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多途径实现燃油经济性提升

2016-07-05   来源:润滑油情报 网友评论 0

摘要:自本世纪初以来,严格的排放法规推动了更高的能源节约要求。这些进展给汽车行业带来了新的挑战...


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自本世纪初以来,严格的排放法规推动了更高的能源节约要求。这些进展给汽车行业带来了新的挑战,从而促进了更好的燃油经济性。相关研究发现,通过优化自动传动液、发动机润滑油和燃料油的配方,能够成功地提高6.8%的燃油经济性。在全球范围内,仅仅减少1%的能源使用就可以节省4800万桶的燃料。同时,还能够削减170亿吨二氧化碳温室气体排放。

专家认为,7%-10%燃油经济性的理论极限虽然很宏远,但3%-4%的燃油经济性提升其实是可以实现的。这些数字可以从经济和环境的角度对世界产生真正的影响。

添加剂制造商发现,从全球范围来看,1%燃油经济性的提高能带来额外的积极影响,包括476亿桶燃料和1690万吨的温室气体排放量减少,至2020年在欧洲节省17亿欧元二氧化碳征收,以及每年290亿欧元的直接消费效益。该估计是基于已发布的汽车停放里程,燃油消耗和尾气排放数据。

多样化的挑战

在过去的15年里,车辆的设计已经发生了明显的变化。虽然车辆重量和发动机功率增加,但燃料消耗和二氧化碳排放量已大幅减少。平均乘用车燃料消耗从1985年的10升/100公里下降到今天的5升/ 100公里。

这些数字正在接近由美国环境保护署环境制定的2025年每加仑56英里的目标。以上结果是由多种方法实现的,包括动力系统优化,控制重量减少,以及低粘度油和新的(金属和矿物)表面涂层的使用。

其中,提高燃油经济性的一个有效方法包括使用低粘度油以减少流体动力损失,以及应用润滑添加剂以控制磨损和边界摩擦。

目前,已经研究出一些方法来减少边界摩擦和磨损。然而,虽然这些技术可以减少摩擦,但也提出了新的挑战,必须加以解决。例如,发动机部件的高度抛光或超精表面,可以降低运行阻力,但这些操作会增加制造成本。此外,超精表面表现出较差的油膜保留能力,以及需要更好的油品过滤以防止损坏。

减摩添加剂,虽然有效,但也会增加配方的成本,减少油品服务时间,并有可能造成黄铜腐蚀。硬质涂层,如类金刚石碳涂层和Nikasil涂层,能够保护组件但增加了成本。它们同样具有较差的油膜保留性能,导热性较差,不能与二硫化钼兼容,并会在应用中发生侵蚀。

最后,多孔涂层虽然是昂贵的,却提供了高导热性,从而具有有效的冷却和更好的润滑油膜厚度。它们还保持了全膜润滑作用。

发动机试验表明,这些涂层减少的摩擦即意味着有效压力提高达20%,这能转换成0.5%-1.5%的燃油效率提升。

最大的影响是通过与低粘度机油的组合实现的。这些涂层的使用能够最小化原先依赖添加剂包来减少的摩擦,这是在调配低SAPS(硫酸化灰分、磷、硫)油品时满足ACEA C序列的一个重要考虑因素。

润滑解决方案

从历史的角度来看,在过去的三十年,燃油经济有四个焦点领域。在上世纪80年代,焦点在于粘度,即使用低粘度油来提高燃油使用效率。后来,ILSAC GF-2 和GF-3规格时代,人们使用化学物质来减少摩擦。直到今天,摩擦改进剂仍具有重大影响。

接下来的ILSAC GF-5时代,油品配方师开始试图更新旧的配方以满足需要。这一努力重点在于替换控制高温沉积物的化学成分的需求,因为它与化学成分需要迎合提升燃油经济性的要求有冲突。行业尝试解决这些问题,并寻找一个既可以保护发动机,又能提高燃油经济性的润滑油解决方案。

目前乃技术支持阶段。在这种环境下,高温沉积物控制对今天更小但更大功率的发动机而言是一个关键的挑战。有效沉积物控制使原始设备制造商能够提高较小发动机尺寸车辆的燃油经济性。为了控制和保护磨损,人们使用超低粘度油品,相应地也提高了燃油经济性。

燃油经济性的提升是一个永无止境的挑战,一年比一年更难以企及。目前,“低悬的果实”已被采摘,它已经很难找到改进的领域。

雅富顿采用发动机试验来评价摩擦改进剂技术与润滑油老化,及其对燃油经济性的影响。其持续老化的燃油经济性测试(A-CAFE)使用真实世界的行驶循环,适用于任何车辆。它同时测量燃油经济性及动力传动液的老化。该测试精度高,并能提供由于配方改变对尾气排放影响的快速评估。
燃油经济性方程式中的另一个关键因素是低粘度。但配方时要小心,粘度需要匹配硬件,因为低粘度虽然可以提高燃油经济性,但其他如氧化和磨损控制也是必须解决的问题。

低速预点火

对于所有发动机设计师和油品配方师而言,当前的主要问题之一是低速预点火(LSPI)。在火花塞真正点火之前,燃料/空气混合物点燃的预点火是不可控制的燃烧。当这一切发生的时候,会在汽缸中得到巨大的压力点,而这是发动机设计所不能承受的,从而有可能导致灾难性的引擎故障。

不幸的是,最具燃油效率的发动机区域又是最容易发生低速预点火的地方。因此,汽车制造者不得不调整自己的发动机,避免在受影响区域发生LSPI。这通常是通过注入更多不必要的燃料,从而不利于燃油经济性。因此,LSPI是燃油经济性和二氧化碳排放减少的限制因素之一。

相关研究曾评估过不同的基础油的机油在发动机上的应用,发现了较高的API数值与较低LSPI频率的关联性。

此外,更高的钙水平与更高的LSPI频率也有关联性,而增加磷和钼的水平会降低LSPI频率。研究发现,润滑剂挥化性或氧化特性以及LSPI频率之间并没有明确的相关性。对于ILSP,并没有单一的解决方案,必须要通过所有关键利益相关者的合力来制定综合的解决方案。

结语

油品不仅提高了燃油经济性,同时也能保护发动机,让汽车制造商能够将最新的发动机技术带入市场,并提供更高的性能。现在的问题不是关于润滑油本身,而是关于润滑油能为OEM采用新硬件来实现燃油经济性的逐步变化做些什么。

小型发动机,汽油直接喷射和涡轮增压,都给润滑油配方师提出了挑战。润滑油配方师需要解决由压力、几何学,以及现代发动机采取的燃料策略以及燃烧控制所引起的多重问题。因此,他们需要对OEM正在做什么,以及发动机设计师想要的东西有一个更好的理解。

如果能充分考虑到整体系统运行,燃油经济性可要比现在高得多。例如,优化自动传动液能使燃油经济性提高2.1%。如果为硬件添加优化后的发动机润滑油,燃油经济性提高能飙升至5.2%,再通过为硬件增加高性能润滑油,并最优化燃料,燃料经济性提升甚至可以达到6.8%的峰值。
最后,寻找最佳解决方案需要整体分析。关键的问题是,整体解决方案如何增加价值?未来燃料经济性油品的发展,将建立在与实际应用更紧密结合的评估基础上。事物的各个部分都是紧密相连的,只有参考全面因素,才能找到解锁真实价值的关键。

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