一种低灰高性能汽油发动机油的研究.pdf

OILRESEARCH&APPLICATION油品研究与应用文章编号：10 0 2-39(2023)04-0001-06DO2023.04.001Aug.2023Vo1.38,No.4LUBRICATINGOIL2023年8 月第38 卷第4期润滑油一种低灰高性能汽油发动机油的研究李静，徐瑞峰，汤仲平2（1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州7 30 0 6 0;2.中国石油润滑油公司，北京10 0 0 2 8）摘要：随着我国排放法规和燃油经济性指标日益严格，我国汽车整车和发动机技术不断向提高燃烧效率、改善燃油经济性和降低排放等方向发展，对汽油发动机油后处理系统兼容性、燃油经济性和耐久性等性能提出了更高要求。文章立足国内添加剂研制开发一种高性能汽油发动机润滑油，产品灰分不大于0.8%，满足APIV/ILSACSP/CF-6A规格要求，可满足国六汽油发动机的润滑需求。关键词：低灰分；高性能；汽油发动机油中图分类号：TE626.32文献标识码：AResearch on A High Performance Low Ash Gasoline Engine OilLI Jing,XU Rui-feng,TANG Zhong-ping?(1.PertoChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Center,Lanzhou,Gansu 730060,China;2.PertoChina Lubricant Company,Beijing 100028,China)Abstract:With the increasingly stringent emission regulations and fuel economy indicators,Chinas automobile and enginetechnologies continue to develop towards improved combustion efficiency,enhanced fuel economy and reduced emissions,putting forward higher requirements for the compatibility,fuel economy and endurance of gasoline engine oil aftertreatmentsystems.In this paper,a high-performance gasoline engine lubricating oil is developed on the basis of domestic additives.The ash content of the product is no more than 0.8%,which meets the requirements of API/ILSAC SP/GF-6A and the lu-brication requirements of China Vl gasoline engines.Keywords:low ash;high performance;gasoline engine oil0引言为了应对能源紧缺和大气污染等问题，世界各国均致力可再生能源的研究，并制定了严格的排放法规和燃油经济性指标 1-3。随着国民经济的不断发展，中国汽车保有量在快速增长，2 0 2 2 年全国机动车保有量达4.17 亿辆，其中汽车3.19 亿辆，较2021年增加了0.17 亿辆，增长5.8 1%。汽车行业快速发展的同时也带来了能源紧缺，环境污染等问题。我国的排放法规和燃油经济性指标也日益严格，2 0 2 0 年7 月1日全国乘用车新车均需满足国六A排放标准，2 0 2 3年7 月1日满足国六B排放标准。2020年我国乘用车新车执行阶段4燃油经济性标准，平均油耗不大于5.0 L/100km;2025年我国乘用车新车将执行阶段5燃油经济性标准，平均油耗不大于4.0 L/100km4。为了应对严格的排放和燃油经济性指标，我国汽车整车和发动机OEM也致力于节能技术的研究和应用，提升整车节能性能和改善排放。汽车整车技术如汽车小型化，整车轻量化，发动机技术更新，优化动力总成，优化空气动力学，优化热管理系统，使用多种代用清洁燃料等，发动机如汽油直喷、分层稀薄燃烧、燃油双喷射、可变气门技术、涡轮增压技术、CPF后处理装置等新技术的应用，总体围绕提高燃烧效率，改善燃油经济性和排放等方向发展 5汽车整车及发动机技术的不断更新和整车燃油经济性及排放等要求的不断提高，对汽油发动机油的要求主要体现在后处理兼容性、燃料经济性和整体耐久性等性能的提升。更严格的排放和CPF后处理装置的应用驱动汽油发动机油向中低硫、低磷、低灰分发展；更苛刻的燃料经济性驱动汽油发动机油品研究与应用OILRESEARCH&APPLICATION2023年第38 卷滑油润油向更低黏度级别发展；更高的耐久性驱动汽油发动机油性能不断提高，质量级别不断升级换代。多年来我国汽油发动机润滑油主要以美国API（美国石油学会）/ILSAC（国际润滑油标准审核委员会）规格为主，2 0 2 0 年5月1日API/ILSAC颁布执行汽油发动机润滑油最高规格SP/CF-6。SP/G F-6 汽油机油规格 6 包含程序H 高温氧化试验、程序IVB阀系磨损试验、程序VH低温油泥试验、VIE/VIF节能试验、程序VI轴瓦腐蚀试验、程序X低速早燃试验和程序X正时链条磨损试验等7 个台架试验。相比SN/GF-5规格,SP/GF-6规格的发动机台架试验进行了全面的升级换代，除对汽油发动机润滑油传统的高温氧化性能、低温沉积物分散性能、高温清净性、燃油经济性等性能指标有所提高外，还特别增加了程序X台架试验评价汽油直喷发动机特有的低速早燃性能，程序X和程序IVB台架试验更侧重评价油品低温抗磨性能 7-8 。CF-5与CF-6发动机台架试验对比见表1。表1GF-5与GF-6发动机台架试验对比项目GF-5CF-6差异性MS程序*发动机台架试验IIGIH发动机不同，且指标更苛刻MS程序IV*发动机台架试验IVAIVB发动机不同，更加注重低温磨损性能的考核MS程序V*发动机台架试验VGVH发动机不同，虽然指标有所放宽，但试验工况更加苛刻MS程序VI*发动机台架试验VIDVIE/VIF发动机不同，且指标更苛刻MS程序VI发动机台架试验VIVII保持一致MS程序X发动机台架试验无要求新增直喷发动机，考察油品抗低速早燃性能MS程序X发动机台架试验无要求新增直喷发动机，考察油品正时链条磨损保护性能文章立足国内添加剂研制开发一种高性能汽油发动机润滑油产品，满足AP/ILSACSP/GF-6A规格要求，且产品的灰分不大于0.8%，降低润滑油对GPF后处理装置的影响，满足国六汽油发动机的润滑需求。1实验主要原材料及试验方法1.1主要原材料基础油为类基础油，典型值见表2；添加剂主要有黏指剂、降凝剂、抗氧剂、无灰分散剂、金属清净剂、抗磨减摩剂等。表2类基础油典型值项目基础油1基础油2试验方法运动黏度/mms-1GB/T 2651004.2526.3614019.5835.22黏度指数124133GB/T 1995硫含量/gg=114.0084.0SH/T 0689饱和烃含量/%98.699.4RH 01 ZB 45141.2试验方法研究过程中所使用的模拟评价试验方法和发动机试验方法见表3。表3主要试验方法试验项目及标准标准号润滑油氧化诱导期测定实验法SH/T 0719发动机油热稳定性的测定热管试验法SH/T 0906内燃机油成焦试验法RH 01 ZB 4111HTCBT氧化试验SH/T 0754内燃机油高温氧化和轴瓦腐蚀试验（程序VI）SH/T 0788MS程序IVB发动机台架试验ASTMD8350MS程序VH发动机台架试验ASTM D8256MS程序IIH发动机台架试验ASTM D8111MS程序VIE发动机台架试验ASTM D8114MS程序XI发动机台架试验ASTM D8291MS程序X发动机台架试验ASTMD82792实验结果与讨论本文立足国内基础油和添加剂，针对高温抗氧性能、高温清净性和低温抗磨损性能等关键性能进行研究，优选出性能优异的高温抗氧剂、水杨酸盐金属清净剂复配体系和抗磨添加剂等关键性能添加剂组分。使用I类基础油和研制的复合添加剂调合的5W-30高性能汽油发动机润滑油低硫、低磷、低灰分，通过SP/GF-6A规格要求的7 个发动机试验，产品性能满足SP/GF-6A规格要求，可满足国六发动机的润滑需求OILRESEARCH&APPLICATION油品研究与应用李静等.种低灰高性能汽发动机油的研究第4期2.1高温抗氧剂性能研究相比SN/CF-5,SP/GF-6A规格的高温氧化发动机试验从程序G 升级为程序H，同时黏度增长通过指标降低30%以上，对油品的高温抗氧化能力提出了更苛刻的要求。见表4。表4程序G/IH 台架试验通过指标对比项目SP/GF-6SN/GF-5台架试验程序H程序G通过指标40黏度增长不大于40黏度增长不大于100%150%活塞沉积物评分不小于活塞沉积物评分不小于4.24.0热黏环无凸轮挺杆磨损不大于0.06热黏环无为了应对苟刻的抗氧化性能要求，本文采用烷基二苯胺抗氧剂提高油品的抗氧化性能，旨在寻找新型抗氧剂来解决油品更为苛刻的抗氧化性能要求。烷基二苯胺抗氧剂的作用机理 9 首先是被烷基自由基、烷基过氧自由基、烷氧基自由基夺取氢原子,然后生成大量的胺自由基和烷基氢过氧化物，胺自由基将会进一步进行生成硝基自由基，最终形成稳定的苯醌和烷基亚硝基苯。当温度高于12 0 后,在分解氧化过程初期产生的硝基自由基能与仲烷基自由基反应生成N仲烷基二苯胺中间产物，而中间产物发生热分子重排生成酮和再生的烷基二苯胺。因此，在高温时一个完整的抑制循环可俘获一个烷基过氧自由基和一个烷基自由基。双对位取代的二苯胺的抗氧化反应计量因子远高于其他位取代的二苯胺抗氧化反应计量因子，即抗氧化性能较优。见图1、图2。HR;RO;ROORNRRR+RH,ROH,ROOH图1二苯胺抗氧机理（120R-R+R图2二苯胺抗氧机理（12 0）文章选取市售的1个二丁基辛基二苯胺产品（以下称胺型抗氧剂1）和不同厂家的3个二异辛基二苯胺产品（以下称胺型抗氧剂2、3、4），保持其他组分不变的条件下，对4个二烷基二苯胺抗氧剂进行性能对比研究，试验数据见表5。表5二烷基二苯胺抗氧剂性能试验数据分析项目胺型抗氧剂1胺型抗氧剂2胺型抗氧剂3胺型抗氧剂4热管（2 8 0）/级7.07.08.08.0PDSC(210)/m i n19.125.623.920.9成焦板（32 0 板温，150 油温）/mg248.2189.8140.3202.5HTCBT(175,16 8 h)40运动黏度变化/mms-10.842.011.330.83相比二丁基辛基二苯胺，二异辛基二苯胺不论热管试验评级、PDSC氧化诱导时间和成焦量等试验数据均较好，表现出较好的高温清净性和抗氧化性能。在16 8 h的HTCBT长周期氧化试验中,二丁基辛基二苯胺表现出较好的黏度增长控制性能，不同厂家的二异辛基二苯胺的黏度增长控制性能差异较大，与产品的纯度和不同烷基取代的结构有一定的关系。2.2金属清净剂复配体系研究众所周知发动机油最重要的性能之一就是能够悬浮由于润滑油热降解和氧化降解产生的高分子极性产物或酸性极性物质。这些产物是由发动机燃烧时产生的副产物如氧化物、过氧化物进人到润滑油中引发润滑油发生氧化而产生的。这些产物易从润滑油中析出，并在缸套表面形成沉积物，造成不良润滑。润滑油中的金属清净剂与无灰分散剂可同时起到悬浮的作用 10 。汽油发动机油中常用的金属清净剂类型主要有磺酸盐类、水杨酸盐、硫化烷基酚盐类等。按照碱值的大小又分为中性盐、低碱值、中碱油品研究与应用OIL RESEARCH&APPLICATION2023年第38 卷滑油润值、高碱值、超高碱值等。碱值越高，硫酸盐灰分越大，酸中和能力越强。按照金属类型的不同又分为钙盐和镁盐，为了满足汽油直喷发动机抗低速早燃的需求,通常使用钙盐和镁盐进行复配试验 文章选用不同碱值的磺酸盐金属清净剂和水杨酸盐金属清净剂进行性能研究，试验结果见表6。表6金属清净复配体系性能考察试验金属清净剂体系碱值/mgKOH g1硫酸盐灰分/%热管氧化（2 8 0）PDSC(210)中碱值水杨酸钙+水杨酸镁8.370.817.027.4高、低碱值磺酸钙复配+磺酸镁9.080.995.025.8高、中碱值水杨酸钙复配+水杨酸镁8.630.767.5中碱值水杨酸钙+硫化烷基酚盐+水杨酸镁8.140.767.0高、中、低碱值水盐酸钙复配+水杨酸镁8.580.748.0金属清净剂复配体系加人量相同时，磺酸盐清净剂复配体系相比水杨酸盐清净剂复配体系具有更高的碱值和硫酸盐灰分，热管氧化试验评级和PDSC氧化诱导时间较差。水杨酸盐清净剂复配体系表现出较优的高温清净性和氧化稳定性，其中高、中、低3种不同碱值水杨酸盐清净剂复配后，具有较低的灰分和较高的碱值，且具有更好的高温清净性。2.3抗磨添加剂研究程序IVB阀系磨损试验和程序X正时链条磨损试验为SP/CF-6A规格中新增的两个台架试验，主要考察低温下发动机油的抗磨损性能。两个台架试验发动机油循环温度为50 58，同时伴随试验过程产生大量的燃油稀释和水分，试验结束后燃油稀释率最大可达13%，含水量最大为19 0 0 g/g。可以看出程序IVB和程序X发动机试验测试条件苛刻，主要侧重考察发动机油中抗磨添加剂的性能 12 。通常磨损主要有4种基本形式：1)黏着磨损;2)磨粒磨损;3)腐蚀磨损;4)疲劳磨损 13。程序IVB阀系磨损试验和程序X正时链条磨损试验条件均为低温、高燃油稀释、高水分，主要考察边界润滑条件下发动机油的抗磨粒磨损和抗腐蚀磨损等性能。为了提高油品的抗磨性能通常多使用含硫、含磷或含硫磷等元素的抗磨剂 14-15。考虑到汽油发动机润滑油对硫、磷元素含量有明确的限值要求，本文主要采用含硫化合物来改善油品的抗磨性能。对硫醚（一硫化物）、二硫醚（二硫化物）、硫化脂肪、噻吩衍生物、二酯基二硫化物等不同结构的含硫抗磨剂抗磨性能研究 16 ,发现硫醚（一硫化物)的抗磨性能差；正构烷烃取代的二硫醚（二硫化物）抗磨性能随着链长增加抗磨性能增加；噻盼衍生物对不同的摩擦副抗磨性能不同，对钢铝摩擦副起良好的抗磨性能，但对于钢钢摩擦副起到增磨作用；二酯基二硫化物的抗磨性能优于二硫醚，且该种添加剂的烷基链的碳数对抗磨性能有一定的影响，当碳数为10 左右时表现出抗磨性能较好的持久性。程序IVB阀系磨损试验和程序X正时链条磨损试验为最新开发的磨损性能台架试验，目前国内外暂无相关性较好的模拟性能试验的报道。文章选用不同结构的含硫添加剂加人到研制油中,用程序IVB发动机试验和程序X发动机试验对抗磨剂的性能进行验证，试验结果见表7。表7含硫抗磨剂性能考察试验MS 程序IVBMS程序X含硫抗磨剂进气挺杆平均磨损/mm3Fe 含量/g gl伸长量/%SP/CF-6A规格指标2.74000.085研制油（不含抗磨剂）4.51790.10研制油+噻二唑3.72630.15研制油+二烷基二硫代甲酸酯+噻二唑3.12080.14研制油+二酯基多硫化物1.06820.081加人不同结构的抗磨剂后均可不同程度地改善油品的抗磨性能,其中二酯基多硫化物的效果最好，OILRESEARCH&APPLICATION油品研究与应用第4期李静等.一种低灰高性能汽油发动机油的研究能满足SP/GF-6A规格指标要求。2.4整体性能验证综合抗氧化性能、高温清净性和抗磨性能等关键性能研究，兼顾国六发动机对润滑油灰分的需求，本文选用胺型抗氧剂4、二酯基多硫化物抗磨剂和高、中、低三种不同碱值水盐酸清净剂复配体系，同时加人高效无灰分散剂、ZDDP抗氧抗腐剂、摩擦改进剂等添加剂组分调合5W-30研制油样开展程序IH、程序IVB、程序VH、程序VIE、程序VI、程序X和程序X等7 个发动机试验，试验数据见表8。表8 5W-30SP/GF-6主要性能试验数据发动机试验5W-30SP/GF-6A指标测试值试验方法运动黏度(10 0 )/mm s-19.312.510.33GB/T 265低温动力黏度（-30）/mPas66004240GB/T 6538低温泵送黏度（-35）/mPas6000016500SH/T0562高温高剪切/mPas2.92.9SH/T0703蒸发损失（诺亚克法）/%1511.1SH/T0059硫含量/%0.50.32SH/T0689磷含量/ugg-1600800770GB/T 17476碱值/mgKOH g18.58SH/T0251硫酸盐灰分/%0.77GB/T 2433MS程序H 发动机试验ASTMD8111100h后40 黏度增长/%10013.1活塞沉积物平均评分4.24.2热黏环00MS程序H A 发动机试验ASTM.D8111老化油的低温泵送黏度6000026150MS程序H B发动机试验ASTM D8111磷保持性/%8183MS程序VH发动机试验ASTMD8256发动机油泥平均评分/分7.67.94摇臂罩油泥平均评分/分7.78.99发动机漆膜平均评分/分8.68.91活塞裙部漆膜平均评分/分7.67.96热黏环00程序X发动机试验ASTMD82914个循环平均发生次数51.03每个循环发生次数82.66MS程序VIE试验ASTMD8114FEISUM/%3.14.44FEI II(125 h)/%1.52.21程序VI发动机试验ASTMD6709轴瓦失重/mg262.3油品研究与应用OILRESEARCH&APPLICATION收口期20 23-0 42062023年第38 卷滑油润表8（续）发动机试验5W-30SP/GF-6A指标测试值试验方法剪切安定性，运转10 h后的运动黏度/mms-1在本黏度等级范围内10.7MS程序IVB试验A.STM8350进气挺杆平均磨损/mm32.71.06Fe含量/ugg140082MS程序X试验ASTMD8279伸长量/%0.0850.081研制油样表现出优异的抗氧化性能,40 黏度增长远远小于指标要求；在灰分不大于0.8%时满足程序H 发动机试验的活塞沉积物评分指标；加人高效无灰分散剂后表现出优异的油泥分散性能，通过程序VH发动机试验；与水杨酸镁复配后表现出优异的抗低速早燃性能，通过程序X发动机试验；与摩擦改进剂复配后表现出优异的燃油经济性。研制油样在低硫、低磷、低灰分的条件下，通过SP/GF-6A规格要求的7 个发动机试验，完全满足SP/GF-6A规格指标要求。3结束语随着汽油发动机技术的不断发展，对汽油发动机油的性能要求越来越苛刻。因此，需要筛选出性能更优、针对性更强的关键添加剂组分来提高汽油发动机油的各项性能。文章立足国内基础油和添加剂，研制开发的低灰分高性能汽油发动机油具有低硫、低磷和低灰分，以减少对汽油发动机后处理系统的影响；具有优异的高温抗氧化性能、低温抗磨性能和燃油经济性，通过SP/CF-6A规格要求的全部发动机试验，性能满足SP/GF-6A规格指标要求。参考文献：1石顺友，王雪梅.美国重负荷柴油机油新规格CK-4和FA-4及其影响 J.润滑油，2 0 17,32（6）：47-55.2李水云,隋秀华.ILSACGF-6汽油机油规格的进展及挑战 J.合成润滑材料，2 0 15,42（1）：2 8-31.3】张春辉，刘红.低黏度发动机油发展趋势分析 J.润滑油,2 0 2 2,37(6):1-6.4贾旭岩，邓本福，朱和菊，等.车用润滑油燃油经济性评价方法开发 J.润滑油，2 0 2 1,36（2）：34-39.5中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图【M .北京：机械工业出版社，2 0 16：7 0-7 6.6 API(American Petroleum Institute).Engine Oil Licensingand Certification System S.API 1509 Eighteen Edition,2019.7张杰，孙瑞雨，付丽雪.SP/GF-6规格分析及油品性能要求 J.石油商技，2 0 2 1（1）：46-51.8魏新宇,梁辰，朱君君，等.ILSAC CF-6汽油机油规格解读及其变化分析 J.石油商技,2 0 2 0（6：56-6 4.9李华峰，李淳风，赵立涛，等.润滑剂添加剂化学与应用【M .北京：中国石化出版社，2 0 0 6：12-13.10李华峰，李淳风，赵立涛，等.润滑剂添加剂化学与应用M.北京：中国石化出版社，2 0 0 6：7 8-7 9.11马静,刘依农,马塑，等润滑油添加剂对汽油机低速早燃影响的研究进展 J石油炼制与化工,2 0 2 0,51（6)：120-124.12徐瑞峰，李静，金理力，等.满足SP/CF-6发动机油规格要求的抗磨剂的筛选及验证 J.合成润滑材料，2022,49(4):33 37.13王汝霖.润滑剂摩擦化学M.北京：中国石化出版社，1994:16-17.14李华峰，李淳风，赵立涛，等.润滑剂添加剂化学与应用M.北京：中国石化出版社，2 0 0 6：150 16 5.15】董增鹏，王稳.发动机润滑油抗磨减摩添加剂研究现状与发展 J.润滑油,2 0 2 2,37（1)：2 9-33.16】王汝霖.润滑剂摩擦化学M.北京：中国石化出版社，1994:192-202.基金项目：中国石油科技部项目高性能润滑油生产关键技术攻关及应用2 0 17 YFB0306700。作者简介：李静，硕士，高级工程师，19 9 9 年毕业于四川大学精细化工专业，主要从事轻负荷车用发动机油和航空发动机油的性能研究和产品开发工作，发表论文十余篇。E-mail：l i j i n g-