多級發動機油的應用與發展

秦鶴年,劉學儐,劉文劍

(1.中國石油華北潤滑油銷售分公司,北京 100101;2.中國石油華東潤滑油廠,江蘇太倉 215433)

多級發動機油的應用與發展

秦鶴年1,劉學儐1,劉文劍2

(1.中國石油華北潤滑油銷售分公司,北京 100101;2.中國石油華東潤滑油廠,江蘇太倉 215433)

介紹了多級發動機油的性能、特點、使用狀況及發展趨勢,說明多級發動機油不僅具有廣泛的使用溫度范圍、良好的低溫啟動性、高溫潤滑性以及節能等特點,而且隨著發動機油質量級別的提高,多級油的比例也越來越高,成為發動機油發展的主流。但隨著發動機功率的不斷提高,對發動機油在高溫、高壓條件下的穩定性和剪切安定性又提出了更高的要求,文章綜合敘述了改進多級油高溫抗氧化性、低溫流動性和剪切安定性的部分方法和措施,以及多級油的發展趨勢,并提出相應的看法與建議。

多級發動機油;應用;發展

Abstract:The properties,app licable states and developm ental trend of m ulti-grade engine oils are introduced in this paper.It is explained that m ulti-grade engine oils have w ide suited temperature rang,w ell low temperature startability and high temperature lubricity,low coke tendency,and energy saving etc.And m ulti-grade engine o ils occupy higher and higher proportion in engine oils as the quality levelof engine o ils is improved.Because engine pow er is increasingly raised,the shear stability and other properties of engine oils are asked higher under high temperature and high pressure.The m ethods of improving m ulti-grade engine oils′high temperature oxidation stability,low temperature fluidity,shear stability are introduced in the wo rks.And the relevant view and suggestion are also put forw ard.

Key words:m ulti-grade engine o il;application;developm ent

0 引言

為了適應氣候條件的需要,車用發動機油出現過許多粘度級別,并且有冬用和夏用之分。但為了應對環境溫度的頻繁變化、車輛南北跨溫區的長途行駛以及更方便的使用機油,發展了多級發動機油。多級發動機油不僅具有冬夏通用、南北通用的特點,還具有良好的低溫流動性和高溫潤滑性,節能效果顯著。因此,多級油的應用越來越多,特別是隨著發動機油質量檔次的不斷提高,多級油的比例也隨之提高,如汽油機油中的 SG級以上,柴油機油中的 CF級以上,基本都是多級油。但是,多級油也有一些缺點需要克服,如揮發性較大、剪切穩定性較差等,在使用過程中油壓也通常比單級油低。為了解決這些問題,本文將從多級油的組成、粘度指數改進劑的性能提高以及基礎油與添加劑的合理選用等方面進行討論,認為提高粘度指數改進劑的抗剪切穩定性和其他性能、使用高粘度指數基礎油是有效的方法。另外,低粘度化有利于發動機的節能,低溫流動性的改進更有利于降低發動機啟動時的磨損而保護發動機。

1 多級油的組成與作用機理

多級發動機油通常采用粘度較小的輕質基礎油加粘度指數改進劑調制而成,粘度指數改進劑一般為高分子化合物,當溫度較低時,其分子呈卷曲狀,體積縮小,彼此間的運動阻力也小,從而降低了對油品粘度的增幅。當溫度較高時,其分子伸張,體積增大,彼此間的運動阻力也增大,從而增加了對油品粘度的增幅,由此彌補了基礎油因溫度升高而造成的粘度下降[1]。因此與單級油相比,多級油的粘溫性能好,粘度指數高。

據統計,發動機磨損的 75%是冷啟動造成的,因發動機剛啟動時,運動部位還處于缺油的“干摩擦”狀態,只有當發動機運轉起來后使機油流動到各潤滑部位時才能形成潤滑狀態。因多級油使用的是粘度較小的輕質基礎油,同時又含有降凝劑,因此凝點低,低溫流動性好,能夠更加迅速地流動到各潤滑部位,有利于發動機的冷啟動,減少發動機因啟動造成的磨損。同時,輕質基礎油不易結焦,因此多級油在發動機內的結焦傾向性小,可保持發動機氣缸內的清潔。因多級油粘度指數高,粘溫性好,不僅具有良好的低溫流動性,在高溫條件下粘度下降幅度也小,可有效地保持發動機的高溫潤滑,防止發動機因機油粘度過低而造成的磨損加劇,起到保護作用。基于上述這些性質,使用多級油可確保發動機的平穩運行,延長發動機的使用壽命和大修周期,同時還能夠降低燃油消耗,據統計,使用多級油可節省 3%左右的燃油[2]。

但是,與單級油相比,多級油也有弱點,因輕質油揮發性較高,在使用過程中多級油消耗較快。同時,高分子化合物在高溫、高壓條件作用下容易降解,因此多級油的剪切安定性較差,在使用過程中粘度容易下降。特別是現在發動機功率的不斷提高,對發動機油的作用條件日趨苛刻,對多級油的剪切穩定性和高溫氧化安定性提出了更高的要求。

2 多級油剪切穩定性和其他性能的改進方法

2.1 粘度指數改進劑的選用

常用的潤滑油粘度指數改進劑主要有聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯 -丙烯共聚物(OCP)和聚異丁烯(P IB),聚甲基丙烯酸酯具有優異的粘度指數改進效果,而且具有降凝作用,可用來調制使用溫度范圍較大的多級油或低溫用油,如 5W-40或 0W-30等,也是調制汽車自動傳動液 ATF需要的添加劑。但聚甲基丙烯酸酯的抗剪切性較差,需要嚴格控制分子量的大小,而且因其制備工藝復雜,成本較高,使用范圍受到制約[3]。乙烯 -丙烯共聚物(OCP)具有較好的粘度指數改進效果,而且抗剪切性優于聚甲基丙烯酸酯,常用粘度級別的多級油,如 10W-30,15W-40和 20W-50都可以采用該劑調制,因此也是目前調制多級油使用最多的粘度指數改進劑。聚異丁烯具有良好的剪切穩定性,增稠能力強,但對油品的粘度指數提高能力差,而且會使油品的低溫粘度增大,使低溫流動性變差,因此不適合調制多級發動機油,可用來調制一些工業用油。

2.2 粘度指數改進劑的改性

2.2.1 分子量的控制及分子結構的改進[4]

粘度指數改進劑的分子量越大,其增稠能力和粘度指數改進能力也越強,但抗剪切性也就越差;如果分子量太低,雖然抗剪切性好,但增稠能力和粘度指數改進能力也會變差。因此,粘度指數改進劑必須控制其分子量的大小。除了分子量的控制,分子結構的改進也可以提高粘度指數改進劑的抗剪切性能。分子量大小的控制及分子結構的改進,主要有以下 3種方法:

(1)降解法

該法主要用于乙烯 -丙烯共聚物(OCP)粘度指數改進劑的制備。乙丙橡膠是制備該劑的主要原料,乙丙橡膠的分子量通常較大,而有些生產廠家為了省事或降低成本,將乙丙膠一溶了事,根本不做降解處理,使用這種產品調制的多級發動機油在使用過程中會造成粘度下降過快、機油壓力上不去的結果。因此乙丙膠需要經過分子量降解才能使用,常用的降解方法見表 1。

表 1 制備乙丙共聚物粘度指數改進劑常用方法及特點

目前市面上銷售的 OCP粘度指數改進劑可根據乙丙膠的降解程度不同分為 T611、T612和 T613等系列產品,膠濃度通常在 10%～15%,可滿足一般多級發動機油的使用要求。隨著發動機氣缸壓縮比的提高及渦輪增壓器的使用,發動機的剪切作用力越來越強,對粘度指數改進劑的抗剪切性要求也越來越高,乙丙膠必須有足夠的降解程度才能滿足使用要求。

(2)聚合度控制法

即在粘度指數改進劑高分子化合物的制備過程中,通過改變反應條件控制聚合物分子量的大小,使產品滿足使用要求。如聚甲基丙烯酸酯的聚合,當分子量達到要求時可通過添加阻聚劑或鏈中止劑中止進一步的聚合;聚異丁烯則通過改變聚合溫度和催化劑的加量控制分子量的大小;乙丙共聚物也可以通過聚合控制直接得到產品,免去降解處理過程。

(3)聚合物分子結構的改進

為了使粘度指數改進劑同時具備良好的增稠能力和剪切穩定性,可通過對其分子結構進行改變來實現這一目的。如乙丙共聚物,通過乙烯和丙烯的嵌段共聚就可以提高其抗剪切性,但這種分子結構的產品油溶性較差,此外,因其分子結構類似于石蠟結晶體,使用還會使油品的凝點升高,因此有待于做進一步的改進[5]。

2.2.2 功能多樣化[6]

除了增粘和粘度指數的提高,粘度指數改進劑還可以通過化學改性使其具備更多的功能,如清凈分散、抗氧及降凝等,這方面的研究工作十分活躍,有關報導層出不窮。由于粘度指數改進劑是多級油中添加較多的一種添加劑,如果再具備某種性能,就可以增進多級油的這種性能,或者降低相關功能添加劑的加量而減少其負面影響。例如,無灰分散劑是發動機油中不可缺少的,而目前無灰分散劑主要采用聚異丁烯基丁二酰亞胺,這種分散劑的加入會影響油品的低溫流動性,如果使用分散型粘度指數改進劑調制發動機油,就可以減少無灰分散劑的用量,減少對油品低溫流動性的影響。

分散型粘度指數改進劑是使用最多的多效添加劑,一般采用乙丙共聚物與馬來酸酐進行接枝反應,然后再與含氮化合物反應制得。這種添加劑的開發曾被列為我國“七五”攻關項目,目前在高檔多級發動機油的調制中發揮了重要作用。

聚甲基丙烯酸酯類粘度指數改進劑本身就具有降凝作用,特別是與 T803降凝劑一同使用還有協和增效作用,如果與具有分散作用的化合物進行共聚反應,就可以得到集增稠、降凝和分散三種功能于一體的粘度指數改進劑,對調制 5W甚至 0W的低溫用油具有很好的幫助作用。

發動機油使用的抗氧劑主要是 T202、T203等ZDDP系列,應環保要求,現在的車輛都要求安裝三元催化轉化器,對發動機油的磷含量提出了嚴格的要求,而 ZDDP因磷含量較高在使用上受到了限制,如果使用具有抗氧化作用的粘度指數改進劑,就可以減少 ZDDP的用量,滿足油品磷含量的要求。

一般情況,添加劑的加入量是隨著發動機油質量檔次的提高而增加,但添加劑加量的提高也會帶來一些負面影響,如溶解困難、容易析出等,多功能粘度指數改進劑的使用可有效地減少相應功能劑的用量,或不增加其他功能劑的加量而提高油品的質量檔次,在制備高檔多級發動機油方面發揮著重要作用。

2.3 基礎油的選用

除了添加劑,基礎油的選用對多級油的調制也很重要,選用粘度指數較高的基礎油,可以減少粘度指數改進劑的用量,從而提高油品的剪切安定性。基礎油有礦物油與合成油兩類,對于一般常用的粘度級別,如 10W-30、15W-40和 20W-50,使用精制礦物油加粘度指數改進劑即可滿足要求,但對于適用溫度范圍較大的多級油,特別是低溫用油,如0W-30,5W-30,5W-40或 5W-50等,普通精制礦物油就難以滿足使用要求,必須部分甚至全部使用合成油才行。我國礦物基礎油主要有石蠟基、中間基和環烷基三種類型,石蠟基油具有較高的粘度指數,通常在 90以上,適合于調制多級油;環烷基油因粘度指數低不適合調制發動機油;中間基油一般在70～90之間,通過添加適量的粘度指數改進劑也可以用來調制一般常用粘度級別的多級油。礦物油經過加氫異構化處理,可有效地提高粘度指數,得到滿足APIⅢ類油的基礎油,為調制多級油提供了質量更好且來源豐富的基礎油。合成油具有更高的粘度指數、更好的低溫流動性,其他性能也可以依靠人為設計而優于礦物油,用合成油調制多級油,可以少加甚至不加粘度指數改進劑,能夠從根本上解決多級油剪切安定性差的問題。合成油使用較多的是聚α-烯烴油(APIⅣ類油),另外還有酯類油(APIⅤ類油),雖然合成油因成本較高而在使用中受到一定的制約,但隨著發動機油質量檔次的提高,礦物油在很多方面難以滿足要求,因此對合成油的依賴越來越大,特別是在一些特殊用油場合,如南北兩極地用油和賽車用油,全部用合成油制備。合成油的應用又有與礦物油混合使用(半合成)和全部使用(全合成)兩種情況。

3 多級油的合理應用

適用溫度范圍是多級發動機油的首要技術性能,目前適用溫度范圍最寬的多級油粘度級別是 0W -50,可以在 -40～+50℃的溫度范圍內使用。雖然多級油的適用溫度范圍越大越好,但成本費用也會隨之增大,因此要根據環境溫度和車況條件,合理選用適當的粘度級別,才能做到既能夠很好地保護車輛,又能夠降低成本費用。

使用多級油,也可以根據季節的變化選用不同的粘度級別,如有的車輛,在春季、夏季和秋季使用15W-40粘度級別的機油,到了冬季,可改用 10W -30的機油,效果更好。

除了地區溫度,發動機的工作條件也是選擇機油粘度的重要依據。汽油機油主要用于轎車,發動機轉速較高,使用低粘度油有利于節能,降低油耗,因此汽油機油的 SAE粘度很少有 50的,一般多為XW-30和 XW-40,目前韓國和日本還推出了 5W -20或 0W-20低粘度級別的機油,具有更好的低溫流動性,而且節能效果顯著。汽油機目前主要有兩種代表類型,國產發動機也主要是參照或引進這兩種類型。一種是美國和日本產類型,發動機輸出功率與體積之比較小,一般選用 XW-30的粘度;另一種是歐洲產類型,發動機結構緊湊,尤其是帶有渦輪增壓的發動機,輸出功率與體積之比較大,易導致局部溫度過高,應使用粘度較高的機油,如 XW-40。柴油機有自然吸氣式和渦輪增壓式兩種,渦輪增壓式又有低增壓和高增壓之分。高增壓主要為用于大型運輸車輛的高功率柴油機,工作溫度和壓力很高,使用高粘度發動機油潤滑效果較好,可使用20W-50和 15W-40的粘度級別;自然吸氣式和低增壓式柴油機主要用于中型、小型運輸車輛,一般使用XW-30和 X W-40的粘度級別。此外,新車發動機和剛大修的發動機因活動間隙小,需要磨合,不宜使用高粘度的機油;當車輛行駛 20×104km以上時,發動機因磨損活動間隙增大,再使用低粘度機油油壓就會偏低,使用粘度較高的機油不僅能保持機油壓力,也有利于密封與潤滑。發動機油的使用還有裝車用油與服務用油的分別,在粘度的選用方面也有區別。因新車銷往不同的地區,售出的季節也不固定,通常使用溫度跨度較大的多級油,以滿足不同地區不同氣候條件的要求,如大眾汽車公司,裝車用油的粘度級別為 5W-40;而服務用油可根據行駛區域的氣候條件選擇合適的粘度級別。表 2中歸納了不同情況選用多級油粘度級別的方法,可供使用參考。

表 2 車輛工作條件和季節與多級油粘度級別的選用

續表

總之,應針對不同地區冬季的最低溫度并結合發動機工況選則粘度級別,使用溫度跨度較大的多級油,如 0W-30、5W-30和 5W-40等,主要在寒冷地區的冬季使用,而其他三個季節和非嚴寒地區的四季,就沒有必要使用這種大跨度的多級油。如5W-30和 5W-40基本可以滿足我國嚴寒地區的冬季使用,10W-30和 10W-40也能夠滿足我國一般寒冷地區(最低溫度不低于 -25℃)的冬季使用。

4 多級油的發展趨勢

多級油適用溫度范圍的擴大,主要是向低溫方向延伸,而且在嚴寒氣候條件下,多級發動機油的高溫粘度也不宜太高,一般不超過 SAE 40,盡管有 0W -50和 5W-50這樣的超大溫度跨度,但很少使用。目前,有國外大石油公司推出了 15W-50粘度級別的多級油,較 20W-50粘度級別相比,有更低的使用溫度,解決了大型、重載貨車在冬季使用 15W-40多級油容易出現機油壓力不足或使用 20W-50多級油又容易造成啟動困難的問題。

多級油的普遍使用還面臨著兩方面的問題,一方面是發動機的新設計導致機油的使用溫度越來越高,另一方面是為滿足節能的要求,機油的粘度要求更低,這就容易造成發動機機油壓力偏低、報警燈閃亮的問題。發動機轉速、機油溫度和機油粘度是影響機油壓力的主要因素,多級油粘度指數改進劑的剪切安定性對機油壓力有很大影響,剪切安定性越好,機油壓力的衰減就越慢;基礎油對機油壓力也有很大關系,增加基礎油粘度的貢獻、適當控制粘度指數改進劑的用量,也有利于保持機油壓力[7]。

多級油的配方結構也由礦物油加粘度指數改進劑向增加合成油加量、控制粘度指數改進劑用量方向發展,同時提高粘度指數改進劑的剪切安定性,可有效地降低多級油在使用過程中粘度的衰減。合成油的使用,還可進一步改進多級油的低溫流動性,使發動機的低溫冷啟動更加容易,更好地保護發動機。

5 結論與建議

(1)多級油具有較寬的溫度適用范圍,實現了發動機油冬夏通用和南北通用的要求,避免了因氣溫變化而更換機油造成的麻煩,特別是在晝夜溫差變化較大的地區(如沙漠地區),還有在春秋季節遇到氣溫突變的天氣,使用多級油可以很好地應對,確保發動機的正常工作。

(2)多級油具有良好的低溫流動性,能夠確保發動機在低溫條件下順利啟動,而且在啟動時可迅速到達各潤滑點,有效地降低發動機因啟動而造成的磨損,延長發動機的使用壽命。

(3)使用多級油,能夠保證發動機的平穩運轉,還可以節省約3%的燃料。

(4)與單級油相比,多級油結焦傾向性小,清凈性更好,可確保發動機氣缸內的清潔。

(5)通過對粘度指數改進劑進行適度地降解處理,降低其分子量,以及適當地引用合成油,或使用高粘度指數的基礎油,可減少粘度指數改進劑的用量,解決多級油剪切安定性較差的缺點。

(6)通過對粘度指數改進劑進行化學改性,賦予其更多的功能,可減少相應功能添加劑的用量,并有效地提高發動機油質量級別。

(7)粘度級別的選用,不僅要考慮氣候條件,還要根據車況和發動機的工作特點來合理選用。

(8)多級油的適用溫度范圍越大,成本也越高,因此不宜盲目使用粘溫跨度大的多級油。多級油適用溫度范圍的擴大,主要是向低溫方向延伸,是根據嚴寒地區冬季的最低氣溫要求而發展的。

使用多級油,應注意以下問題。車輛在行駛過程中機油壓力應保持在 0.2～0.4 MPa,因多級油的流動性較好,在壓力不是很高的情況下也能夠很好地循環流動,因此一般情況下使用多級油機油壓力比使用單級油稍低,但只要保持在這個范圍之內就可以使用。另外,使用多級油,發動機在怠速運轉時油壓報警燈有時會偶爾閃亮,但快速轉動時又熄滅,這種情況也屬正常,可以繼續使用。使用多級油,發動機不宜超負荷運行,以免因剪切力過大造成機油粘度下降過快,導致機油壓力偏低。

[1]張錫鵬.稠化機油[M].北京:烴加工出版社,1985.

[2]楊俊杰,周洪澍.設備潤滑技術與管理[M].北京:中國計劃出版社,2008:229-300.

[3]李春鳳,羅新民,肖少峰.基于功能化聚甲基丙烯酸酯開發多功能潤滑油添加劑的現狀及設想 [J].潤滑油, 2006,21(1):36-40.

[4]黃之杰,費逸偉.國產粘度指數改進劑的使用性能和發展[J].潤滑油,2003,18(5):1-6.

[5]秦鶴年,紀杰領,羅大慧.T803B的降凝效果考察及應用[J].潤滑油,1998,13(5):37-41.

[6]黃文軒.潤滑劑添加劑應用指南[M].北京:中國石化出版社,2003:115-126.

[7]王向陽,韋夏.多級發動機油壓力變化行車試驗研究[J].石油商技,2009,27(4):38-42.

Application and Development ofM ulti-Grade Engine O ils

Q IN He-nian1,LIU Xue-bin1,LIU W en-jian2
(1.PetroChina No rth-China LubricantM arketing Company,Beijing 100101,China; 2.PetroChina East China B lending Plant,Taicang 215433,China)

TE626.32

A

2009-07-23。

秦鶴年(1965-),男,高級工程師,1987年畢業于云南大學化學系,現在中國石油華北潤滑油銷售分公司從事潤滑油銷售技術服務工作,已公開發表論文 36篇。

1002-3119(2010)04-0006-06