燃油經濟性對自動傳動液組成的影響

黃東升，趙治宇，徐晶晶，姜禹，張偉光，崔海濤

(中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

在全球市場，自動擋乘用車市場越來越廣。AT在北美市場占有主導地位，CVT在日本市場占據主流，DCT出現后也逐漸改變了歐洲市場手動變速箱的主導地位。在中國市場，自動變速箱一直是國產汽車廠商的軟肋。近年來，為了改變自動變速箱受制于人的狀況，諸多廠商都在不斷投入對自動變速箱的研發，三種類型的自動變速箱都處在爆發發展的前期。

自動傳動液是自動變速箱傳遞動力的介質，除了要具備良好的摩擦特性外，也要求其具備良好的高低溫性能。

近年來，全球對節能環保的追求也對自動傳動液的組成和性能產生了影響。自動傳動液不斷朝低黏度發展，新式ATF的低黏度不但可以為汽車節能做出貢獻，同時也讓其具備更好的低溫特性和剪切安定性。同時根據評測，新式ATF在抗磨性也保持了卓越的性能。

本文主要討論ATF低黏度化發展趨勢，以及其對組分中基礎油和黏度指數改進劑選擇的影響。

1 燃油經濟性對自動傳動液黏度和低溫性能的影響

自動傳動液產品和規格對黏溫性能和低溫性能的要求主要表現在100 ℃的運動黏度、黏度指數和-40 ℃布氏黏度。

以最有影響力的通用Dexron ATF 規格為例，自從電控自動變速箱問世后，1990年通用公司頒布了Dexron ⅡE規格，要求100 ℃運動黏度為6.0～8.0 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于20000 mPa·s。1995年通用公司頒布Dexron Ⅲ規格，對黏度和-40 ℃的低溫性能要求沒有變化。

此后十年中，這個要求成為汽車AT自動傳動液的基本性能。直到2006年，通用公司發布Dexron Ⅵ規格，對黏度要求變成100 ℃運動黏度不大于6.4 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于15000 mPa·s。自動傳動液降低黏度對節能的作用日益引起全球市場的重視，在節能方面一向重視和敏感的日本廠商這次走在了美國的前面。2010年以后，日本豐田WS ATF 100 ℃黏度已經下降到5.5 mm2/s左右。

不僅AT自動傳動液黏度降低，低溫性能提升。無級變速箱CVT用油也是如此，2012年以前，市場主要CVTF 100 ℃運動黏度也在7.0 mm2/s左右。2012年以后，日本變速箱廠商像在ATF上一樣，推行CVTF產品更新換代，100 ℃運動黏度降低到6.0 mm2/s左右，-40 ℃布氏黏度通常小于10000 mPa·s。

雙離合器變速箱DCT是大眾在2003年以后才推向市場的。DCT對油品的抗磨性能要求更高，市場主流DCTF 100 ℃運動黏度在7.0 mm2/s左右，-40 ℃布氏黏度一般小于15000 mPa·s。同樣出于節能環保和變速箱設計對油品低溫性能要求的提高，目前國內廠商對DCTF也有降低黏度的需求。見表1。

表1 市場主要自動傳動液的黏度發展趨勢

總體來說，燃油經濟性對自動傳動液低黏化發展推進非常明顯，同時由于黏度的降低，同樣使用Ⅲ類基礎油，自動傳動液的低溫性能也得到了顯著的提高。

2 油品低黏化對基礎油選擇的影響

自從ATF ⅡE規格推廣后，通常情況下自動傳動液會選用Ⅱ、Ⅲ類以上基礎油，基礎油運動黏度在4.0 mm2/s左右。為了調整油品的低溫性能，讓油品在低溫條件中不會因為石蠟結晶而導致ATF固化，一般會加入降凝劑和黏度指數改進劑控制結晶的影響。

GM Dexron Ⅲ要求100℃運動黏度約為7.0 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于20000 mPa·s。在這種情況下，選用運動黏度在4.0 mm2/s的Ⅲ類基礎油和甲基丙烯酸脂類型黏度指數改進劑設計產品，基本可以滿足其對低溫性能的要求。

但是隨著變速箱設計對節能環保以及對舒適性的要求。在以 GM Dexron Ⅵ規格為標志性的產品升級中，自動傳動液除了降低了黏度，對低溫性能要求進一步提高，并增加了剪切安定性。 Dexron Ⅵ要求-40 ℃布氏黏度不大于15000 mPa·s，油品在20 h圓錐輥子剪切后油品100 ℃運動黏度下降不得大于10%。

此時，100 ℃運動黏度在4.0 mm2/s左右的Ⅲ類基礎油在調節油品低溫性能的能力上就顯得不足了。在這種情況下，自動傳動液在基礎油的選擇上出現了一些變化。運動黏度為2.0 mm2/s的Ⅱ類基礎油逐漸被應用到油品中，增加更多的黏度指數改進劑，以調節油品的低溫性能。

自動變速箱換油周期很長，設計換油里程基本在10萬公里以上。低黏度基礎油使用后，自動傳動液中輕組分含量過多可能導致在長時間高溫使用環境中蒸發損失過大，從而影響油品的低溫性能。

為了規避這個問題，隨后自動傳動液產品設計要求中出現了蒸發損失要求，甚至有對蒸發損失后布氏黏度變化值技術指標的要求。這樣逐漸限制了低黏度基礎油的使用。為了達到油品規格的新要求，部分廠商開始使用PAO，增加了油品的成本。

為了應對市場變化，2005年以后，運動黏度在3.0 mm2/s左右基礎油開始出現。新的基礎油資源幾乎是專門應對傳動油對低溫性能穩定要求產生的。它很好地滿足了自動傳動液對低溫性能要求，并能夠保證產品在長周期使用過程中的穩定性。

迄今為止，運動黏度在3.0 mm2/s已經被廣泛應用在自動傳動液中。

表2列出了世面上幾種ATF蒸發損失和低溫性能的測試數據。可以看出，低黏度ATF幾乎表現出相同的蒸發損失值，并且低溫性能與五年前相比，都有了很大的提高。但低黏化并沒有降低油品的抗磨性能。

表2 幾種市售ATF測試結果

3 油品低黏化對黏度指數改進劑選擇的影響

除了給基礎油市場帶來變化，自動傳動液性能的提高對油品中黏度指數改進劑的選擇也帶來了很大的影響。

在GM Dexron Ⅲ之前的規格中，并沒有對黏度指數改進劑的剪切性能提出要求。高分子的黏度指數改進劑在油品中大量應用，造成油品在變速箱內應用長時間之后隨著高分子被剪切黏度大幅下降，從而給變速箱傳扭穩定性造成影響。

2006年通用公司頒布GM Dexron Ⅵ規格規格后，對油品隨著剪切黏度的下降提出要求，要求油品20 h圓錐輥子剪切后黏度下降率不大于10%，剪切后黏度5.5 mm2/s。

新的技術要求對黏度指數改進劑的性能做出嚴格的限定。為了保證變速箱運行的穩定，日本在后來的自動傳動液的低黏度化中，對剪切性能的要求更加苛刻，要求20 h圓錐輥子剪切后油品100 ℃運動黏度下降不得大于5%。部分產品剪切測試數據見表2。

苛刻的剪切安定性對自動傳動液中的高分子黏度指數改進劑成為一種挑戰。低黏度的ATF中需要加入的黏度指數改進劑相對較少，相對更容易解決這個問題。2010年之后中國市場興起的雙離合器自動變速箱油開發中，出于對齒輪的保護要求油品黏度在7.0 mm2/s左右，同時要具備嚴苛的剪切安定性要求，這導致部分油公司在油品開發過程中選用了兩種不同類型的黏度指數改進劑。一種分子量較大的黏度指數改進劑起增黏作用，另一種黏度指數改進劑分子量較小，抗剪切性能非常好。

圖1為市場兩種雙離合器傳動油GRC測試數據。結合LS和DRI數據可以看出，DCTF-A 采用了一種黏度指數改進劑，DCTF-B則采用了兩種不同的黏度指數改進劑。又測試兩種DCTF的剪切和低溫性能，見表3。

表3 兩種雙離合器油品的測試數據

圖1 兩種DCTF GPC測試數據

從表3數據可以看出，兩種油品黏度相當，低溫性能也相當。DCTF-A蒸發損失較低，說明基礎油采用較少的輕組分，可能需要更小改進黏度要求，但實際測試剪切后黏度下降率卻更大。與圖1 GPC測試數據對應，與其采用了一種黏度指數改進劑不無關系。

新一代的雙離合器變速箱同樣因為燃油經濟性的原因，對潤滑油產品提出低黏度化的要求。就目前市場產品開發來看，新一代油品DCTF 黏度將在5.0～6.0 mm2/s之間。由于變速箱換油周期基本在8萬公里以上，參照ATF的要求，為了保證變速箱穩定工作，低黏度DCTF KRL剪切黏度下降率要控制在5%左右。

4 結論

全球市場對燃油經濟性的追求引發了自動傳動油朝低黏度方向發展。在這個趨勢中，對油品的低溫性能和剪切穩定性能要求也越來越高。

為了提高油品低溫性能，同時保證長周期使用過程中油品性能的穩定，出現了運動黏度為3.0 mm2/s的Ⅱ類基礎油替代了原來的加氫基礎油，并很快在傳動油中大范圍得以應用。

與此同時，自動傳動液對剪切性能要求的提高對高分子黏度指數改進劑的使用變得苛刻，甚至出現使用兩種不同的黏度指數改進劑的情況。