全合成汽油機油SP/GF-6A C5 0W-20 技術配方的研究

高君保, 陳炳耀,2,3, 楊善杰, 蘇 俊

(1 廣東三和控股有限公司, 廣東 中山 528429;2 廣東三和化工科技有限公司, 廣東 中山 528429; 3 廣東阜和實業有限公司, 廣東 中山 528429)

在 “碳達峰、 碳中和” 的共識下, 綠色環保技術的研發將越來越重要[1]。 汽車尾氣排放、 節能要求及發動機硬件技術的不斷升級更新, 推動著汽車發動機油技術配方的不斷更新升級。 發動機油逐漸向低粘度發展, 近幾年包括寶馬、 奔馳、 沃爾沃等很多歐系車都推薦0W-20 的初裝油, 節能環保已經成為推動經濟發展的一個趨勢[2]。

2020 年5 月1 日起, 最新的ILSAC 乘用車機油標準GF-6A和GF-6B 以及API 最高的質量等級 API SP 開始進行首批認證[3]。 國內外的潤滑油生產商也陸續推出滿足國Ⅵ排放標準的SP 質量級別的汽機油。 GF-6A 生效之日, 將替代GF-5 及以下標準。 GF-6B 由于不能兼容以前的老標準, 只推薦用于使用0W-16 的新車, 目前主要是日系車。 GF-6A 和GF-6B 技術規格對比如表1 所示。

表1 GF-6A 和GF-6B 技術規格對比Table 1 Comparison of technical specifications of GF-6A and GF-6B

2020 年7 月1 日, 中國史上最嚴格的排放標準開始實施,國Ⅵ對新車執行更嚴格的排放標準, 比現在的歐Ⅵ排放標準還嚴格, 各大汽車生產商也新增了很多技術路線和新的發動機硬件來應對此次新規。 國Ⅵ又分為國ⅥA 和國ⅥB 兩個階段, 國ⅥA 是國Ⅴ到國ⅥB 的一個過渡期, 國ⅥB 才是真正意義上的國Ⅵ, 將在2023 年7 月1 日起開始實施[4]。 小排量渦輪增壓、直噴技術、 GPF、 混合動力、 節能環保等將是未來乘用車發動機的一個發展趨勢, 國Ⅵ發動機對汽機油的要求更加高, 在防止TGDI 直噴技術導致的低速早燃(LSPI)現象, 以及抑制燃燒室及噴油嘴周圍的油泥和積碳堆積都有特殊的要求[5]。

1 實 驗

1.1 性能指標

SP/GF-6A C5 0W-20 是針對國Ⅵ發動機研發的一款中灰歐系汽油發動機油, 產品要滿足AECE-2016 C5 和API SP/ILSAC GF-6A 技術規格, 并且對硫、 磷及硫酸鹽灰分作了嚴格的限制, 150 ℃HTHS 粘度在2.6 ~2.9 之間, 具有優異的節能效果, 推薦用于帶尾氣后處理裝置GPF 的國Ⅵ車。 SP/GF-6A C5 0W-20 須滿足的理化指標見表2。

表2 SP/GF-6A C5 0W-20 的質量指標Table 2 Quality index of SP/GF-6A C5 0W-20

1.2 基礎油的選擇

發動機油中85% ~90%的成分為基礎油, 所以基礎油的性能影響著發動機油的整體性能。 API 分類為目前國內外通用的基礎油分類, 我國跟國外大多數的溶劑精制基礎油為Ⅰ類油,此類油一般密度比較大, 低溫流動性較差, 雜質含量也較高,顏色也較深。 通過加氫精制、 酮苯脫蠟路線生產出來的基礎油為Ⅱ類基礎油。 加氫異構化脫蠟生產出來的為Ⅲ類基礎油, 由于Ⅲ類基礎油主要為異構烷烴及低分子的烷烴, 蠟含量較少,所以黏溫性能和低溫性能較好[6]。 以上三類基礎油都為礦物油, 對添加劑的感受性較好。 Ⅳ類和Ⅴ類屬于合成型基礎油,Ⅳ類基礎油主要是聚a-烯烴, Ⅴ類基礎油是合成酯類, Ⅳ類和Ⅴ類基礎油有著優異的低溫流動性、 高溫抗氧性及抗剪切應力, 價格比礦物油高很多[7]。 GTL 基礎油[8]的主要成分是異構烷烴, 目前也廣泛用于發動機油的調配中, 它的性能介于Ⅲ類和Ⅳ類基礎油之間, 跟合成基礎油一樣有著較高的粘度指數及較好黏溫性能, 不過低溫性能及高溫抗氧性還是不如聚a-烯烴, 但是在價格上比聚a-烯烴有優勢。 Ⅲ類基礎油(阿布扎比)、 GTL 基礎油(殼牌)及聚a-烯烴(雪佛龍)的性能參數如表3 所示。

表3 Ⅲ類基礎油、 GTL 基礎油及PAO 基礎油的性能參數 (實測)Table 3 Performance parameters of Ⅲ type base oil, GTL base oil and PAO base oil

1.3 添加劑的選擇

一個好的發動機油產品, 不僅需要性能優異的基礎油, 對功能添加劑的選擇同樣很重要。 添加劑的功能是加強基礎油已有的性能或新增一些其它的性能[9]。 如今各種功能添加劑單劑較少使用, 一般使用復合添加劑。

粘度指數改進劑, 用來提升機油的粘度指數, 從而減小溫度變化對機油粘度的影響, 改善機油黏溫性。 黏度指數改進劑目前比較常用的是聚異丁烯(PIB)、 乙丙烯共聚物(OCP)、 聚甲基丙烯酸酯(PMA)、 苯乙烯雙烯共聚物(HSD), 他們各有各的特點, 可以根據性能和成本適當選用。

PIB 黏度指數改進劑的熱氧化安定性和剪切安定性優異,但是低溫性能差, 主要用在低溫性能要求不高的齒輪油中。OCP 黏度指數改進劑是油溶性共聚物, 增稠效率高成本低, 是目前主流的黏度指數改進劑。 HSD 黏度指數改進劑熱穩定性好, 剪切安定性好, 低溫流動性差, 與乙丙烯共聚物類似, 但是增稠效率比乙丙烯共聚物高[10]。

PMA 黏度指數改進劑在第二次世界大戰中大規模被用于航空液壓油, 由于航空液壓油對溫度和時間的要求非常苛刻, 而PMA 在低溫下對潤滑油粘度的增稠效果不大, 但是在高溫下對潤滑油粘度的增稠效果特別好, 換句話來說, 就是可以極大改善潤滑油的黏溫性能, 剛好彌補了航空液壓油的缺陷。 目前PMA 黏度指數改進劑主要用在對低溫流動性要求較高、 要求有較高的粘度指數及對剪切穩定性要求較高的自動傳動液、 多級齒輪油、 液壓油及多級發動機機油中[11]。 目前主要的生產商是潤英聯、 路博潤及羅曼克斯等。

本次SP/GF-6A C5 0W-20 級別的發動機油, 主要體現在高效節能、 低排放、 低溫流動性、 黏溫性能、 清凈分散性、 氧化安定性及抗磨性能優異, 在提升正時鏈條磨損保護的同時,防止發生低速早燃。 考慮到成本及性能, 在基礎油的選擇上,使用III 類基礎油100N(AD4CST-100N, 阿布扎比)、 聚a-烯烴(PAO4, 雪佛龍)、 ZX-109(己二酸二異十三酯, INOLEX)和聚酯(KL23000, 意特麥琪)之間的互相組合。 復合劑選用OLOA@ 54720 (雪佛龍奧倫耐), PMA 黏度指數改進劑(VISCOPLEX@ 3-510, 曼克斯羅)及降凝劑(VISCOPLEX@ 1-248, 曼克斯羅)。 可以滿足 ACEA C5-16、 API SP/SN Plus/SN、ILSAC GF-6、 Opel OV0401547 及 MB 229.71 等 OEM 認證。

1.4 SP/GF-6A C5 0W-20 發動機油的調配工藝

按配方重量份配比, 將III 類基礎油150N、 聚a-烯烴及合成酯基礎油投入反應釜中, 攪拌、 升溫加熱到55 ~65℃, 依次投入粘PMA 度指數改進劑、 無硫磷有機鉬、 汽油機油復合劑、聚酯、 降凝劑, 保持55 ~65℃溫度下繼續攪拌2 小時至混合均勻, 即制得SP/GF-6A C5 0W-20 全合成汽油發動機油。

2 結果與討論

經過前期的實驗探究, 做配方小試, 在各項指標均滿足GB11121-2006 的理化指標, 同時滿足 API SP、 ILSAC GF-6A及ACEA-2016 C5 的理化指標。 按照配方設計的配比, 計劃生產15000 kg, 給客戶試用。 配方表如表4 所示。

表4 SP/GF-6A C5 0W-20 配方表Table 4 Formula table of SP/GF-6A C5 0W-20

按照上述1.4 的調配工藝生產, 并取樣進行理化指標檢測, 檢測結果為表5 所示。

表5 通過車間生產的SP/GF-6A C5 0W-20 檢測結果上看,各項理化指標均滿足標準API SP/ILSAC GF-6A、 ACEA-2016 C5 及SAE J300。 油品的外觀清亮透明, 其中粘度指數為194,處于較高水平。 粘度指數高的潤滑油, 油品粘度越穩定, 粘度隨工作環境溫度變化越小, 同時PMA 粘度指數改進劑只加了3%,機油具有非常好的粘度保持能力; 傾點為-51 ℃, -40 ℃的低溫泵送黏度低為16500 mPa·s, 低溫動力粘度為4800 mPa·s, 說明此機油低溫流動性優異, 在冷啟動時, 潤滑油能更容易泵送到發動機的各個零部件, 從從而起到潤滑、 減少摩擦、 減低磨損的作用; 由于本配方滿足ACEA-2016 C5, 是一個低硫磷、 低硫酸鹽灰分的配方, 總堿值為7.9 mgKOH/g, 說明該機油具有優異的清凈分散性, 對發動機的積碳、 油泥及漆膜有抑制和清洗作用; 高溫高剪切黏度為2.7 mPa.s, 說明機油具有非常好燃油經濟性; 蒸發損失只有5.8%, 說明此配方發動機油的揮發度較小, 在實際車況中機油消耗不大, 比較省機油。

表5 車間生產SP/GF-6A C5 0W-20 的檢測結果Table 5 Test results of SP/GF-6A C5 0W-20 produced in workshop

研究表明, LSPI 發生頻率=6.59×Ca% -(26.6×P%)-(5.12×Mo%), 說明Ca 元素的含量跟LSPI 的發生頻率是成正比的, 跟P 元素及Mo 元素的含量成反比, 也就是說低Ca、 高P、 高Mo 的發動機油技術配方可以有效的降低LSPI 的發生頻率[12]。 本配方Ca 元素的含量只有0.121%, P 元素含量滿足ACEA-2016 C5 的質量指標, 配方中加入無硫磷有機鉬, Mo 元素的含量較高, 可以有效降低LSPI 的發生頻率。

3 發動機臺架試驗

本次車間生產的SP/GF-6A C5 0W-20 機油開展發動機臺架試驗, 結果如表6 所示。

表6 SP/GF-6A C5 0W-20 發動機臺架試驗結果Table 6 SP/GF-6A C5 0W-20 engine bench test results

由表6 的發動機臺架試驗可以看出, 油樣具有優異的清凈分散性, 可以有效控制油泥、 積碳及漆膜, 通過了ACEA-2016 C5 的臺架試驗的各項之指標。

4 結 論

(1)在配方設計上, 從基礎油和功能添加劑性能特點, 作出了合理的選擇。 采用PAO、 Ⅲ類基礎油及酯類油這樣的組合, 使發動機油具有優異的低溫流動性、 低的揮發性, 對功能添加劑的兼容性和復配效果也非常好。 無硫磷有機鉬賦予機油卓越的減摩抗磨性能, 有效降低摩擦系數和減少磨損, 實現節能降噪。 各項理化指標均滿足AECE-2016 C5 和API SP/ILSAC GF-6A 技術規格, 推薦用在滿足國Ⅵ排放標準各種歐系車上。

(2)SP/GF-6A C5 0W-20 汽機油通過了ACEA-2016 C5 的臺架試驗的各項之指標, 具有優異的清凈分散性, 可以有效抑制發動機油泥、 積碳及漆膜的產生, 延長機油的換油周期及發動機的使用壽命。