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fyrsummer的博客

我在慢慢长大、变老。。。。

 
 
 

日志

 
 

摩擦改进剂(FM)在低粘度油中的重要性  

2010-10-20 11:06:02|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言

    随着汽车车型更新换代,轿车向小型化、 轻量化、节能化、电子化、前驱动化方向发展,同时要求低污染、低噪声、高可靠性和燃料多样性,对润滑油的使用性能要求越来越苛刻。众所周知,对发动机油来讲,摩擦改进剂和低粘度油是获取燃料经济性的两个主要因素 ,在欧美和日本等发达国家,低粘度多级油0W205W20已经广泛用于汽油发动机。这些油品的突出特点是在各种润滑条件下有最小的摩擦损失,保持减摩性和改进油品消耗,而摩擦改进剂的加入可以明显降低内燃机组件的摩擦损失,提高燃料经济性。发动机试验表明,选择合适的粘度级别和添加摩擦改进剂,汽车的燃料经济性可提高1% 一5%。另一方面。在内燃机中因摩擦而造成的能量损失估计为可利用燃料能量的10% ,其中75% 可以通过合理选用润滑油或加入摩擦改进剂得以降低。

汽车油品的发展趋势

由于发动机制造技术的进步,势必要求润滑油升级换代。美国高档润滑油的生产和消费量居世界首位,日本居第二位,法国占第三位。尽管国外汽车等机械设备的数量不断增长,但由于使用高档油品,结果使润滑油的消费量逐年下降或保持不变,取得了明显的效益。在1988年的时候,美国车辆用油和工业用油消费量达954×104t,其中车用油占53.9%、工业用油占43.9%、润滑脂占2.2%。而且新油品向低粘度化、多级化和改善油品摩擦特性方向发展。美国发展润滑油新品种的主要途径,是在保证基础油质量前提下大量使用新研制的添加剂复合配方。到1992年,即使美国润滑油消费量保持稳定或处于下降状态,但油品使用的各类添加剂的消费量将继续增大。1992年美国添加剂的总消费量突破百万吨。年平均消费量增长速率达到4.2%。其中极压、抗磨、防锈剂平均消费量增长最快。1985年欧洲经济共同体国家的润滑油消费量为455×104t。1990年达到486×104t,其中高档油品将占总消费量的 54%。日本油品升级换代工作进展迅速。由于推广使用多级油和低粘度化油,提高了燃料利用经济性、减少了发动机磨损,结果使日本车辆和机具数量虽然逐年直线上升,但润滑油的消费量变化不大。为有效地解决能源和资源的储备问题,大力发展高档润滑油产品和添加剂产量、缩减油品消费量,扩大产品出口量,增加国民收入。1985年法国内燃机油量占润滑油消费 的56%,工业润滑油占38%、基础油占6%。 现推广使用SAE10/4010/305/30 汽油机油和5/3010/3015/30柴油 机油。SAE 10/30多级油已占汽油机油消费量的60%以上。柴油机油中SAE 20/40 多级油的消费量也将继续增长。19791986年尽管法国汽车保有量继续增长,但由于推广应用优质内燃机油,大大降低了单耗指标。内燃机油对燃料油油耗比从1.03%降低到0.78%。柴油机油的油耗比从1.63%降低到1.33%,平均油耗比从 1.29%降低到1.03%,从而稳定了润滑油的总消费量。低粘度机油在日本已经推行了几年,得到普遍应用。2005915日在泰国首都曼谷召开的由FL Asia公司主办的亚太地区基础油研讨会上,日本丰田汽车公司指出,当前全球汽车工业最为关注的发展重点是开发环境友好型机动车辆,生产出即节省燃料又减少污染的机动车辆。要做到这一点,润滑油的使用非常关键。使用低粘度的润滑油可以减少发动机的摩擦,从而节省燃料的消费。丰田公司已经开始在日本推出0W/20低粘度润滑油,而对于亚洲其它地区,公司采取了比日本较为缓和的措施,推行10W/30润滑油,因为这些地区当前广泛使用的是20W/4020W/50的重粘度润滑油。并指出:“低黏度的润滑油是获得更好的燃料经济性能的关键技术,丰田的目标是在整个亚洲推行0W /20润滑油。作为该目标实施的第一步是推出10W/30润滑油,这对于各方,包括消费者、石油生产商和汽车制造商来说都是可以接受的。一旦各方都认识到低黏度润滑油的好处时,公司将推出0W/20润滑油。”据估计,如果所有的机动车辆都使用了这种低黏度的润滑油,那么亚洲每年可以节省燃料消费约20亿升。从而可以看出,低粘度润滑油给我们广大用户带来的利益所在。低粘度机油正在中国的推广中,广大用户的用油观念也在转变。

目前,使用低粘度、多级油在全球范围内已经是一种趋势,世界各大汽车制造商已经一致在推广使用低粘度机油作为汽车的初装油以及售后服务用油。由日本汽车制造商协会及通用汽车、福特汽车和戴姆勒克莱斯勒汽车共同制定的GF-4规格的汽油机油,只有10W/305W/300W/305W/200W/20这五个粘度级别,也就是说在日本和欧美这些汽车大国也都是在使用低粘度机油,低粘度机油完全能够满足各种汽车的需要。

减摩剂的种类及作用机理

1 摩擦改进剂的种类

近年来,加强内燃机油减摩抗磨性能的添加剂种类大大增加,包括油溶性有机钼化合物、不同组分的无灰剂产品、分散型二硫化钼和胶体分散石墨,以及各种金属超分散粉末等。

11 含钼摩擦改进剂

我们知道,Mos2是一种优良的固体润滑剂。但是,MoS2在内燃机油中的不溶解性限制了它的应用。尽管DavisEyre制备了油溶性MoS2 ,增强了内燃机油的燃料经济性,但在特殊条件下却引起磨损率上升。alan及其同事用实验室模拟方法和发动机台架试验考察了减摩剂对内燃机油的影响。结果发现,最有效的是油溶性有机钼化台物,它能降低50% 一60%摩擦系数,减少发动机额定燃油消耗的2% 一5% 。常见的油溶性有机钼化合物,如二硫代氨基甲酸钼(MoDTC) 和二烷基二硫代磷酸钼(MoDDP),被广泛用作内燃机油的节能剂。它们能增加内燃机油的载荷能力和汽车底盘的动力性,提高机械效率,降低燃油消耗,减少能量损失,从而获得更好的燃料经济性。在这些油溶性有机钼化合物中,MoDTC效果最佳 ,使用效果主要表现为降低摩擦系数、抑制油温升高、持续减摩效果及突出的高温性能。并对其摩擦系数、磨斑直径和润滑油温升与载荷、速度及时间的关系进行了详细的研究 。sjn 等人使用15一二芳基一24一二硫代丙二酰胺作配体,制备并评价了一种新型油溶性添加剂,该剂在高低负荷下均具有良好的性能。也有人发现,在边界润滑和高温条件下,有机钼化合物能降低摩擦系数达80% 并获得较高的燃料经济性。

12 含稀土元素摩擦改进剂

稀土金属及其化合物被广泛用于冶金、电子、石油化工催化剂工业、航空航天和许多其他领域,这是由其独特的物理化学性能所决定的。近年来,这些化合物的摩擦学应用日益得到人们的重视,稀土金属和其化合物被用于改进运动机械零件的抗磨性和其他机械性能。此外,作为润滑油脂抗磨极压剂的稀土化合物也有报道。为了克服无机稀土化合物的油溶性,陈波水等人开发了一系列油溶性稀土金属配位化合物,包括laCePrNdVSmEuGdTiWCdNiCoAu等的二硫代氨基甲酸盐或二烷基二硫代磷酸盐,并发现它们具有良好的抗磨性能。其中,油溶性二烷基二硫代磷酸钛不但降低了油品的摩擦系数和磨损值,而且极大地提高了油品的烧结负荷 ,杜大昌等人也得到类似结论 。XiongDong合成了二硫醇钨并评价了其抗磨性 ,得到了相当满意的效果。张金刚对胺基硫代磷酸钨(WSPN)的摩擦学特性研究表明 ,WSPN具有良好的减摩抗磨效果,并具有较高的承载能力和油性剂作用,是一类较有前途的润滑油添加剂。

13 含硼氮摩擦改进剂

由于现代汽车润滑油对灰分及沉积物的控制,人们把注意力转向无灰剂如含硼化合物、含氮化合物、硫磷化合物、液晶材料等的研究开发,其中有机硼酸酯和含氮杂环化合物引起了人们极大的兴趣。许多文献和专利报道了含氮杂环化合物,其抗氧抗腐和抗磨性能得到越来越多的重视。作为使用的多功能添加剂,杂环中常含有一个或多个氮原子或硫原子,如噻二唑、吲唑啉或苯三唑等结构均有报道,并对结构与性能的关系也作了详细研究。Ren等人合成并研究了s(11H一苯并三氮唑基)甲基一NN--烷基二硫代氮基甲酸酯在季戊四醇醋中的摩擦学特性。这种化合物比三甲酚磷酸酯(TCP)具有更好的减摩抗磨性和载荷能力,且没有磷的不利影响。硫磷氮无灰减摩剂在一定温度和使用条件范周内,比油溶性有机钼化合物具有更好的性能。从毒性、废液处理、过滤器堵塞和污染等因素考虑,与金属硫磷酸盐使用性能相当的无灰硫磷氮添加剂将是多功能添加剂的发展方向。润滑油含硼添加剂可分为两类:一类为无机硼化物,另一类为有机硼化物。无机硼化物掭加剂多为碱金属或碱土金属硼酸盐,可改善油品的抗磨性、极压性、热氧化安定性以及抗腐蚀性能,使用效果比硫磷型添加剂的好,但因其油溶性较差使用受到一定限制。自20世纪80年代以来,有机硼化物添加剂已引起了人们的广泛重视,并出现了许多专利,也有报道其抗磨机理的文章。一般而言,有机硼化物的极压抗磨效果不像无机硼化物的明显,人们对其有许多不同的看法。目前人们的研究重点是对其结构改进,如改变硼酸酯中烷基链长度,把硼元素引入硫磷氮添加剂等,以期得到性能优异的有机硼化物。但是有机硼化物在使用过程中存在严重的缺陷,即易于水解,生成较硬的颗粒,产生噪声,损坏轴承、齿轮等系统 。

14其他类型摩擦改进剂

二硫代氨基甲酸盐(ZnDTC)被广泛用于内燃机油、压缩机油、汽轮机油等,因为它具有优良的氧化安定性、抗磨极压性,并比二硫代磷酸锌(ZDDP)具有更高的分解温度。ZDTC不含磷,对汽车废气循环装置(EGR)的催化剂无毒副作用,有利于环保。在对有机金属盐的研究中,人们还制备了主族金属BjPbsbsnca等油溶性二烷基二硫代磷酸盐或二硫代氨基甲酸盐 ,对其摩擦磨损性能进行了评价,并根据环保限制作出了一定的预测。人们在研究开发新型添加剂的同时,也非常重视发动机油中某些减摩抗磨性好的传统添加剂,其中最主要的是ZDDP和碱性清净剂。目前,由于内燃机油中磷含量要求而使ZDDP的使用受到定的限制,Vipper等人对清净剂的类型和总碱值进行考察评价时发现,高碱性或过碱性清净剂具有非常有效的减摩抗磨性,而中碱性或低碱性的清净性不论其浓度如何,减摩抗磨性都比高碱性清净剂的差。Cormor等人研制出的新型清净剂,不仅改进了传统清净剂的性能,增强了碱性和中和能力,而且降低了摩擦,对防止腐蚀磨损具有显著效果。

2 减摩剂的作用机理

21 无灰减摩剂的工作机理

国内外对无灰减摩剂的工作机理有很多说法。最通常接受的润滑理论是减摩剂在摩擦表面形成软而易于剪切的无机或有机混合膜,如物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、摩擦聚合膜等 ,这些膜难以压缩,但在烃基尾部界面极易剪切,使得摩擦减小;同时由于强的定向力,剪切层容易重建回初始状态,因此能防止金属咬合,减少磨损,降低摩擦因数 。

22 有机金属减摩剂的工作机理可能的机理有以下4点。

(1)金属扩散到接触表面微凸体;

(2)形成聚合膜;

(3)金属表面形成二硫化钼(这是大多数人接受的假设)

(4)金属()的选择性迁移,导致形成薄的、易剪切的金属膜。

金属减摩剂中使用最广泛的是油溶性有机钼化合物,它们在表面上形成次级结构膜(<50 Dm)MoS MoO3进入金属表面,减少表面层中的氧含量。MoDTCMoDTP在润滑过程中会在摩擦表面微凸体顶分解出MoS:和MoO3,分解出的MoS2 聚集在表面的微凹谷内,从而使摩擦表面光滑,故能持久有效地减小摩擦因数 。也有人认为,油溶性钼化合物在摩擦区较高热能的影响下,裂解为有机基团和金属钼,钼扩散在摩擦表面上,与其它金属形成低熔点物质,使摩擦因数降低,减小摩擦损失。现在对有机金属化合物的机理还没有完全了解。

减摩剂在低粘度油中的运用重要性

车辆使用低粘度多级油具有以下一些特点:

K]


c2G&S8`Y01、使用低粘度机油是发动机技术发展的需要,现代技术制造的发动机越来越精密,发动机的间隙也是越来越小,精密的发动机已经不需要依靠机油的大粘度来提高发动机的密封性,低粘度的机油完全可以满足精密发动机的密封需求。

2、发动机的摩擦副已经被先进的制造工艺处理的非常光滑,低粘度的机油在光滑的摩擦副表面润滑效果更好。润滑油商务网kfh6r,Z
  o
润滑油商务网4Xw;fEG9?.Ug} 3、低粘度机油带给曲轴运行时的粘性阻力要小,以及在机油整个循环过程中粘性阻力也在减少,粘性阻力小意味着发动机消耗的燃料会相应减少。大量试验表明,使用多级油比运用单级油大约节约燃油2%左右。

4.燃油消耗的减少,意味着尾气的排放也会相应减少,也就是说低粘度机油对环保更加有力。

正因为如此,低粘度多级油得到汽车生产厂家,车主和各国政府的青睐,但是我们也应该认识到,低粘度多级油由于在成分和配方上,也有其自己的特点和不足。

1:由于单级油和多级油对粘度性能要求的不同,所使用的生产材料也是不同的,单级油一般在夏季使用,环境温度变化窄,多使用粘度高的基础油来生产,而多级油为了满足其低温性能,必须采用低粘度的基础油生产,而低粘度基础油最显著的的弱点就是油膜薄,特别是到了炎热的夏季里,高温下油品变得更加稀薄;而某些车辆本来状况就不佳,或则是旧车或大修车,如果油膜强度不够,抗磨性会显著下降,导致机件磨损,尤其是阀系磨损将十分严重,因此必须加强油品的抗磨减摩性能。在这种情况下,由于减摩剂在摩擦副表面形成坚固的保护膜,选用减摩剂能很好的解决这种问题,现在市面上许多的润滑油复合剂中,比如MOBIL,CHEVRON,INFINEUM等知名国际大公司的复合剂都或多或少地含有减摩剂成分。大量的SRV摩擦试验机实验结果和发动机台架实验结果表明,添加了减摩剂的机油比不添加减摩剂的机油无论是抗磨性还是减摩性都要好。

2

为了兼顾高温的粘度要求,多级油中必须添加粘度指数改进剂。但粘度指数改进剂一个最大的缺点就是影响油品的低温泵送性,容易造成供油不足而导致早期磨损,启动磨损很大。大约30-40%的磨损都是在早期油膜没有形成时候出现的。这种情况下,如果车主一直使用含减摩剂的润滑油,能在机器表面形成一层长期的保护油膜,在车辆启动时临时起到润滑和保护作用。另一方面,由于粘度指数改进剂的分子链会遭到破坏,会逐渐丧失这种高温粘度保持功能,所以在高温下油品粘度会明显下降,此时,机器更需要抗磨减摩保护,这时候减摩剂的抗磨性能将大显身手。

3、低粘度多级油中的粘度指数改进剂的另一弱点是增加积炭,粘指剂会增加曲轴箱中积炭的形成,而添加减摩剂将加强减摩,控制机油的温度;抑制积炭增多。

4、车主使用多级油,换油期一般会延长,但对于低粘度多级油,由于低分子组分含量高,高温工况下更加容易挥发,而减摩剂能有效控制油温的温升,将减少油品的挥发,达到延长机油换油期的目的。

    综上所述,随着汽车工业的发展和社会各界日益对节能、环保的重视,使用低粘度、多级油将越来越成为一种趋势,目前世界各地的大汽车公司的初装油和售后服务用油对此都早已在实施当中,所以,一方面要保证机械在低粘度下,节省燃油和动力,又要尽量避免阀系磨损,在发动机油中添加减摩剂将成为润滑油调和厂必然的选择。

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