前沿｜配方組成對低黏度節能型汽機油的抗磨減摩性能影響

　　隨著國家節能和環保法規的不斷升級，越來越嚴苛的汽車燃油經濟性要求和排放法規推動著發動機技術的快速發展。潤滑油作為發動機的核心零部件，是發動機有效運轉的“血液”，其對整車節能減排的貢獻至關重要，越來越受到國內汽車廠商的關注。目前國內OEM主機廠也越來越關注低黏度節能型油品對整車燃油經濟性提升的貢獻，節能型汽油機油0W-20已逐漸成為國內主機廠初裝油的首選。

　　眾所周知，發動機油一般由基礎油、黏度指數改進劑(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。

　　目前，汽油機油的減摩節能途徑主要從以下兩個方面實現：一是降低油品黏度，減小流體潤滑條件下的摩擦損失，如發動機滑動軸承以及部分活塞環/缸套間的潤滑；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/缸套的潤滑。

　　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。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。但兩者最根本的區別在于摩擦改進劑的化學反應膜出現在混合潤滑狀態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。

　　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，試驗結果表明氨基甲酸鉬在汽油機油中的減摩效果最好。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。許金山等人考察了不同類型的黏指劑對發動機油的摩擦特性、低溫性能、氧化安定性、高溫清凈性、抗磨性能等的影響，結果表明PMA黏指劑有利于油品燃油經濟性的提升，并具有優異的低溫性能，可應用于對節能要求較高的低黏度發動機油。然而，開發節能型汽油機油，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。

　　本文基于對國內外節能型汽油機油0W-20競品的研究與分析，并結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抗磨減摩特性的技術配方，為開發節能型0W-20汽油機油提供參考。

　　1、試驗設備及試驗條件

　　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，設定試驗條件為: 轉速1200r/min，溫度80℃，負載392N，時間60min。

　　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燃機的“邊界-混合”潤滑狀態，測試給定條件下汽油機油的摩擦系數，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，設定SRV試驗條件為: 溫度80℃，負荷300N，頻率50Hz，振幅1.0mm，測試時間2h。

　　2、配方的考察與篩選

　　2.1 復合添加劑的篩選

　　根據汽油機油的行業技術規范，目前調配滿足最高技術標準汽油機油0W-20的添加劑主要有兩大類: 一類是滿足API SP/GF-6A技術規范；另一類是滿足ACEA C5技術規范。其中ACEA規格相比API規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濟性臺架測試要求，但采用的發動機、測試條件及標準要求也不同。因此，在主機廠的燃油經濟性臺架測試中，采用這兩類復合添加劑技術調配的油品所表現出來的節能效果也會有所差異。

　　在相同的基礎油和黏指劑前提下，我們選擇了6種復合添加劑分別調配了汽油機油0W-20，其中復合劑A、復合劑B和復合劑C均滿足API SP/GF-6A規范；復合劑D、復合劑E和復合劑F均滿足ACEA C5規范。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，測試結果見表1。

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

　　2.2 黏度指數改進劑的篩選

　　黏指劑主要對發動機油的黏度指數、高溫高剪切黏度、低溫動力黏度等指標有影響。目前用于發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，并采用相同的基礎油和復合劑C調配了汽油機油0W-20，對其相關指標進行了測評，測試結果見表2。

　　從表2的數據可以看出，不同黏指劑調配的油品在抗磨減摩性能方面的差異不明顯，但采用PMA黏指劑調配的汽油機油0W-20具有較高的黏度指數和高溫高剪切黏度，可以為發動機在高溫工況下提供更好的保護。

　　此外，根據對日本OEM裝機油和售后服務油0W-20競品的分析與研究發現，黏度指數改進劑多使用PMA型黏指劑，且專利CN106459821 A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，與表2中采用PMA黏指劑調配的0W-20相關數據吻合。因此，綜合來看調配節能型汽油機油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，其具有優秀的改善摩擦系數和抗磨作用，在較高溫度下可以顯著降低摩擦部件之間的摩擦系數，從而達到節能的目的。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濟性表現。

　　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果，兩種摩擦改進劑的優選加入量分別為0.6%，測試結果見表3。

　　從表3及圖1、圖2的結果可以看出，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組合調配的油品具有更低的摩擦系數和抗磨減摩表現。

　　2.4 基礎油的篩選

　　在低黏度發動機油中，基礎油主要選用Ⅲ類油、PAO或者酯類基礎油，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，結果見表4。

　　從表4的結果可以看出，酯類油的加入可以幫助進一步降低油品的摩擦系數，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同效應。

　　2.5 汽油機油0W-20全配方的組成及性能測試

　　根據以上的研究結果，最終我們確定了以Ⅲ類基礎油、PMA型黏指劑和符合API SP/GF-6A規范的復合劑C，并加入0.6%減摩劑FM1和0.6%減摩劑FM2調配成了汽油機油0W-20，對產品性能進行了全面評價，結果見表5。

　　從表5的數據可以看出，研制的汽油機油0W-20具有較高的黏度指數和高溫高剪切黏度，且抗磨減摩性能優異。

　　3、結論

　　(1) 在開發節能型汽油機油0W-20配方時，要綜合考慮基礎油種類、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能表現。

　　(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同效應，優選符合API SP/GF-6A規格的復合劑會帶來相對更好的抗磨減摩表現，且油溶性有機鉬鹽和酯類基礎油存在協同效應，可進一步降低油品的摩擦系數，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，為開發低黏度節能型汽油機油提供理論基礎和參考。