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贏創(chuàng)：流變特性和粘度指數(shù)改進(jìn)劑（VII）

2018-11-13 19:54:58·  來源：電動化智能化汽車動力系統(tǒng)  作者：贏創(chuàng)  
　
引言潤滑油一直都是機(jī)動車的血液，起到在對抗磨擦過程中減少能量損失、防止磨損以及確保耐用性和延長車輛壽命的作用。對于現(xiàn)代乘用車的動力及傳輸系統(tǒng)而言，專門
引言
潤滑油一直都是機(jī)動車的“血液”，起到在對抗磨擦過程中減少能量損失、防止磨損以及確保耐用性和延長車輛壽命的作用。對于現(xiàn)代乘用車的動力及傳輸系統(tǒng)而言，專門調(diào)配的潤滑油是至關(guān)重要的一個設(shè)計(jì)元素。潤滑油可以幫助實(shí)現(xiàn)高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力傳輸效率，以響應(yīng)政府保護(hù)環(huán)境和限制溫室效應(yīng)的要求。圖1顯示了自2000年以來按地區(qū)劃分的車輛平均二氧化碳排放量（以行駛一公里的二氧化碳排放克數(shù)計(jì)算），標(biāo)準(zhǔn)化為新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）。如果將2025年的目標(biāo)設(shè)定為75克/公里，則與2015年相比又將提高38％。
如今，原設(shè)備制造商（OEM）可從眾多可降低二氧化碳排放量的技術(shù)方法中進(jìn)行選擇。國際能源署（IEA）已于2012年確認(rèn)并列出了這些技術(shù)方法，同時按照節(jié)油1％所需的成本對它們進(jìn)行了排名，如圖2所示。采用完全混動技術(shù)的成本已達(dá)到110歐元/1%，而通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)潤滑性實(shí)現(xiàn)同等的節(jié)油百分
比的成本僅為8歐元。IEA表示，在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面，先進(jìn)的動力傳動系統(tǒng)潤滑技術(shù)具有最佳的成本/效益比。
 
研究發(fā)現(xiàn)，保持新舊油良好的流變特性（用于表示流體的粘度-溫度關(guān)系的一個術(shù)語）對于提高動力傳動系的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，而流變特性良好的潤滑油具有高粘度指數(shù)（VI）。
流變特性–對于改善燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要
高粘度的潤滑油流動阻力高，在流動的過程中會耗費(fèi)大量能量。由于這種能量消耗在潤滑油的流動上，因此不再作用于推動車輛前進(jìn)。但是，如果潤滑油粘度過低，部件表面的潤滑油膜則會變得很薄。由此產(chǎn)生的后果是，部件得不到充分的潤滑，摩擦和磨損加大，導(dǎo)致大量的能量損失，同時顯著縮短整個部件的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)潤滑油的一個重要考量因素是在整個工作溫度范圍內(nèi)將其粘度保持在可接受的范圍內(nèi)。
新開發(fā)的一類粘度指數(shù)改進(jìn)劑（VII）：贏創(chuàng)油品添加劑梳狀聚合物
梳狀聚合物提升VI的基本原理如圖3所示。梳狀聚合物的性能特征在于其兩個子元素：梳狀物的主鏈（涉及到溫度觸發(fā)的溶解度）和其側(cè)鏈（確保所有溫度下良好的整體溶解性）。圖4顯示了在不同溫度下傳統(tǒng)VII和梳形聚合物的粘度貢獻(xiàn)。





 
 
 
圖4：梳狀聚合物的VI效應(yīng)
在低溫條件下，梳狀聚合物的主鏈塌陷。它僅能依靠側(cè)鏈在溶液中保持穩(wěn)定，因而增稠的作用極為有限，即對油品粘度的貢獻(xiàn)變的最小。在高溫條件下，主鏈在油品中充分溶解，使油品顯著增稠。傳統(tǒng)VII無法像梳狀聚合物那樣在低溫下最小化其分子線團(tuán)尺寸。如果傳統(tǒng)VII的主鏈像梳狀聚合物那般塌陷，它就會從溶液中沉淀出來并在整個油中產(chǎn)生凝膠，反而惡化其低溫性能。
梳狀聚合物的VI優(yōu)勢如圖5所示。該圖顯示了兩種SAE 0W-20配方和相應(yīng)基礎(chǔ)油的ASTM D341圖表。該圖表顯示了由溫度導(dǎo)致的線性的粘度變化。兩種SAE 0W-20配方均含有相同類型和加量的功能復(fù)合劑，同時具有相同的基礎(chǔ)油復(fù)配體系，并且均已調(diào)整至相同的高溫高剪切粘度（HTHS150為2.6 mPa•s），兩者只有VII的類型不相同。在不超過約40℃的較低溫度下，基于梳狀聚合物的油品的粘度與基礎(chǔ)油的粘度極為相似。只有當(dāng)溫度升至更高時，梳狀聚合物才開始大幅度提升粘度。相比之下，傳統(tǒng)VII在較低溫度下就已經(jīng)使油品顯著增稠，即使此時對于硬件保護(hù)來說粘度已經(jīng)綽綽有余。因此，基于梳狀聚合物的油樣VI為253，而傳統(tǒng)VII為177。
 
燃油經(jīng)濟(jì)性測試 - 基于梳狀聚合物的油品VS基于傳統(tǒng)VII的油品
贏創(chuàng)進(jìn)行了一系列發(fā)動機(jī)臺架和底盤測功機(jī)測試，用以證明梳狀聚合物VII技術(shù)相對于傳統(tǒng)VII在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢。我們采用兩種常見的粘度等級SAE 5W-30和SAE 0W-20研究了VII的作用。對于所有測試采用相同的對比方法：對于每個SAE粘度等級，調(diào)配了含有傳統(tǒng)“碳?xì)漕?rdquo;VII的參比測試油樣，該油樣滿足剪切后仍處于原級別的粘度要求。采用與參比測試油樣相同的基礎(chǔ)油體系和復(fù)合劑調(diào)配了含梳狀聚合物VII的測試油樣。對兩種油樣采用相同的發(fā)動機(jī)測試程序。
 
發(fā)動機(jī)測功的測試程序和結(jié)果
發(fā)動機(jī)測功測試是在排量為2.0升的渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的。測功機(jī)和發(fā)動機(jī)電子裝置的參數(shù)按照模擬整車的運(yùn)行來設(shè)定。燃油消耗量通過高頻脈沖流量計(jì)來測量。所有測試均使用相同批次的經(jīng)過認(rèn)證的測試燃油。
在測試之前，采用OEM推薦的服務(wù)用油得到了燃油消耗的“基準(zhǔn)值”。在測試每種待測油前后均重復(fù)進(jìn)行基準(zhǔn)油的測試，以確保整個測試過程中沒有發(fā)生明顯的基線漂移，例如，發(fā)動機(jī)消耗更少/更多的燃油。為最大限度地減少殘留量，每個樣品在測試之前進(jìn)行徹底的排空和沖洗程序。每種油樣均重復(fù)測試三次（無論是基準(zhǔn)油或測試油）。從開始到結(jié)束，所有測試的基準(zhǔn)油的燃油消耗結(jié)果沒有出現(xiàn)明顯偏移或統(tǒng)計(jì)意義上的差異。
按照三種測試循環(huán)（新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）、全球統(tǒng)一輕型車測試程序（WLTP） 和美國環(huán)境保護(hù)署城市駕駛聯(lián)邦測試程序（FTP75）進(jìn)行測試。每種測試循環(huán)在測試時間、平均速度、負(fù)載和油箱溫度方面都有很大差異，油箱溫度的差異包括其平均值和測試過程中不斷變化的動態(tài)溫度。預(yù)計(jì)在不同的測試循環(huán)中，燃油經(jīng)濟(jì)性的絕對值以及高VI油樣所能表現(xiàn)出的優(yōu)勢都會有所不同。
表1顯示了測試油詳細(xì)的流變特性。圖6展示了低溫和高溫流變效益。通過比較表1中的特定數(shù)據(jù)，可以看出，梳狀聚合物具有優(yōu)異的VI性能。傳統(tǒng)的VII具有相對較高的SSI，因此要求將對應(yīng)油樣調(diào)整至相對高的預(yù)剪切粘度，否則在剪切后無法達(dá)到SAE J300所規(guī)定的100℃下粘度限值。雖然兩種測試油樣具有相同的“保護(hù)”作用，但基于梳形聚合物的油樣具有明顯的流變特性優(yōu)勢，其HTHS100、HTHS80和KV40更低。這些較低的粘度有助于實(shí)現(xiàn)最小的攪動損失和更高的發(fā)動機(jī)效率。圖7顯示了基于梳狀聚合物的配方在三種不同測試循環(huán)中
表現(xiàn)出的相對于參比配方的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。它們采用完全相同的基礎(chǔ)油體系和復(fù)合劑，僅有VII不同。在相同的粘度等級下，梳狀聚合物配方可節(jié)省燃油高達(dá)1.6％，具有顯著意義。
 
對SAE 5W-30 和SAE 0W-20配方進(jìn)行的底盤測功機(jī)測試
設(shè)定了兩個主要目標(biāo)：將在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)中得到的基本研究發(fā)現(xiàn)在搭載有不同發(fā)動機(jī)的底盤測功機(jī)上進(jìn)行確認(rèn)，以及證實(shí)相同的VII在更低粘度等級下的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。底盤測功機(jī)測試與發(fā)動機(jī)臺架研究采用了相同的SAE 5W-30油樣。此外，采用之前所用的相同的傳統(tǒng)VII和梳狀聚合物來調(diào)配兩個SAE 0W-20油樣。有關(guān)配方及其性質(zhì)的詳細(xì)信息，請參見表2和圖8。


 
 
 
NEDC燃油經(jīng)濟(jì)性測試是在位于Salzbergen的第三方實(shí)驗(yàn)室 ISP進(jìn)行的。該測試采用的是搭載1.4升渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)的歐寶Astra運(yùn)動旅行車。所有測試均由同一個操作員完成，在相同的MAHA-AIP底盤測功機(jī)上進(jìn)行，并應(yīng)用Horiba氣體分析儀計(jì)算油耗。所有測試均使用相同批次的EU5燃油。在測試每個樣品油前后都進(jìn)行基準(zhǔn)油測試，以確保測量的一致性?；鶞?zhǔn)油采用OEM推薦的服務(wù)油SAE 5W-30配方。所有測試的重復(fù)性良好，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.3％（基于基
準(zhǔn)油的平均燃油消耗）。底盤測功機(jī)研究結(jié)果見圖9。
與采用傳統(tǒng)方法調(diào)配的油相比，高VI梳狀聚合物配方表現(xiàn)出明顯的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。在底盤測功機(jī)測試中，高VI SAE 5W-30油的燃油消耗量比參比油降低了0.6 %。
降低油品粘度等級可作為節(jié)省燃油的一種有效的措施，如用傳統(tǒng)VII調(diào)配的SAE 0W-20油的測試結(jié)果所示。與采用相同VII調(diào)配的SAE 5W-30相比，這種低粘度油樣在燃油經(jīng)濟(jì)性方面提升了1%。然而，采用梳狀聚合物技術(shù)可在相同粘度等級中使燃油經(jīng)濟(jì)性再提升0.8％。高VI的 SAE 0W-20配方的燃油經(jīng)濟(jì)性相比高VI的SAE 5W-30配方和采用傳統(tǒng)VII調(diào)配的SAE 5W-30分別高出1.2%和1.8%。盡管測試方法和發(fā)動機(jī)類型不同，但這一底盤測功機(jī)測試的結(jié)果與點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)臺架的測試結(jié)果類似。
歸納與總結(jié)
潤滑油有助于減少乘用車的二氧化碳排放從而減緩全球氣候變暖，同時滿足嚴(yán)苛的政府法規(guī)要求。油品粘度和VI的重要性及其對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響得到了特別的關(guān)注。基于梳狀聚合物，配方設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出具有高燃油效率的發(fā)動機(jī)油。通過采用不同的燃油經(jīng)濟(jì)性測試循環(huán)，梳狀聚合物在節(jié)省燃油方面的潛力在幾種點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)臺架和底盤測功機(jī)測試中都分別得到了證實(shí)。與傳統(tǒng)的VII技術(shù)相比，在相同發(fā)動機(jī)油SAE粘度等級下，梳狀聚合物可使燃油消耗量降低0.6-1.6 %。因此，在不降低潤滑油粘度等級并且不損害發(fā)動機(jī)硬件耐久性的條件下顯著節(jié)省燃油，這是完全可行的。
 
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