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全配方汽油机油助力实现减摩突破

2018-04-03 17:41 来源: 中国润滑油信息网

发动机摩擦损失占客车燃料消耗的三分之一。该客观事实正推动着对减少摩擦这一研究的重大投资,因为 OEM 厂商正为满足不断紧缩的二氧化碳排放法规要求而努力。继在英国利兹 - 里昂研讨会发布论文之后,润英联 Dean Clarke 介绍了润英联和 Mahle 所进行的将实际路况下的超润滑作为一种显著减少摩擦方法的工作

为改善车辆油耗,汽车行业多年来一直致力于降低发动机的摩擦损失。其中一个重点关注领域就是活塞环和活塞,因为它们占据了发动机总摩擦损失的一半左右。 迄今为止,这些工作主要围绕设计更改、使用低摩擦涂层,改善内壁表面光洁度及调配高级润滑油,来减少活塞系统的摩擦。

现在,业界正在探索涂层和润滑油添加剂一些特定组合所具有的新型协同效应(称为 " 超润滑 "),用以减少摩擦。

结构性超润滑是指两个接触表面在测量误差范围内摩擦系数(CoF)小于 0.01 的无阻力滑动的状态。尽管已获得实际使用的发动机部件低至 0.02 的摩擦系数,但还未获得使用全配方机油有如此低的摩擦系数。润英联和 Mahle 公司已开展了一项旨在实际路况下实现超润滑效应的研究,这意味着通过使用经过全面调配的发动机油,显著降低真实条件下的发动机部件之间的摩擦(≤0.04 CoF)。

目前有若干个假设来解释超润滑效应,其核心的一个假设是氢键在类金刚石(DLC)光滑表面上形成。 然而,这一最新项目也探索了一个实现超润滑的全新途径,它结合了物理气相沉积陶瓷(PVDC)涂层,钼类添加剂和常规的内壁抛光。

活塞环试验

首先,选择两款市面销售的机油进行试验。

全配方汽油机油助力实现减摩突破

对活塞环和缸套(来自生产过程中的真实部件)的无氢 DLC 和 PVDC 涂层, 用往复试验来评估各种负荷及温度下的摩擦系数。

对于每个活塞环 / 缸套 / 润滑油,根据以下步骤至少进行三次往复式试验:

全配方汽油机油助力实现减摩突破

在试验之后,清洁了活塞环 / 缸套,测量了磨损情况,并分析了所选活塞环 / 缸套的摩擦膜情况。

两种测试机油在 PVDC 和 DLC 类型涂层的摩擦和磨损程序中显示出非常不同的 CoF 响应。油样 A 没有达到超润滑性,在 PVDC 的测试程序中 CoF 约保持在 0.13,而对于 DLC 涂层,CoF 在测试开始时约为 0.07,到测试结束时增加至 0.12 至 0.13。油样 B 在 PVDC 活塞环中明显摩擦降低,在 130 ℃时达到超润滑。然而,对于油样 B,速率和负载的增加对 DLC 涂层几乎无影响。

全配方汽油机油助力实现减摩突破

油样 B 在 PVDC 活塞环中达到超润滑

然后,测量了活塞环和缸套的磨损情况。摩擦结果最低的一组显示出磨损更少。值得特别关注的是尽管基础产品油 A 中 DLC 涂层的磨损低于 PVDC 涂层,而对于日本燃油经济性产品油 B 来说,情况正好相反。

全配方汽油机油助力实现减摩突破

日本燃油经济型机油减少了 PVDC 涂层上的磨损,但增加了 DLC 涂层上的磨损情况。

此外,在测试后观察缸套表面时,油 B 引起的缸套磨损度较低,特别是对于 PVDC 涂层的活塞环,其中还可以看到棕褐色的摩擦膜。

为研究导致不同涂层对两种机油造成不同反应的摩擦化学机理,采用了 X- 射线光电子能谱和具有能量色散能谱法的扫描透射电子显微镜即 STEM-EDS 对所选的活塞环 / 缸套的表面进行了详细地表征。

不同寻常的是,与 PVDC 相比,在 DLC 表面上观察到的摩擦膜很少。此外,也观察到了两种涂层之间的差异,这可能有助于解释 PVDC 为何能获得比 DLC 更小的摩擦。

采用全配方机油进一步测试

这些初步结果显示了日本的燃料经济型机油在 PVDC 涂层中具有比无氢 DLC 涂层更小的磨损和摩擦,此后又进行了进一步的测试。使用三种实验性的经过全面调配的 SAE 0W-20 机油来研究文献假设,即超润滑是通过组合使用有机摩擦改进剂(OFM)和 DLC 涂层来实现的。

全配方汽油机油助力实现减摩突破

为了更好地研究摩擦膜效应,从测试程序中去除了 50 ℃时摩擦和磨损程序。与之前的测试一样,DLC 涂层对润滑油种类和速率的增加几乎不敏感。然而,对于 PVDC 活塞环,当用含有 OFM 的机油测试时,其显示出轻微的摩擦减少,但在含有钼盐的机油中观察到了显著的摩擦减少。

尽管实验并没有达到超润滑值,但结果表明,相较于 OFM,钼盐对于达到所需的 CoF 减少必不可少的。而且,结果显示与 DLC 涂层相比,PVDC 涂层使用了润滑油添加剂后效果更为显著。

全配方汽油机油助力实现减摩突破

DLC 活塞环对润滑油的配方不敏感

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