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fyrsummer的博客

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日志

 
 

燃油经济性---发动机润滑油的关注重点  

2011-03-03 16:29:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言: 近几十年来,汽车工业飞速发展,汽车燃料价格也在不断攀升。内燃机燃油经济性对发动机设计者、润滑油生产商和汽车用户来说已变得越来越重要。一些发达国家和国际组织纷纷建立并提高汽车燃油经济性标准。本文主要讨论发动机润滑油对燃油经济性的影响以及不断提高的燃料经济性要求对发动机油发展的影响。

断提高的燃油经济性要求

当前,环保压力和节能要求已经成为推动汽车工业发展和内燃机油发展的两大最直接趋动力。随着全球经济总量不断扩大以及人们的生活水平日益提高,对石油产品的需求也越来越大,燃料价格也将面临长久的上涨压力, 因此“节能降耗”已成为世界汽车工业发展的大趋势。在全世界各地,为提高汽车燃料经济性从而达到节油的目的,汽车工业正在尝试使用各种各样的节能方法。在这方面,日本和美国等发达国家走在前列。 

由于本土资源匮乏,日本是一个非常重视节能环保的国家。日本国土运输部和经济贸易部在2006 年.3.月17日发布了世界上第一个卡车和汽车燃油经济性标准, 这些法规适用于3.5吨以上的车辆。为了增加他们的“加重平均数”,(一种燃油经济性指标,由燃油消耗量除以总载荷量得到)。对汽车和卡车来说,到2015年,这些燃油经济指标分别比2002年度的标准提高12.2%,如下图所示。

美国交通部和环境保护署对轿车和轻型载重汽车的燃油经济性和温室气体排放量制定了严格的新标准。新标准具体要求从2016年车型开始,新车必须达到155.4 g·km (250 g·mile )的车辆二氧化碳排放综合平均水平,相当于15.1 km ·L(35.5 mile·USgal )。政府官员声称,2030年新标准将促使减少二氧化碳排放量约9.6亿t,相当于减少5 000万辆轿车和轻型载重汽车在道路上行驶。 

从2012年车型开始,要求汽车制造者提高公司车辆的平均燃油经济性,每年减少温室气体排放5% 。美国国家高速公路交通安全管理局(NHT~SA)官员4月1日宣称,新标准是“执行奥巴马政府承诺转向清洁能源、环保经济的重要步骤”。美国交通部部长Ray LaHood称,新标准是“有雄心但又是可以实现的”,并可降低行车燃油成本,“减少有害气体排放”。 

在全球范围内有广泛影响的内燃机油标准(GF-3到GF-4和GF-5标准),下图列出不同等级油品的节能指标(FEI)要求: 

ILSAC GF-3, GF-4与GF-5规格对燃油经济性的要求: 

项目

ILSAC GF-3

ILSAC GF-4

ILSAC GF-5

 

燃油经济性,%

SAE XW-20

 

SAE 0W/30,5W/30

 

SAE10W/30和其他

 

测试方法

 

FEI 1 2.0

FEI2  1.7

FEI 1  1.6

FEI 2  1.3

FEI 1  0.9

FEI 2  0.6

 

VI B 台架(FORD 4.6升/V-8发动机)

 

FEI 1 2.3

FEI 2 2.0

FEI 1 1.8

FEI 2 1.5

FEI 1 1.1

FEI 2 0.8

 

VIB 台架(FORD 4.6升/V-8发动机)

 

FEI SUM  2.6

FEI 2     1.2

FEI SUM 1.9

FEI 2   1.2

FEI SUM 1.5

FEI 2  0.6

 

VID 台架(GM 3.6升/V-6发动机)

 据研究表明,汽车燃料燃烧释放的能量中40%用于汽车驱动,30% 被气缸冷却系统所消耗,30% 的能量由排放消耗。如果单独就摩擦损失来讲,燃料通过燃烧释放出的能量有20%—25%被零部件间的摩擦所消耗。随着世界各国日趋严格的排放和节能法规的出台,各大汽车OEM厂商越来越意识到改善汽车摩擦部件润滑、降低由摩擦带来的能量损失对提高汽车燃料经济性具有直接影响。可是,通过加强技术研发来提高内燃机自身的减摩节能水平将是一个长期而耗资巨大的过程。相比之下,通过润滑油配方技术来提高燃料经济性的成本要远低于改变发动机硬件的成本,所以将节能发动机油作为装车油和服务用油的厂商越来越多。燃料经济性已经成为目前汽车制造厂商和润滑油厂商关注的重要议题。 

提高燃油经济性对内燃机油发展的影响 

如前所述,近年来高涨的油价对汽车节能提出了越来越高的要求,对发动机油的燃料经济性标准也日益提高。这对近年来发动机油的应用与发展造成两个方面的重大影响:一个是发动机油的使用呈现低粘度化趋势,另一个就是添加有效的摩擦改进剂以降低摩擦磨损,提高润滑油的燃料经济性。 

2.1 发动机油的低粘度化 

由于发动机构造不断精密以及节约燃料的要求不断提高,低粘度油将越来越受到青睐和普及。

汽车润滑油的发展伴随着汽车发动机构造的不断精密化和技术含量不断提升,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,使用低粘度机油是发动机技术发展的需要,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。 

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/30、5W/30、0W/30、5W/20、0W/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。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。 

相关的研究表明,在2.0 L发动机中使用SAE 0W/20机油比使用5W/30机油可提高燃料效率1.5% 。也有研究表明,在确保发动机正常运转的前提下,理论上降低一个SAE粘度级别,可节省燃料0.5% 一2.5%。为了节省燃料,同时随着发动机设计制造和材料的进步,越来越多的轿车和轻卡(轻负荷发动机)用油已从原先使用的SAE 15W/40和10W/40过渡到了10W/30和5W/30粘度的油品。使用低粘度发动机油来提高汽车的燃料经济性已被各大汽车制造商和广大用户所认同。对于重负荷柴油发动机,多年来各大汽车OEM一直坚持推荐使用SAE20W/50或15W/40高粘度机油以保护发动机部件免受磨损。但随着近年来油价的飞涨、用户要求提高燃料经济性的压力、发机动机制造工艺的改进及润滑油质量特别是磨损保护方面的提高,使许多汽车OEM制造商也逐渐意识到20W/50或15W/40高粘度机油对保护重负荷柴油机不再是必需的了,如果选用合适的低粘度油及好的添加剂配方,既能节油,也能达到保护发动机的目的。目前一部分重负荷柴油机汽车OEM制造商已批准低粘度机油作为其重负荷柴油发动机装车用油。 

下图是在沃尔沃D12D燃油经济测试中,我们评定了五个不同粘度等级润滑油来来和15W-30参考油做对比。测试结果如下: 

粘度等级对比研究测试结果

粘度等级测试         15W-40   10W-40   5W-40   15W-30(REO)   10W-30    5W/30

新油粘度

KV 40,cSt              110       118       88         84           83        66

KV100,cSt             14.6       16       14.6        11.9         12        10.9

CCS,cP               6660      6180      6510       5695       6890       6100

HTHS,cP              4.16      4.28       4.09       3.55         3.62       3.35

沃尔沃D12D 发动机  

高速公路的燃油经济   -0.76     -0.51       -0.31        0          0.17      0.44

性指数,%

丘陵路的燃油经济

性指数,%         -0.57     -0.38       -0.24        0          0.12      0.33 

从测试中我们得到,用较低粘度润滑油确实改善发动机的燃油经济性。对于低粘度油来说,起决定性作用的是选用的基础油配方自身的粘度低、热氧化安定性好。一般来说,使用II/III类基础油,甚至一些合成油来调和低粘度、高品质的润滑油。 

2.2 摩擦改进剂能提高燃油经济性 

摩擦改进剂是一种能够降低摩擦面摩擦系数的物质,通过极性基团吸附在摩擦表面上,形成分子定向吸附膜或者化学反应膜,阻止金属间的接触,从而降低摩擦和磨损。近年来为了满足汽车工业日益严格的节能规格要求,摩擦改进剂越来越多地被用于发动机油中,以降低汽车摩擦损失,从而改善汽车燃料经济性,达到节能的目的。 

油溶性有机摩擦改进剂作用机理通常有以下形式: 

①形成化学反应膜。这类产品主要有饱和脂肪酸、磷酸和硫代磷酸及含硫脂肪酸。其机理基本与抗磨剂相似,添加剂与金属表面反应形成保护膜,从而减少摩擦。但两者最根本的区别在于摩擦改进剂的化学反应膜出现在混合润滑状态较温和的负载、温度条件下,要求摩擦改进剂的化学活性相当高,如类似硫磷的化学结构。 

② 形成物理吸附膜。这类产品主要有长链羧酸、酯、醚、胺、胺基化合物、酰亚胺。溶解在油中的摩擦改进剂借助分子的极性基团吸着在金属表面,碳氢长链溶解在油中,垂直于金属表面,导致出现摩擦改进剂分子的多层基体。金属表面摩擦改进剂膜的厚度和减摩效应与以下几个参数有关:一是极性基团的极性越强,金属表面摩擦改进剂膜的厚度和强度越大;二是摩擦改进剂的碳氢直链有利于产生更强的减摩膜;三是基础油的链长和摩擦改进剂的链长相近有利于产生更强的减摩膜,但摩擦改进剂的链长比基础油链长影响更大;四是温度提高可改善摩擦改进剂膜的厚度和强度,但如果温度过高,也许会使摩擦改进剂分子从金属表面解吸下来。 

用于发动机油的摩擦改进剂大致可分为两类:一类是有机金属化合物,如有机钼、有机铜等,另一类是无灰型的有机化合物,如有机胺及其衍生物、多元醇酯等。 

2.2.1 有机钼摩擦改进剂 

有机钼摩擦改进剂是发动机油最早使用的改善摩擦系数而节能的添加剂。油溶性有机钼具有优秀的改善摩擦系数和抗磨作用,可以显著降低摩擦部件之间的摩擦系数,达到降低摩擦系数而节能的目的。其中比较有代表性的是MoDTC。据文献报道,在发动机油中加入适量的MoDTC,可以降低油品的摩擦系数,达到降低摩擦和节油的目的。            

高频往复试验(HFRR)试验结果 

                      HFRR 摩擦系数

MoDTC 减摩剂

(油温/°C)

试验油1

实验油2

试验油3

0.0%

0.3%

0.6%

40

0.167

0.164

0.164

60

0.168

0.165

0.152

80

0.180

0.164

0.115

100

0.181

0.124

0.087

120

0.175

0.098

0.082

140

0.172

0.090

0.076

 

2.2.2 无灰有机摩擦改进剂 

发动机油常用的无灰有机摩擦改进剂主要有长链脂肪酸胺(油酸胺)、乙氧基胺和油酸单甘油酯(GMO)。这些减摩剂加入全发动机油中,也可获得良好的燃料经济性。特别是和上述有机金属化合物复配使用,得到更佳的减摩效果和燃料经济性的持续保持性能。 

燃料经济性要求的日益提高,影响着发动机油的应用与发展。目前发动机油的使用在全球呈现低粘度趋势。这一点不仅体现在轻负荷轿车上,许多重负柴油汽车制造商和用户也正逐渐接受使用低粘度节能型发动机油以提高燃料经济性。同时,随着燃料经济性的要求进一步变严,摩擦改进剂在润滑油的使用已经成为一种必然。选择并筛选出性能优秀的摩擦改进剂将是润滑油调和厂和添加剂公司今后研究的重点领域之一。

<因版式原因,文章中提到的图例已省略,若需要,请与博主联系!>

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