoF减少必不可少的。而且,结果显示与DLC涂层相比,PVDC涂层使用了润滑油添加剂后效果更为显著。

DLC活塞环对润滑油的配方不敏感

PVD活塞环在含有钼盐摩擦改进剂的机油中摩擦减小


钼盐的影响

为验证钼对于形成超润滑十分必要这一理论,调配了三种具有高钼含量的新型SAE 0W-20润滑油配方,并精心混合了所有必要组分。



这三种配方都能在PVDC活塞环的边界条件下达到约0.04的CoF(超润滑性)。 与所有其它测试油的效果相同,DLC涂层的摩擦性能与欧洲基础产品类似。为了保证试验条件的重复性,将油A和油B再与三种新的实验配方一起进行测试。在这轮测试中,油B-DLC活塞环实验组证实了在第一次测试中观察到的摩擦增加及磨损趋势。


就磨损而言,尽管DLC(和配对的缸套)仍高于带有含钼机油的PVDC涂层,但与市售油B相比,这三种新配方能够减轻活塞环磨损。

活塞环和缸套磨损测试


所开展的工作已证明,可通过钼含量高的机油,在往复试验中PVDC涂层的活塞环和气缸套之间实现实际路况下的超润滑效果(≤0.04CoF的低摩擦值)。另外,当超润滑形成时,活塞环和缸套的磨损都会减少。然而,钼含量高的机油会导致DLC涂层的磨损增加,这可以通过适当的润滑油配方来减轻。


通过精心平衡润滑油配方中的添加剂成分,采用经过全面调配的SAE OW-20即可在实际路况条件下实现超润滑。



利用涂层和润滑油添加剂特定组合的协同作用,通过减少发动机摩擦损失、保持抗磨损保护,就可以获得燃油经济性的改善。

文章转载自

润英联洞察中文网站


 


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