配方組成對汽油機油0W-20的抗磨減摩性能影響

楊操，崔軍，陳明成

(江蘇龍蟠科技股份有限公司，江蘇 南京 210038)

0 引言

隨著國家節(jié)能和環(huán)保法規(guī)的不斷升級，越來越嚴苛的汽車燃油經(jīng)濟性要求和排放法規(guī)推動著發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展。潤滑油作為發(fā)動機的核心零部件，是發(fā)動機有效運轉(zhuǎn)的“血液”，其對整車節(jié)能減排的貢獻至關(guān)重要，越來越受到國內(nèi)汽車廠商的關(guān)注[1-2]。目前國內(nèi)OEM主機廠也越來越關(guān)注低黏度節(jié)能型油品對整車燃油經(jīng)濟性提升的貢獻，節(jié)能型汽油機油0W-20已逐漸成為國內(nèi)主機廠初裝油的首選[3]。

眾所周知，發(fā)動機油一般由基礎(chǔ)油、黏度指數(shù)改進劑(以下簡稱黏指劑)、復合添加劑和降凝劑組成，而對于低黏度發(fā)動機油如0W-20、0W-16甚至更低黏度，為了增強油品的抗磨耐久性保護，還會額外加入摩擦改進劑以降低油品的摩擦系數(shù)。目前，汽油機油的減摩節(jié)能途徑主要從以下兩個方面實現(xiàn)：一是降低油品黏度，減小流體潤滑條件下的摩擦損失，如發(fā)動機滑動軸承以及部分活塞環(huán)/缸套間的潤滑[4-5]；二是在油品中添加減摩劑，降低混合/邊界潤滑條件下的摩擦損失，如閥系和活塞環(huán)/缸套的潤滑[6-10]。其中，減摩劑作用機理主要是形成物理吸附膜和化學反應膜[11]。物理吸附膜主要有長鏈羧酸、酯、醚、胺、胺基化合物、酰亞胺，這些化合物溶解在油中的摩擦改進劑借助分子的極性基團附著在金屬表面，碳氫長鏈溶解在油中，垂直于金屬表面形成摩擦改進劑分子的多層基體。化學反應膜主要為油溶性有機金屬化合物，如有機鉬等，其作用機理基本與抗磨劑類似，添加劑與金屬表面反應形成保護膜，從而減少摩擦。但兩者最根本的區(qū)別在于摩擦改進劑的化學反應膜出現(xiàn)在混合潤滑狀態(tài)較溫和的負載和一定溫度條件下，要求摩擦改進劑的化學活性相當高。李小剛等人[12]采用SRV型摩擦磨損試驗機研究了汽油機油中不同類型摩擦改進劑的減摩效果以及同一種摩擦改進劑不同劑量的減摩效果，試驗結(jié)果表明氨基甲酸鉬在汽油機油中的減摩效果最好。朱和菊[13]等人采用高頻往復試驗儀(HFRR)研究了不同摩擦改進劑在汽油機油中的摩擦性能，并篩選出了能降低摩擦的摩擦改進劑。許金山等人[14]考察了不同類型的黏指劑對發(fā)動機油的摩擦特性、低溫性能、氧化安定性、高溫清凈性、抗磨性能等的影響，結(jié)果表明PMA黏指劑有利于油品燃油經(jīng)濟性的提升，并具有優(yōu)異的低溫性能，可應用于對節(jié)能要求較高的低黏度發(fā)動機油。然而，筆者認為開發(fā)節(jié)能型汽油機油，選擇合適的復合添加劑更為重要，還要考慮復合添加劑與摩擦改進劑等的配伍性。

本文基于對國內(nèi)外節(jié)能型汽油機油0W-20競品的研究與分析，并結(jié)合國際四大添加劑公司的復合添加劑情況，研究了不同配方組成的汽油機油性能和抗磨減摩特性，最終確定了具有較優(yōu)抗磨減摩特性的技術(shù)配方，為開發(fā)節(jié)能型0W-20汽油機油提供參考。

1 試驗設(shè)備及試驗條件

1.1 四球摩擦試驗機

采用廈門天機自動化有限公司出品的MS-10J型四球摩擦試驗機評價不同配方組成的汽油機油抗磨減摩性能。參照NB/SH/T 0189-2017標準，設(shè)定試驗條件為：轉(zhuǎn)速1200 r/min, 溫度80 ℃，負載392 N, 時間60 min。

1.2 SRV摩擦磨損試驗機

采用德國OPTIMOL公司出品的SRV 4型摩擦磨損試驗機來模擬內(nèi)燃機的“邊界-混合”潤滑狀態(tài)，測試給定條件下汽油機油的摩擦系數(shù)，以考察不同配方組成對汽油機油減摩性能的影響。參照NB/SH/T 0847-2010標準，設(shè)定SRV試驗條件為：溫度80 ℃，負荷300 N，頻率50 Hz，振幅1.0 mm，測試時間2 h。

2 配方的考察與篩選

2.1 復合添加劑的篩選

根據(jù)汽油機油的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，目前調(diào)配滿足最高技術(shù)標準汽油機油0W-20的添加劑主要有兩大類：一類是滿足API SP/GF-6A技術(shù)規(guī)范；另一類是滿足ACEA C5技術(shù)規(guī)范。其中ACEA規(guī)格相比API規(guī)格對油品的高溫清凈性、抗氧化性、分散性、舊油性能保持和耐久性等有更高要求。此外，盡管兩者都有燃油經(jīng)濟性臺架測試要求，但采用的發(fā)動機、測試條件及標準要求也不同。因此，在主機廠的燃油經(jīng)濟性臺架測試中，采用這兩類復合添加劑技術(shù)調(diào)配的油品所表現(xiàn)出來的節(jié)能效果也會有所差異。

在相同的基礎(chǔ)油和黏指劑前提下，我們選擇了6種復合添加劑分別調(diào)配了汽油機油0W-20，其中復合劑A、復合劑B和復合劑C均滿足API SP/GF-6A規(guī)范；復合劑D、復合劑E和復合劑F均滿足ACEA C5規(guī)范。對這6款油品進行了抗磨減摩性能測試，以初步篩選出具有較好減摩性能的復合添加劑，測試結(jié)果見表1。

表1 采用不同復合劑調(diào)配的汽油機油0W-20抗磨減摩性能

從表1的結(jié)果可以看出，在分別滿足API SP/GF-6A和ACEA C5技術(shù)規(guī)范的前提下，復合劑C和復合劑E具有相對較好的抗磨減摩性能。

2.2 黏度指數(shù)改進劑的篩選

黏指劑主要對發(fā)動機油的黏度指數(shù)、高溫高剪切黏度、低溫動力黏度等指標有影響。目前用于發(fā)動機油中的黏指劑主要有OCP、HSD和PMA三大類。本文分別采用這三種不同類型的黏指劑，并采用相同的基礎(chǔ)油和復合劑C調(diào)配了汽油機油0W-20，對其相關(guān)指標進行了測評，測試結(jié)果見表2。

表2 不同黏指劑調(diào)配的0W-20油品性能指標

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，不同黏指劑調(diào)配的油品在抗磨減摩性能方面的差異不明顯，但采用PMA黏指劑調(diào)配的汽油機油0W-20具有較高的黏度指數(shù)和高溫高剪切黏度，可以為發(fā)動機在高溫工況下提供更好的保護。此外，根據(jù)筆者對日本OEM裝機油和售后服務油0W-20競品的分析與研究發(fā)現(xiàn)，黏度指數(shù)改進劑多使用PMA型黏指劑，且專利CN 106459821 A[15]中提到油品的運動黏度(40 ℃)/HTHS(150 ℃)在12.4以下具有較好的省油耗表現(xiàn)，與表2中采用PMA黏指劑調(diào)配的0W-20相關(guān)數(shù)據(jù)吻合。因此，綜合來看調(diào)配節(jié)能型汽油機油0W-20宜采用PMA型黏指劑。

2.3 摩擦改進劑的篩選

目前常用的摩擦改進劑主要有油溶性有機鉬鹽和無灰型有機減摩劑兩大類。其中，油溶性有機鉬鹽目前應用最為廣泛，其具有優(yōu)秀的改善摩擦系數(shù)和抗磨作用，在較高溫度下可以顯著降低摩擦部件之間的摩擦系數(shù)，從而達到節(jié)能的目的。而無灰摩擦改進劑大多通過物理吸附在摩擦表面形成易于剪切的吸附膜來達到降低摩擦的目的，主要在低溫工況下發(fā)揮作用，且在使用過程中消耗較少， 因而具有較強的降低摩擦的保持能力。因此，在低黏度發(fā)動機油中將兩種類型的摩擦改進劑復配使用可獲得更好和更持久的燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)。

本文分別采用上述復合劑C和復合劑E，考察了有機鉬減摩劑FM1及其與無灰減摩劑FM2的組合對分別調(diào)配的6種汽油機油0W-20抗磨減摩性能的影響。鑒于對以往文獻研究及對國外競品的剖析結(jié)果，兩種摩擦改進劑的優(yōu)選加入量分別為0.6%，測試結(jié)果見表3。

表3 不同摩擦改進劑對0W-20油品抗磨減摩性能的影響

從表3及圖1、圖 2的結(jié)果可以看出，采用摩擦改進劑FM1和FM2的組合在這兩種復合劑中均表現(xiàn)出較為明顯的減摩效果，且采用復合劑C與摩擦改進劑FM1、FM2組合調(diào)配的油品具有更低的摩擦系數(shù)和抗磨減摩表現(xiàn)。

圖1 摩擦改進劑在以復合劑C調(diào)配油品中的摩擦系數(shù)

圖2 摩擦改進劑在以復合劑E調(diào)配油品中的摩擦系數(shù)

2.4 基礎(chǔ)油的篩選

在低黏度發(fā)動機油中，基礎(chǔ)油主要選用Ⅲ類油、PAO或者酯類基礎(chǔ)油，而目前大多以Ⅲ類油為主。考慮到酯類油的極性和良好的潤滑性能特點，我們研究了在油品2和油品5的方案中，采用適量的酯類油替代部分Ⅲ類油分別得到了油品7和油品8，并對其抗磨減摩性能進行了測試，結(jié)果見表4。

表4 酯類油的加入對摩擦性能的影響

從表4的結(jié)果可以看出，酯類油的加入可以幫助進一步降低油品的摩擦系數(shù)，尤其對減小磨斑直徑效果更為明顯，這說明酯類油和油溶性有機鉬鹽存在良好的協(xié)同效應。

2.5 汽油機油 0W-20全配方的組成及性能測試

根據(jù)以上的研究結(jié)果，最終我們確定了以Ⅲ類基礎(chǔ)油、PMA型黏指劑和符合API SP/GF-6A規(guī)范的復合劑C，并加入0.6%減摩劑FM1和0.6%減摩劑FM2調(diào)配成了汽油機油0W-20，對產(chǎn)品性能進行了全面評價，結(jié)果見表5。

表5 研制的汽油機油0W-20性能指標

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，研制的汽油機油0W-20具有較高的黏度指數(shù)和高溫高剪切黏度，且抗磨減摩性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

(1)在開發(fā)節(jié)能型汽油機油0W-20配方時，要綜合考慮基礎(chǔ)油種類、復合添加劑、黏指劑及摩擦改進劑等的有效復配，才能達到較好的抗磨減摩性能和節(jié)能表現(xiàn)。

(2)在選擇復合添加劑時，為獲得與摩擦改進劑較好的抗磨減摩協(xié)同效應，優(yōu)選符合API SP/GF-6A規(guī)格的復合劑會帶來相對更好的抗磨減摩表現(xiàn)，且油溶性有機鉬鹽和酯類基礎(chǔ)油存在協(xié)同效應，可進一步降低油品的摩擦系數(shù)，尤其是減小磨斑直徑。

(3)本文研制的汽油機油0W-20各項性能指標均較優(yōu)，為開發(fā)低黏度節(jié)能型汽油機油提供理論基礎(chǔ)和參考。