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发动机油粘度和摩擦改进剂对燃油经济性的影响

发布者:admin2020-09-18

发动机油粘度和摩擦改进剂

对燃油经济性的影响


环境(自然资源、空气污染与全球变暖)和经济问题使燃油经济性(FE)对于发动机制造商和机油商而言都是重要的问题。近年来,国际润滑油标准化与认可委员会(ILSAC)采用ASTM程序试验来规定轿车发动机油的燃油经济性标准。


研究人员研究了发动机油对燃油经济性的影响。FE性能的下降与ZDDP和MoDTC添加剂的消耗有关,而氮氧化物和高温加速了这种消耗。需要仔细选择添加剂,以优化新油的FE性能和老化过程中减摩持久性。


润滑剂的流变性能(特别是HTHS粘度)和边界摩擦系数对FE的影响较大。MoDTC摩擦改进剂不仅可以通过表面膜的形成有效地减少摩擦,而且可以提高发动机润滑油的整体性能,比如提高发动机机油的“稳健性”,从而使润滑油在使用过程中保持所需的性能。




润滑油选样


采用相同的清净分散剂和粘度指数改进剂,将四种不同粘度基础剂(GG、EE、AA、FF)混合在一起。这四种油含有少量的摩擦改进剂,作为DI/VII 包的一部分。油DD与不同的DI/VII添加剂包混合,不含摩擦改进剂。BB和CC的油与DD相同,但掺入了两种不同的摩擦改进剂(BB的MoDTC型Mo-1,CC的有机型FM-2),以研究摩擦对节省燃油的改进。润滑油HH与润滑油BB具有相同的粘度等级和添加剂,但与不同的基础油(I和III组的混合物(高度精制,高VI)混合)。


车辆



燃油经济性


标准 EPA FE,车辆测功机测试,以量化车辆的燃油消耗。测试是根据模拟城市和高速公路行驶的FTP(联邦测试程序)时间表进行的。将燃油经济性结果称为 FTP23,HWFET(高速公路驾驶循环)和COMFE(城市和高速公路的55/45 部分的 FTP 综合加权平均值进行测试。)测试的FTP23部分包括23个周期;前五个循环(CY1-5)表示冷过渡部分,接下来的十三个循环(CY6-18)构成城市行驶时间表的稳定部分;五个循环(CY19-23),是在循环18完成之后并在10分钟的热浸之后运行的,它们是循环1-5的重复,并构成FTP2 的热瞬态部分。


结果与讨论


发动机/机油组合的燃油经济性数据:燃油经济性随着里程的增加而增加。


如图2到图5所示,车辆的燃油经济性(从BC数据中观察到)随着里程而增加。在每辆车启动FTP测试之后的 1000-2000 英里内,燃油经济性急剧增长,随后随着里程数的降低,燃油经济性缓慢提高。在开始测试或经过长时间休息后,在影响燃油经济性的所有车辆和仪表参数的影响稳定(和优化)之前,有一段时间(涉及多次FTP重复测试)需要进行磨合过程。



图6到图9分别表示了 3.1L、3.8L、2.3L 和 5.7L 车辆FTP试验各部分的FE的试验油效应。



粘度效应


图10描述了油 HTHS(150°C 时)粘度对COMFE的影响。对于三台发动机(3.1 升、3.8 升、2.3 升),燃油经济性随着所研究范围内机油粘度的降低而提 高。在高速公路和城市行驶计划中,燃油经济性随着粘度的降低而增加,尽管在 FTP 测试的城市部分更为明显。对于至少两台发动机(2.3 升和 3.8 升),使用 SAE 0W-10机油(150°C时的HTHS为2.17cP),燃油经济性仍在提高。


摩擦改进剂效果


摩擦改进剂对燃油经济性的影响如图11,适用于试验的各个部分。除冷瞬态(CY1-5)部分(图 12)外,摩擦改进剂改善了所有车辆和试验所有部分(CC、 BB 和 HH 油)的燃油经济性。除3.8L发动机外,含MoDTC摩擦改进剂的BB油比使用有机摩擦改进剂的CC油更有效。在3.8L和2.3L两款发动机上测试了HH机油,两款发动机的燃油经济性都不如BB机油。在这里测试的两种发动机相比,第三组的基础油比**组的传统基础油没有优势。如前面所述,在 Sequence VIA 测试中与第Ⅲ组的基础油共混的油比与第Ⅰ组的基础油共混的油性能提高。这种差异强调了为优化燃油经济性,**仔细选择和平衡配方中包含的基础油、DI/VII 组分和FM添加剂。



高速公路上的燃油经济性得益于摩擦改进剂,在所有四款发动机中,基于MoDTC 的摩擦改进剂效果比有机摩擦改进剂效果更明显。类似地,在热瞬态部分(CY19-23)期间使用两种摩擦改进剂均可观察到燃油经济性的大幅提高。在冷态瞬态期间(CY1-5),3.1L和5.7L发动机的两个FM的FE均减小,而其他两个发动机(3.8L 和 2.3L)的FE则有所增加(图 12)。当发动机在较高的温度(约100℃)运行时,这两种摩擦改进剂都比在较低的温度(约 80℃)运行时更有效。


3.1L 发动机使用低粘度机油(GG)时的燃油经济性


在图13中,显示了3.1升发动机的低粘度(SAE 0W-10)试验油GG的FE数据,对于该油的两个系列试验。当连续进行FTP测试时,此发动机的燃油经 济性会随着时间(或里程数)而降低。这一特性可能表明,对于3.1升发动机,燃油经济性的机油粘度可能等于或略高于GG油(150°C 时为2.17cP)。图10中 3.1L发动机的COMFE数据的二次拟合表明,在约2.5cP时,HTHS(150°C)粘度的COMFE达到值。


结论


1. 三台通用发动机的燃油经济性随着机油粘度的降低而增加[HTHS(在 150°C下为2.17-3.70cP(SAE 0W-10 至 10W-40)]。当发动机在较低温度(冷启动)下运行时,粘度的影响更为明显。 


2. 所有测试的GM发动机都对两种摩擦改进剂(有机基和Mo型)反应明显。当将任何一种摩擦改进剂混入机油中时,燃油经济性都会提高,并且这种增长在高速公路上比FTP测试中的城市驾驶部分更为明显。当发动机在较高温度下运行时,MoDTC摩擦改进剂更有效。


3. 研究发现 III 类基础油(高精炼、高 VI 的矿物油)优于其他类型的基础油。对油中二烷基二硫代磷酸锌抗磨添加剂的含量和种类均敏感。ZDDP的分子量越低,对FE的影响越大。还观察了MoDTC摩擦改进剂与ZDDP之间的相互作用。老化机油燃油效率的降低主要是由于粘度损失和氧化所致。 


4. 在 MoDTC(二硫代氨基甲酸钼)摩擦改进剂耗尽之前,旧的机油就失去了其减摩能力;这表明了添加剂相互作用的重要性。含钼摩擦改进剂会与ZDDP发生反应,反应产物对发动机油的减摩性能有很大影响。相互作用的程度高度依赖于基础油的类型、温度和油中的其他添加剂。