全配方汽油機油助力實現減摩突破

發動機摩擦損失占客車燃料消耗的三分之一。該客觀事實正推動著對減少摩擦這一研究的重大投資，因為OEM廠商正為滿足不斷緊縮的二氧化碳排放法規要求而努力。繼在英國利茲 - 里昂研討會發布論文之後，潤英聯Dean Clarke介紹了潤英聯和Mahle所進行的將實際路況下的超潤滑作為一種顯著減少摩擦方法的工作。

為改善車輛油耗，汽車行業多年來一直致力於降低發動機的摩擦損失。其中一個重點關注領域就是活塞環和活塞，因為它們佔據了發動機總摩擦損失的一半左右。 迄今為止，這些工作主要圍繞設計更改、使用低摩擦塗層，改善內壁表面光潔度及調配高級潤滑油，來減少活塞系統的摩擦。

現在，業界正在探索塗層和潤滑油添加劑一些特定組合所具有的新型協同效應（稱為「超潤滑」），用以減少摩擦。

結構性超潤滑是指兩個接觸表面在測量誤差範圍內摩擦係數（CoF）小於0.01的無阻力滑動的狀態。儘管已獲得實際使用的發動機部件低至0.02的摩擦係數，但還未獲得使用全配方機油有如此低的摩擦係數。潤英聯和Mahle公司已開展了一項旨在實際路況下實現超潤滑效應的研究，這意味著通過使用經過全面調配的發動機油，顯著降低真實條件下的發動機部件之間的摩擦（≤0.04 CoF）。

目前有若干個假設來解釋超潤滑效應，其核心的一個假設是氫鍵在類金剛石（DLC）光滑表面上形成。 然而，這一最新項目也探索了一個實現超潤滑的全新途徑，它結合了物理氣相沉積陶瓷（PVDC）塗層，鉬類添加劑和常規的內壁拋光。

活塞環試驗

首先，選擇兩款市面銷售的機油進行試驗。

對活塞環和缸套（來自生產過程中的真實部件）的無氫DLC和PVDC塗層， 用往複試驗來評估各種負荷及溫度下的摩擦係數。

對於每個活塞環/缸套/潤滑油，根據以下步驟至少進行三次往複式試驗：

在試驗之後，清潔了活塞環/缸套，測量了磨損情況，並分析了所選活塞環/缸套的摩擦膜情況。

兩種測試機油在PVDC和DLC類型塗層的摩擦和磨損程序中顯示出非常不同的CoF響應。油樣A沒有達到超潤滑性，在PVDC的測試程序中CoF約保持在 0.13，而對於DLC塗層，CoF在測試開始時約為0.07，到測試結束時增加至0.12至0.13。油樣B在PVDC活塞環中明顯摩擦降低，在130℃時達到超潤滑。然而，對於油樣B，速率和負載的增加對DLC塗層幾乎無影響。

油樣B在PVDC活塞環中達到超潤滑

然後，測量了活塞環和缸套的磨損情況。摩擦結果最低的一組顯示出磨損更少。值得特別關注的是儘管基礎產品油A中DLC塗層的磨損低於PVDC塗層，而對於日本燃油經濟性產品油B來說，情況正好相反。

日本燃油經濟型機油減少了PVDC塗層上的磨損，但增加了DLC塗層上的磨損情況。

此外，在測試後觀察缸套表面時，油B引起的缸套磨損度較低，特別是對於PVDC塗層的活塞環，其中還可以看到棕褐色的摩擦膜。

為研究導致不同塗層對兩種機油造成不同反應的摩擦化學機理，採用了X-射線光電子能譜和具有能量色散能譜法的掃描透射電子顯微鏡即STEM-EDS對所選的活塞環/缸套的表面進行了詳細地表徵。

不同尋常的是，與PVDC相比，在DLC表面上觀察到的摩擦膜很少。此外，也觀察到了兩種塗層之間的差異，這可能有助於解釋PVDC為何能獲得比DLC更小的摩擦。

採用全配方機油進一步測試

這些初步結果顯示了日本的燃料經濟型機油在PVDC塗層中具有比無氫DLC塗層更小的磨損和摩擦，此後又進行了進一步的測試。使用三種實驗性的經過全面調配的SAE 0W-20機油來研究文獻假設，即超潤滑是通過組合使用有機摩擦改進劑（OFM）和DLC塗層來實現的。

為了更好地研究摩擦膜效應，從測試程序中去除了50℃時摩擦和磨損程序。與之前的測試一樣，DLC塗層對潤滑油種類和速率的增加幾乎不敏感。然而，對於PVDC活塞環，當用含有OFM的機油測試時，其顯示出輕微的摩擦減少，但在含有鉬鹽的機油中觀察到了顯著的摩擦減少。

儘管實驗並沒有達到超潤滑值，但結果表明，相較於OFM，鉬鹽對於達到所需的CoF減少必不可少的。而且，結果顯示與DLC塗層相比，PVDC塗層使用了潤滑油添加劑後效果更為顯著。

DLC活塞環對潤滑油的配方不敏感

PVD活塞環在含有鉬鹽摩擦改進劑的機油中摩擦減小

鉬鹽的影響

為驗證鉬對於形成超潤滑十分必要這一理論，調配了三種具有高鉬含量的新型SAE 0W-20潤滑油配方，並精心混合了所有必要組分。

這三種配方都能在PVDC活塞環的邊界條件下達到約0.04的CoF（超潤滑性）。 與所有其它測試油的效果相同，DLC塗層的摩擦性能與歐洲基礎產品類似。為了保證試驗條件的重複性，將油A和油B再與三種新的實驗配方一起進行測試。在這輪測試中，油B-DLC活塞環實驗組證實了在第一次測試中觀察到的摩擦增加及磨損趨勢。

就磨損而言，儘管DLC（和配對的缸套）仍高於帶有含鉬機油的PVDC塗層，但與市售油B相比，這三種新配方能夠減輕活塞環磨損。

活塞環和缸套磨損測試

所開展的工作已證明，可通過鉬含量高的機油，在往複試驗中PVDC塗層的活塞環和氣缸套之間實現實際路況下的超潤滑效果（≤0.04CoF的低摩擦值）。另外，當超潤滑形成時，活塞環和缸套的磨損都會減少。然而，鉬含量高的機油會導致DLC塗層的磨損增加，這可以通過適當的潤滑油配方來減輕。

通過精心平衡潤滑油配方中的添加劑成分，採用經過全面調配的SAE OW-20即可在實際路況條件下實現超潤滑。

利用塗層和潤滑油添加劑特定組合的協同作用，通過減少發動機摩擦損失、保持抗磨損保護，就可以獲得燃油經濟性的改善。

文章轉載自

潤英聯洞察中文網站

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