蓖麻基環境友好節能減排發動機油的研制

唐彩珍，劉 琨，黃福川，李 勝

（廣西大學廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室，廣西南寧 530004）

近年來，汽車產業迅猛發展。截至2011年底，中國汽車保有量達到9 350萬輛，預計至2020年中國汽車保有量將達2億輛的規模，汽車消耗的石油總量將達4.4億t，如不采取強有力的節油措施，將會嚴重影響中國石油能源的安全性。此外，汽車排放總量不斷增加，會加重環境負荷，直接影響空氣質量。現今中國部分城市出現的持續霧霾天氣，與汽車尾氣排放密切相關。在節能方面，由于中國國內發動機技術水平與國外存在一定差距，汽油機油耗比國外同類產品高10%～15%［1-2］，中國發動機和汽車工業仍有很大提升空間。隨著技術的發展，對汽車硬件（如發動機子系統或相關部件）進行改造或優化，可以改善燃油燃燒狀態，達到提高能源利用率、降低油耗、減少排放的目的。但這種方法工藝復雜，費用高，難度大，通常效果也不理想。從發動機的軟件著手，研制新型環境友好發動機油，提高發動機的燃油經濟性，減少排放，是一創新之舉，也是當前研究的熱門。發動機油是發動機非常重要的“軟件”之一。本研制立足環境友好節能減排，研制新型發動機油，使其能有效減少和降低發動機運動副的磨損，保持發動機的密封性，提高燃油燃燒效率，減少污染物的排放［3］。

1 研制蓖麻基環境友好節能減排發動機油性能要求

汽油發動機潤滑系統由機油泵、油底殼、粗濾器、細濾器及相應油管組成。機油泵以一定的壓力使潤滑油在發動機中循環，實現曲軸、連桿、軸承以及其他摩擦部位的潤滑，以確保發動機正常運轉。在潤滑的同時，對發動機還起到減摩、冷卻、密封、清洗以及防銹等作用。發動機運轉時，曲軸轉速快，曲軸箱內溫度高（活塞頂、氣缸壁及汽缸蓋的溫度為250～300℃）［4］，發動機油易發生氧化衰變，其氧化產物多為聚合物，使油品變稠。此外，氧化過程產生有機酸會對發動機部件產生腐蝕。因此，為確保發動機正常工作，研制蓖麻基環境友好節能減排發動機油應具備的的基本性能有以下幾方面：1）適當的黏度和良好的黏溫性能，確保油品能在發動機運動副表面形成良好的油膜保護，使發動機具有良好的低溫啟動性能；2）良好的清凈分散性，不僅要具備良好的高溫清凈和酸中和作用，而且還應具備良好的低溫油泥的分散性，減少積炭、漆膜以及油泥沉積；3）良好的抗高溫、低溫氧化和減少蒸發損耗能力，抑制和減少油品氧化物的生成，有效延長換油周期；4）良好的減摩、抗磨性能，保護活塞、缸套、軸瓦組件，減少發動機維修次數，延長使用壽命。此外，還應具有良好的抗泡性、抗剪切性、凝膠性能、環境友好以及橡膠相容性，這些也直接影響著發動機的使用性能。同時，隨著節能、減排法規的日趨嚴格，發動機油對燃油經濟性的影響也是良好發動機油性能的重要指標之一［5］。

2 研制內容

2.1 基礎油

基礎油是發動機油的重要組成，對發動機油性質起著決定性的作用。在滿足發動機性能要求的基礎上，本研制油主要關注對燃油經濟性和環境方面的影響。因此，對基礎油的選擇更為慎重，特別是可再生、環境友好、節能、減排、減少霧霾的合理技術要求。

蓖麻基環境友好節能減排發動機油的基礎油之一是以蓖麻油為原料制得的蓖麻基癸二酸二辛酯。蓖麻基癸二酸二辛酯屬于合成油中的酯類基礎油，具有多重酯鍵，賦予基礎油較強的極性，增強油品與添加劑的相溶性能；同時，使油膜強度、抗剪切性、抗高溫氧化性得以提高。癸二酸二辛酯的潤滑機理如下：它會在運動副潤滑表面形成定向排列的分子吸附膜，以物理鍵作用吸附為主，對運動副具有良好的抗磨和減摩作用。此外，還具有良好的低溫流動性、黏溫性能、減摩特性、彈性體相容性以及可降解性［6］。蓖麻基癸二酸二辛酯理化性能見表1。

表1 蓖麻基癸二酸二辛酯典型理化指標Tab.1 Typical physical and chemical properties of the cestor based dioctyt sebacate

復合基礎油的另一組分為Ⅲ類基礎油。Ⅲ類基礎油采用加氫裂化、異構脫蠟技術，脫除了正構蠟組分，具有優異的低溫流動性，飽和烴含量高，硫、氮、氧雜原子含量極少，芳烴含量少，揮發性、黏溫性、熱氧化安定性、燃油經濟性以及對添加劑的感受能力都優于Ⅰ類和Ⅱ類基礎油，性能與Ⅳ類基礎油相似，但價格遠低于Ⅳ類基礎油，具有市場競爭優勢［7］。Ⅲ類基礎油理化性能見表2。

選用的Ⅲ類基礎油中，HVIW H350具有較好的低溫啟動性能、良好的抗氧化安定性能；IDW 150BS蒸發損耗性低、黏溫性能好，加入少量即可顯著提高基礎油的黏度，增加油膜強度和抗剪切性［8-9］。以蓖麻基癸二酸二辛酯和Ⅲ類基礎油復合的基礎油，蒸發損失小，積炭傾向性小，具有良好的低溫流動性和添加劑感受性能，采用可再生資源蓖麻基癸二酸二辛酯，生物可降解性高，還減少了礦物油的使用。

表2 Ⅲ類基礎油基本理化指標Tab.2 Typical physical and chemical properties of mineral oil（Ⅲtype）

2.2 添加劑

添加劑是發動機油配方的重要組成部分，加入少量就可以明顯改善或增強基礎油的性能。傳統篩選添加劑的方法需通過大量實驗，不僅過程復雜，而且進程緩慢，不能滿足生產和市場的需求。為此，采用模糊層次分析法，引入模糊矩陣，利用模糊一致矩陣對各方案進行總排序，輔助研制進程，可極大減少實驗次數，有利于解決油品性能要求多、具體配方選擇難、研制時間較長等問題［10-11］。篩選出的功能型添加劑有黏度指數改進劑、清凈劑、分散劑、抗氧劑、摩擦改進劑、抗氧防腐劑、降凝劑以及抗泡劑或同類劑的復合。其中，各添加劑組分的用途、性能如下所述［5，12］。

1）黏度指數改進劑 選用乙烯-丙烯共聚物。在研制油中適量添加乙烯-丙烯共聚物黏度改進劑的膠液，可以彌補基礎油黏度范圍的不足，提高油品黏度，改善油品黏溫性能。根據溫度條件的不同，乙烯-丙烯共聚物可以改變自身結構，實現對油品黏度的調整。高溫下呈線性伸展，增加黏度；低溫下呈收縮狀態，避免黏度過高，使油品在不同季節都能保持適合的黏度，保證發動機良好的低溫啟動性、抗剪切性和高溫潤滑能力。

2）清凈劑 選用低堿值石油磺酸鈣、高堿值石油磺酸鈣和硫化烷基酚鈣復合。磺酸鹽對漆膜和積炭具有很強的吸附能力，可以較好地清洗活塞上的沉積物。硫化烷基酚鈣具有較強的極性，常以膠束分散于油中，可以阻止極性物質在油中發生集聚。復合使用的清凈劑能保持油品較高的儲備堿度，有效中和油品氧化生成的酸性物質，阻止其進一步氧化縮合，且其增溶效果優良，可避免極性物質在化油器、噴嘴、進氣閥及燃燒室等處沉積，保持發動機的清潔環境，保證發動機良好的動力效果，提高經濟性以及安全系數。

3）分散劑 選用單烯基丁二酰亞胺。單烯基丁二酰亞胺屬于無灰型分散劑，可避免因灰分過多而引起發動機部件的磨損。單烯基丁二酰亞胺結構中的極性基團在固體表面具有較強的吸附能力，消弱油泥、積炭等沉積物在機件金屬表面的吸附作用，使沉積物易從金屬表面上清洗下來，起到清洗、分散、增溶作用。在研制油中加入少量單烯基丁二酰亞胺，能較好解決因汽車頻繁啟停而導致的低溫油泥堵塞油路的問題。

4）抗氧劑 選用2，6-二叔丁基對甲酚與N-苯基-α-萘胺復合。2，6-二叔丁基對甲酚是一種鏈反應終止抗氧劑，能于油品初期氧化生成較穩定的化合物，終止油品氧化衰變反應。N-苯基-α-萘胺分解溫度較高，抗氧耐久性好，在油溶性有機鎢摩擦改進劑存在情況下，只需極少量即可有效控制發動機油因氧化引起的黏度增大和沉積物的生成。二者復合使用，協和增效，能夠有效抑制油品氧化，延長換油周期。

5）摩擦改進劑 選用油溶性有機鎢摩擦改進劑（兼有抗氧、防銹作用）。油溶性有機鎢摩擦改進劑與基礎油互溶性能良好，并能緊緊吸附在摩擦層表面，形成硬度高的致密保護膜，在混合潤滑和邊界潤滑的狀態下發揮抗壓、減摩和抗磨的作用。在油品中添加油溶性有機鎢摩擦改進劑，減少了因運動副的邊界摩擦造成零部件的損壞，且油溶性有機鎢與抗氧劑具有協同效應，加入少量的抗氧劑，可以增強潤滑油的減摩、抗磨和抗氧化性能。

6）抗氧防腐劑 選用硫磷雙辛基鋅鹽。硫磷雙辛基鋅鹽具有抗氧、抗腐、抗磨等多重作用，有效抑制油品氧化，減少沉淀、漆膜、油泥等物質生成，其特有的硫磷結構能在機件表面形成特殊保護膜，抵抗磨損和腐蝕。

7）降凝劑 選用聚甲基丙烯酸酯。聚甲基丙烯酸酯可以破壞低溫下基礎油中蠟結晶生長結構，抑制結晶速度，改善油品流動性。聚甲基丙烯酸酯與乙烯-丙烯共聚物共同使用，不但能極大提高油品的黏溫性能和低溫性能，而且增強油品的剪切穩定性、低溫啟動性以及低溫泵送性能。

8）抗泡劑 在研制油中使用二甲基硅油抗泡劑，能顯著減少氣泡的生成，提高泡沫表面油膜的流動性。二甲基硅油抗泡劑降低了氣泡的表面張力，當氣泡升到油表面，迅速發生破裂，避免潤滑過程中產生局部干摩擦而導致部件損壞［13］。

2.3 理化性能

蓖麻基環境友好節能減排發動機油具有如下特點：良好的黏溫性能和低溫流動性，能減少因汽車冷啟動造成的磨損；減摩、抗磨、抗剪切、清凈性、分散性、防銹性、抗高溫和低溫氧化性、防腐性能良好，能較好地保護發動機關鍵運動副，延長發動機的使用壽命。以蓖麻基癸二酸二辛酯和Ⅲ類油復合作為研制油的基礎油，利用蓖麻基癸二酸二辛酯的優點，保持發動機良好的動力性能。蓖麻基環境友好節能減排發動機油的理化性能指標見表3。

表3 研制油主要理化性能指標Tab.3 Typical physical and chemical properties of the developed oil

2.4 道路性能試驗及排放檢測試驗

對蓖麻基環境友好節能減排型發動機油和相同規格級別的某發動機油進行性能比較。依據GB／T 14951《汽車節油技術評定方法》，蓖麻基環境友好節能減排發動機油的節油率、HC氣體凈化率、加速時間對比系數、掛檔滑行距離對比系數與參比油比較，都有明顯的提高或改善，達到了GB／T 25348—2010《汽車節油產品使用技術條件》規定的要求。此外，節油產品綜合節油率達3%～5%，可認為該產品具有明顯的節油效果［14］。根據表4道路性能試驗結果可知，使用蓖麻基環境友好節能減排發動機油可使燃油更充分燃燒，顯著提高汽車燃油經濟性，并降低HC有害氣體的排放。

表4 研制油道路性能試驗結果Tab.4 Road test result of the developed oil

此外，對研制油進行CO排放的檢測。試驗場地為某尾氣監測站，使用機動車為在用別克車，檢測方法采用穩態工況法（ASM），試驗結果見表5。

表5 研制油CO排放試驗結果Tab.5 CO test result about developed oil

結果表明，使用蓖麻基環境友好節能減排發動機油，能有效控制有害氣體CO的排放。

3 結 語

采用以蓖麻基癸二酸二辛酯和Ⅲ類油（HVIW H350）復合作為研制油的基礎油，減少了礦物油的加入量，充分利用蓖麻基癸二酸二辛酯的優點，降低摩擦、磨損，保持發動機良好的動力性能。

在研制油中加入多種功能型添加劑，經過理化性能檢測，研制的發動機油達到了GB 11121—2006中汽油、機油規格要求，其基本性能與當前市場同類規格產品相當。通過道路性能試驗，驗證了研制油能顯著提高發動機燃油經濟性，降低有害氣體排放。

以應用模糊層次分析法研究獲得的蓖麻基環境友好節能減排發動機油配方，用于生產“寶利暢”發動機油，產品通過了國家交通部相關檢測，并被列入“十二五”期間第2批中國重點推廣公路、水路、交通運輸產品（技術）目錄，已在國內推廣使用。

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