發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失占客車(chē)燃料消耗的三分之一。該客觀事實(shí)正推動(dòng)著對(duì)減少摩擦這一研究的重大投資,因?yàn)镺EM廠商正為滿(mǎn)足不斷緊縮的二氧化碳排放法規(guī)要求而努力。繼在英國(guó)利茲 - 里昂研討會(huì)發(fā)布論文之后,潤(rùn)英聯(lián)Dean Clarke介紹了潤(rùn)英聯(lián)和Mahle所進(jìn)行的將實(shí)際路況下的超潤(rùn)滑作為一種顯著減少摩擦方法的工作
為改善車(chē)輛油耗,汽車(chē)行業(yè)多年來(lái)一直致力于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失。其中一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域就是活塞環(huán)和活塞,因?yàn)樗鼈冋紦?jù)了發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦損失的一半左右。 迄今為止,這些工作主要圍繞設(shè)計(jì)更改、使用低摩擦涂層,改善內(nèi)壁表面光潔度及調(diào)配高級(jí)潤(rùn)滑油,來(lái)減少活塞系統(tǒng)的摩擦。
現(xiàn)在,業(yè)界正在探索涂層和潤(rùn)滑油添加劑一些特定組合所具有的新型協(xié)同效應(yīng)(稱(chēng)為“超潤(rùn)滑”),用以減少摩擦。
結(jié)構(gòu)性超潤(rùn)滑是指兩個(gè)接觸表面在測(cè)量誤差范圍內(nèi)摩擦系數(shù)(CoF)小于0.01的無(wú)阻力滑動(dòng)的狀態(tài)。盡管已獲得實(shí)際使用的發(fā)動(dòng)機(jī)部件低至0.02的摩擦系數(shù),但還未獲得使用全配方機(jī)油有如此低的摩擦系數(shù)。潤(rùn)英聯(lián)和Mahle公司已開(kāi)展了一項(xiàng)旨在實(shí)際路況下實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑效應(yīng)的研究,這意味著通過(guò)使用經(jīng)過(guò)全面調(diào)配的發(fā)動(dòng)機(jī)油,顯著降低真實(shí)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)部件之間的摩擦(≤0.04 CoF)。
目前有若干個(gè)假設(shè)來(lái)解釋超潤(rùn)滑效應(yīng),其核心的一個(gè)假設(shè)是氫鍵在類(lèi)金剛石(DLC)光滑表面上形成。 然而,這一最新項(xiàng)目也探索了一個(gè)實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑的全新途徑,它結(jié)合了物理氣相沉積陶瓷(PVDC)涂層,鉬類(lèi)添加劑和常規(guī)的內(nèi)壁拋光。
活塞環(huán)試驗(yàn)
首先,選擇兩款市面銷(xiāo)售的機(jī)油進(jìn)行試驗(yàn)。
對(duì)活塞環(huán)和缸套(來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程中的真實(shí)部件)的無(wú)氫DLC和PVDC涂層, 用往復(fù)試驗(yàn)來(lái)評(píng)估各種負(fù)荷及溫度下的摩擦系數(shù)。
對(duì)于每個(gè)活塞環(huán)/缸套/潤(rùn)滑油,根據(jù)以下步驟至少進(jìn)行三次往復(fù)式試驗(yàn):
在試驗(yàn)之后,清潔了活塞環(huán)/缸套,測(cè)量了磨損情況,并分析了所選活塞環(huán)/缸套的摩擦膜情況。
兩種測(cè)試機(jī)油在PVDC和DLC類(lèi)型涂層的摩擦和磨損程序中顯示出非常不同的CoF響應(yīng)。油樣A沒(méi)有達(dá)到超潤(rùn)滑性,在PVDC的測(cè)試程序中CoF約保持在 0.13,而對(duì)于DLC涂層,CoF在測(cè)試開(kāi)始時(shí)約為0.07,到測(cè)試結(jié)束時(shí)增加至0.12至0.13。油樣B在PVDC活塞環(huán)中明顯摩擦降低,在130℃時(shí)達(dá)到超潤(rùn)滑。然而,對(duì)于油樣B,速率和負(fù)載的增加對(duì)DLC涂層幾乎無(wú)影響。
油樣B在PVDC活塞環(huán)中達(dá)到超潤(rùn)滑
然后,測(cè)量了活塞環(huán)和缸套的磨損情況。摩擦結(jié)果最低的一組顯示出磨損更少。值得特別關(guān)注的是盡管基礎(chǔ)產(chǎn)品油A中DLC涂層的磨損低于PVDC涂層,而對(duì)于日本燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)品油B來(lái)說(shuō),情況正好相反。
日本燃油經(jīng)濟(jì)型機(jī)油減少了PVDC涂層上的磨損,但增加了DLC涂層上的磨損情況。
此外,在測(cè)試后觀察缸套表面時(shí),油B引起的缸套磨損度較低,特別是對(duì)于PVDC涂層的活塞環(huán),其中還可以看到棕褐色的摩擦膜。
為研究導(dǎo)致不同涂層對(duì)兩種機(jī)油造成不同反應(yīng)的摩擦化學(xué)機(jī)理,采用了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(duì)所選的活塞環(huán)/缸套的表面進(jìn)行了詳細(xì)地表征。
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,也觀察到了兩種涂層之間的差異,這可能有助于解釋PVDC為何能獲得比DLC更小的摩擦。
采用全配方機(jī)油進(jìn)一步測(cè)試
這些初步結(jié)果顯示了日本的燃料經(jīng)濟(jì)型機(jī)油在PVDC涂層中具有比無(wú)氫DLC涂層更小的磨損和摩擦,此后又進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試。使用三種實(shí)驗(yàn)性的經(jīng)過(guò)全面調(diào)配的SAE 0W-20機(jī)油來(lái)研究文獻(xiàn)假設(shè),即超潤(rùn)滑是通過(guò)組合使用有機(jī)摩擦改進(jìn)劑(OFM)和DLC涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
為了更好地研究摩擦膜效應(yīng),從測(cè)試程序中去除了50℃時(shí)摩擦和磨損程序。與之前的測(cè)試一樣,DLC涂層對(duì)潤(rùn)滑油種類(lèi)和速率的增加幾乎不敏感。然而,對(duì)于PVDC活塞環(huán),當(dāng)用含有OFM的機(jī)油測(cè)試時(shí),其顯示出輕微的摩擦減少,但在含有鉬鹽的機(jī)油中觀察到了顯著的摩擦減少。
盡管實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有達(dá)到超潤(rùn)滑值,但結(jié)果表明,相較于OFM,鉬鹽對(duì)于達(dá)到所需的CoF減少必不可少的。而且,結(jié)果顯示與DLC涂層相比,PVDC涂層使用了潤(rùn)滑油添加劑后效果更為顯著。
DLC活塞環(huán)對(duì)潤(rùn)滑油的配方不敏感
PVD活塞環(huán)在含有鉬鹽摩擦改進(jìn)劑的機(jī)油中摩擦減小
鉬鹽的影響
為驗(yàn)證鉬對(duì)于形成超潤(rùn)滑十分必要這一理論,調(diào)配了三種具有高鉬含量的新型SAE 0W-20潤(rùn)滑油配方,并精心混合了所有必要組分。
這三種配方都能在PVDC活塞環(huán)的邊界條件下達(dá)到約0.04的CoF(超潤(rùn)滑性)。 與所有其它測(cè)試油的效果相同,DLC涂層的摩擦性能與歐洲基礎(chǔ)產(chǎn)品類(lèi)似。為了保證試驗(yàn)條件的重復(fù)性,將油A和油B再與三種新的實(shí)驗(yàn)配方一起進(jìn)行測(cè)試。在這輪測(cè)試中,油B-DLC活塞環(huán)實(shí)驗(yàn)組證實(shí)了在第一次測(cè)試中觀察到的摩擦增加及磨損趨勢(shì)。
就磨損而言,盡管DLC(和配對(duì)的缸套)仍高于帶有含鉬機(jī)油的PVDC涂層,但與市售油B相比,這三種新配方能夠減輕活塞環(huán)磨損。
活塞環(huán)和缸套磨損測(cè)試
所開(kāi)展的工作已證明,可通過(guò)鉬含量高的機(jī)油,在往復(fù)試驗(yàn)中PVDC涂層的活塞環(huán)和氣缸套之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際路況下的超潤(rùn)滑效果(≤0.04CoF的低摩擦值)。另外,當(dāng)超潤(rùn)滑形成時(shí),活塞環(huán)和缸套的磨損都會(huì)減少。然而,鉬含量高的機(jī)油會(huì)導(dǎo)致DLC涂層的磨損增加,這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油配方來(lái)減輕。
通過(guò)精心平衡潤(rùn)滑油配方中的添加劑成分,采用經(jīng)過(guò)全面調(diào)配的SAE OW-20即可在實(shí)際路況條件下實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑。
利用涂層和潤(rùn)滑油添加劑特定組合的協(xié)同作用,通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失、保持抗磨損保護(hù),就可以獲得燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。
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