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赢创：流变特性和粘度指数改进剂（VII）
2018-11-13 19:54:58· 来源：电动化智能化汽车动力系统 作者：赢创
引言润滑油一直都是机动车的血液，起到在对抗磨擦过程中减少能量损失、防止磨损以及确保耐用性和延长车辆寿命的作用。对于现代乘用车的动力及传输系统而言，专门
引言
润滑油一直都是机动车的“血液”，起到在对抗磨擦过程中减少能量损失、防止磨损以及确保耐用性和延长车辆寿命的作用。对于现代乘用车的动力及传输系统而言，专门调配的润滑油是至关重要的一个设计元素。润滑油可以帮助实现高水平的燃油经济性和动力传输效率，以响应政府保护环境和限制温室效应的要求。图1显示了自2000年以来按地区划分的车辆平均二氧化碳排放量（以行驶一公里的二氧化碳排放克数计算），标准化为新欧洲驾驶循环（NEDC）。如果将2025年的目标设定为75克/公里，则与2015年相比又将提高38％。
如今，原设备制造商（OEM）可从众多可降低二氧化碳排放量的技术方法中进行选择。国际能源署（IEA）已于2012年确认并列出了这些技术方法，同时按照节油1％所需的成本对它们进行了排名，如图2所示。采用完全混动技术的成本已达到110欧元/1%，而通过优化发动机和传动系统润滑性实现同等的节油百分
比的成本仅为8欧元。IEA表示，在提高燃油经济性方面，先进的动力传动系统润滑技术具有最佳的成本/效益比。
研究发现，保持新旧油良好的流变特性（用于表示流体的粘度-温度关系的一个术语）对于提高动力传动系的效率和燃油经济性至关重要，而流变特性良好的润滑油具有高粘度指数（VI）。
流变特性–对于改善燃油经济性至关重要
高粘度的润滑油流动阻力高，在流动的过程中会耗费大量能量。由于这种能量消耗在润滑油的流动上，因此不再作用于推动车辆前进。但是，如果润滑油粘度过低，部件表面的润滑油膜则会变得很薄。由此产生的后果是，部件得不到充分的润滑，摩擦和磨损加大，导致大量的能量损失，同时显著缩短整个部件的使用寿命。因此，设计和开发润滑油的一个重要考量因素是在整个工作温度范围内将其粘度保持在可接受的范围内。
新开发的一类粘度指数改进剂（VII）：赢创油品添加剂梳状聚合物
梳状聚合物提升VI的基本原理如图3所示。梳状聚合物的性能特征在于其两个子元素：梳状物的主链（涉及到温度触发的溶解度）和其侧链（确保所有温度下良好的整体溶解性）。图4显示了在不同温度下传统VII和梳形聚合物的粘度贡献。
图4：梳状聚合物的VI效应
在低温条件下，梳状聚合物的主链塌陷。它仅能依靠侧链在溶液中保持稳定，因而增稠的作用极为有限，即对油品粘度的贡献变的最小。在高温条件下，主链在油品中充分溶解，使油品显著增稠。传统VII无法像梳状聚合物那样在低温下最小化其分子线团尺寸。如果传统VII的主链像梳状聚合物那般塌陷，它就会从溶液中沉淀出来并在整个油中产生凝胶，反而恶化其低温性能。
梳状聚合物的VI优势如图5所示。该图显示了两种SAE 0W-20配方和相应基础油的ASTM D341图表。该图表显示了由温度导致的线性的粘度变化。两种SAE 0W-20配方均含有相同类型和加量的功能复合剂，同时具有相同的基础油复配体系，并且均已调整至相同的高温高剪切粘度（HTHS150为2.6 mPa•s），两者只有VII的类型不相同。在不超过约40℃的较低温度下，基于梳状聚合物的油品的粘度与基础油的粘度极为相似。只有当温度升至更高时，梳状聚合物才开始大幅度提升粘度。相比之下，传统VII在较低温度下就已经使油品显著增稠，即使此时对于硬件保护来说粘度已经绰绰有余。因此，基于梳状聚合物的油样VI为253，而传统VII为177。
燃油经济性测试 - 基于梳状聚合物的油品VS基于传统VII的油品
赢创进行了一系列发动机台架和底盘测功机测试，用以证明梳状聚合物VII技术相对于传统VII在燃油经济性方面的优势。我们采用两种常见的粘度等级SAE 5W-30和SAE 0W-20研究了VII的作用。对于所有测试采用相同的对比方法：对于每个SAE粘度等级，调配了含有传统“碳氢类”VII的参比测试油样，该油样满足剪切后仍处于原级别的粘度要求。采用与参比测试油样相同的基础油体系和复合剂调配了含梳状聚合物VII的测试油样。对两种油样采用相同的发动机测试程序。
发动机测功的测试程序和结果
发动机测功测试是在排量为2.0升的涡轮增压汽油直喷发动机上进行的。测功机和发动机电子装置的参数按照模拟整车的运行来设定。燃油消耗量通过高频脉冲流量计来测量。所有测试均使用相同批次的经过认证的测试燃油。
在测试之前，采用OEM推荐的服务用油得到了燃油消耗的“基准值”。在测试每种待测油前后均重复进行基准油的测试，以确保整个测试过程中没有发生明显的基线漂移，例如，发动机消耗更少/更多的燃油。为最大限度地减少残留量，每个样品在测试之前进行彻底的排空和冲洗程序。每种油样均重复测试三次（无论是基准油或测试油）。从开始到结束，所有测试的基准油的燃油消耗结果没有出现明显偏移或统计意义上的差异。
按照三种测试循环（新欧洲驾驶循环（NEDC）、全球统一轻型车测试程序（WLTP） 和美国环境保护署城市驾驶联邦测试程序（FTP75）进行测试。每种测试循环在测试时间、平均速度、负载和油箱温度方面都有很大差异，油箱温度的差异包括其平均值和测试过程中不断变化的动态温度。预计在不同的测试循环中，燃油经济性的绝对值以及高VI油样所能表现出的优势都会有所不同。
表1显示了测试油详细的流变特性。图6展示了低温和高温流变效益。通过比较表1中的特定数据，可以看出，梳状聚合物具有优异的VI性能。传统的VII具有相对较高的SSI，因此要求将对应油样调整至相对高的预剪切粘度，否则在剪切后无法达到SAE J300所规定的100℃下粘度限值。虽然两种测试油样具有相同的“保护”作用，但基于梳形聚合物的油样具有明显的流变特性优势，其HTHS100、HTHS80和KV40更低。这些较低的粘度有助于实现最小的搅动损失和更高的发动机效率。图7显示了基于梳状聚合物的配方在三种不同测试循环中
表现出的相对于参比配方的燃油经济性优势。它们采用完全相同的基础油体系和复合剂，仅有VII不同。在相同的粘度等级下，梳状聚合物配方可节省燃油高达1.6％，具有显著意义。
对SAE 5W-30 和SAE 0W-20配方进行的底盘测功机测试
设定了两个主要目标：将在发动机台架试验中得到的基本研究发现在搭载有不同发动机的底盘测功机上进行确认，以及证实相同的VII在更低粘度等级下的燃油经济性优势。底盘测功机测试与发动机台架研究采用了相同的SAE 5W-30油样。此外，采用之前所用的相同的传统VII和梳状聚合物来调配两个SAE 0W-20油样。有关配方及其性质的详细信息，请参见表2和图8。
NEDC燃油经济性测试是在位于Salzbergen的第三方实验室 ISP进行的。该测试采用的是搭载1.4升涡轮增压汽油直喷发动机的欧宝Astra运动旅行车。所有测试均由同一个操作员完成，在相同的MAHA-AIP底盘测功机上进行，并应用Horiba气体分析仪计算油耗。所有测试均使用相同批次的EU5燃油。在测试每个样品油前后都进行基准油测试，以确保测量的一致性。基准油采用OEM推荐的服务油SAE 5W-30配方。所有测试的重复性良好，最大标准差为0.3％（基于基
准油的平均燃油消耗）。底盘测功机研究结果见图9。
与采用传统方法调配的油相比，高VI梳状聚合物配方表现出明显的燃油经济性优势。在底盘测功机测试中，高VI SAE 5W-30油的燃油消耗量比参比油降低了0.6 %。
降低油品粘度等级可作为节省燃油的一种有效的措施，如用传统VII调配的SAE 0W-20油的测试结果所示。与采用相同VII调配的SAE 5W-30相比，这种低粘度油样在燃油经济性方面提升了1%。然而，采用梳状聚合物技术可在相同粘度等级中使燃油经济性再提升0.8％。高VI的 SAE 0W-20配方的燃油经济性相比高VI的SAE 5W-30配方和采用传统VII调配的SAE 5W-30分别高出1.2%和1.8%。尽管测试方法和发动机类型不同，但这一底盘测功机测试的结果与点火式发动机台架的测试结果类似。
归纳与总结
润滑油有助于减少乘用车的二氧化碳排放从而减缓全球气候变暖，同时满足严苛的政府法规要求。油品粘度和VI的重要性及其对燃油经济性的影响得到了特别的关注。基于梳状聚合物，配方设计师能够设计出具有高燃油效率的发动机油。通过采用不同的燃油经济性测试循环，梳状聚合物在节省燃油方面的潜力在几种点火式发动机台架和底盘测功机测试中都分别得到了证实。与传统的VII技术相比，在相同发动机油SAE粘度等级下，梳状聚合物可使燃油消耗量降低0.6-1.6 %。因此，在不降低润滑油粘度等级并且不损害发动机硬件耐久性的条件下显著节省燃油，这是完全可行的。
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