燃油經濟型柴油機油的研究進展

郭鵬，金鵬，湯仲平，張勤，趙正華，魯天翔

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近二十年來，日益嚴格的排放法規和油耗法規推動了重型柴油機的發展，重型柴油機的發展始終圍繞動力性、經濟性和排放性三大主題。在國內，重型商用車在物流運輸中所占的比例逐年上升，用戶需要動力強勁的柴油機以提高運輸效率。同時，增加的燃料成本和控制運輸費用的需求，進一步提高了對節能潤滑油的需求。

1 國內燃油經濟型柴油機油的進展

隨著人們對環保的重視以及環保法規和油耗法規的日益嚴格，我國柴油機的發展邁入節能減排階段。由中國汽車技術研究中心牽頭起草的《重型商用車燃料消耗量限值》(第三階段，征求意見稿)已經完成，確定以“2020年在2015年基礎上燃料消耗量限值加嚴約15%”作為總體節能目標。第三階段標準若實施，對我國環境保護、節能減排以及商用車行業發展都有重要的意義。

減少柴油發動機的燃料消耗，可以通過改進和改善發動機設計以及采用潤滑油節能技術來實現，其中使用燃油經濟型機油被認為是目前改善柴油發動機燃油消耗的最經濟有效的手段[1]。燃油經濟型機油要求油品能在各種條件下(溫度、應力、剪切力)保持最佳黏度，能在邊界潤滑時具有優良的減摩性能。具體來說，燃油經濟型機油的特點是：油品低黏度化、油品高黏度指數化和油品減摩性能最佳化[2]。隨著我國油耗法規的不斷嚴格以及柴油發動機技術的不斷進步，對柴油機油的燃油經濟性也提出新的要求，國內的主機廠如一汽、二汽、江淮汽車等在國Ⅵ發動機的開發過程中對潤滑油的燃油經濟性都提出了明確的要求。

隨著國內對燃油經濟型柴油機油的需求越來越多，一方面，低黏度級別(5W-30/10W-30)柴油機油的應用逐步增長；另一方面，燃油經濟型柴油機油的開發也得到重視，一些具有燃油經濟性的柴油機油配方被開發出來[3-7]。這些配方的主要特點是使用了不同的抗磨劑、減摩劑來使油品的減摩性能最佳化。

2 柴油機油燃油經濟性的研究進展

2.1 運動黏度與燃油經濟性

運動黏度是衡量發動機油油膜強度、流動性的重要指標之一，可以反映油品內摩擦力的大小。發動機油運動黏度越大，其油膜強度越高，流動性會變差，摩擦阻力也會隨之增大，從而使油耗增加；反之，發動機油運動黏度越小，其流動性越好，摩擦阻力越小，從而降低油耗。由于燃料經濟性改進潛力和OEM建議，人們對黏度較低牌號的潤滑油也越來越感興趣。近年來，多家重型柴油發動機制造商如底特律、康明斯、沃爾沃等也開始推薦使用10W-30黏度等級的潤滑油[8]。而在日本，10W-30黏度級別的機油在重負荷發動機中已經廣泛應用[9]，如圖1所示。

圖1 日本重型柴油發動機潤滑油黏度等級分布

在重型卡車燃油經濟性研究方面，沃爾沃發動機公司進行了較為詳細的研究，專門建立一種可以測試發動機燃油經濟性的方法——沃爾沃D12D燃油經濟性發動機測試，不同黏度級別潤滑油的燃油經濟性測試結果如圖2所示[10]。

圖2 不同黏度潤滑油的沃爾沃D12D燃油經濟性測試結果

從圖2的測試結果來看，不同黏度油品的燃油經濟性優劣依次是5W-30>10W-30>15W-30>5W-40>10W-40>15W-40，其中5W-30黏度級別的燃油經濟性最好，而15W-40黏度級別的燃油經濟性最差。同時，當兩個油品擁有一樣的黏度級別時(如5W-30)，高溫高剪切黏度越小，燃油經濟性越好。

2.2 高溫高剪切黏度與燃油經濟性

高溫高剪切黏度是油液在150 ℃時通過毛細管黏度測試得到的表觀黏度，是以模擬內燃機氣缸工作溫度和高速剪切條件下做的測試。高溫高剪切黏度通常被認為是多級發動機油在缸套活塞組和連桿軸承區域的真實黏度，對發動機燃油經濟性有很大的影響。Van Dam等測試了有關高溫高剪切黏度和燃油經濟性的關系[11]，如圖3所示。從圖3的測試結果可以看出，油品的高溫高剪切黏度越小，其燃油經濟性越好，二者的相關系數R2為0.78。在另一組測試中，將新油進行90次循環的柴油噴嘴剪切后，再測試其燃油經濟性和高溫高剪切黏度的關系，結果如圖4所示。從圖4的結果可以看到，油品經過90次循環剪切后的高溫高剪切黏度越小，其燃油經濟性越好，且二者的相關系數R2達到0.92。

圖3 燃油經濟性與高溫高剪切黏度的關系

圖4 90次循環剪切后的高溫高剪切黏度

Wim等利用康明斯ISB發動機進行油品的燃油經濟性測試，考察了高溫高剪切黏度范圍在2.7～4.2 mPa·s之間的潤滑油燃油經濟性，測試結果見圖5。 從圖5的WHTC測試結果看出，發動機的燃油消耗與潤滑油的高溫高剪切黏度成線性關系，當高溫高剪切黏度從4.1 mPa·s下降到3.7 mPa·s時，燃油消耗從大約244.5 g/kW·h下降到大約243 g/kW·h[8]。

圖5 康明斯ISB發動機WHTC測試燃油消耗

2.3 摩擦改進劑與燃油經濟性

摩擦改進劑是一類用于提高發動機燃油經濟性的潤滑油添加劑，在開發燃油經濟型乘用車潤滑油時的作用明顯，摩擦改進劑在重型柴油機中的應用也越來越受到重視。Wim等利用沃爾沃D12D 燃油經濟性發動機進行測試，考察了摩擦改進劑對燃油經濟性的影響，結果見表1。試驗油的黏度完全一樣，排除了黏度對摩擦性能的相關影響，所有試驗油的高溫高剪切黏度大于3.5 mPa·s。從表1的試驗結果可以看出，摩擦改進劑A具有最好的燃油經濟性，其他兩種摩擦改進劑C和D也有明顯的效果，摩擦改進劑B沒有顯示出任何影響。試驗結果說明，摩擦改進劑在改善柴油機油燃油經濟性方面的作用是明顯的[12]。

表1 摩擦改進劑的沃爾沃D12D燃油經濟性測試結果

Kenji[13]等考察了氨基甲酸鉬減摩劑對車輛燃油經濟性的影響，行車試驗車輛選用城市運輸卡車，試驗車輛參數和試驗條件見表 2，燃油經濟性測試結果如圖6所示。從圖6的試驗結果可以看出，含MoDTC減摩劑機油車輛的平均燃油經濟性為5.81 km/L，較不含MoDTC減摩劑車輛的燃油經濟性提高了約1.9%。

表2 燃油經濟性測試車輛參數和試驗條件

圖6 城市行車測試燃油經濟性試驗結果

Wim等用康明斯ISB 發動機燃油經濟性測試對4種市售15W-40黏度級別的潤滑油和4種5W-30黏度級別的潤滑油進行對比研究，結果如圖7所示[8]。圖7的測試結果顯示，通過降低黏度及添加摩擦改進劑可以提高燃油經濟性。在WHTC發動機循環測試中，含摩擦改進劑的5W-30級別潤滑油比15W-40級別潤滑油平均節油5 g/kW·h，相當于2.0%的燃油經濟性改善。

圖7 康明斯ISB發動機WHTC循環測試結果

2.4 黏度指數改進劑與燃油經濟性

黏度指數改進劑是一種油溶性的高分子聚合物，加入油品中能起到改善油品的黏度性能、提高油品黏度指數、降低燃油消耗及提高低溫啟動性的作用，因其結構或分子量不同，對油品燃油經濟性的改善也不同。

Klaus等利用OM364A臺架測試方法對不同結構的黏度指數改進劑的燃油經濟性進行考察[14]，測試油品的性能及對應黏度指數改進劑的類型見表3，OM364A臺架試驗結果如圖8所示。從圖8的試驗結果可以看出，使用星形黏度指數改進劑和分散型PAMA黏度指數改進劑的油樣都比非分散型OCP黏度指數改進劑的油樣具有更好的燃油經濟性，特別是將星形黏度指數改進劑與分散型的PAMA復配后，其燃油經濟性最好(2.1%)。油樣E與參比油有相同的黏度指數改進劑和加劑量，其燃油經濟性提高了0.4%，這是因為油樣E具有的運動低黏度。

表3 OM364A臺架試驗油品性能參數

圖8 OM364A發動機燃油經濟性測試結果

J. Fan等研究了含官能團的聚甲基丙烯酸酯對油品摩擦學性能的影響[15]，利用含不同官能團的甲基丙烯酸酯單體，如圖9所示，以均聚和嵌段共聚制備了不同結構的聚甲基丙烯酸酯，通過MTM等儀器考察其對油品摩擦學性能的影響，試驗結果如圖10所示。從圖10的試驗結果可以看出，利用MoEMA和DMAEMA兩種單體制備的嵌段共聚型黏度指數改進劑能夠明顯降低油品的摩擦系數。可能的原因是含官能團的甲基丙烯酸酯嵌段共聚物帶有基于N和O的極性基團，能夠形成厚的減摩邊界膜，可以有效地降低邊界的摩擦。

圖9 不同官能團的甲基丙烯酸酯單體

圖10 不同結構聚甲基丙烯酸酯黏度指數改進劑的

3 結束語

隨著我國油耗法規的日益嚴格，對柴油機油的燃油經濟性提出了更高的要求，燃油經濟型柴油機油的研制開發也日益得到重視。國內諸多OEM在國Ⅵ柴油機油的開發過程中，對油品的燃油經濟性也提出了明確的指標要求。

目前的研究表明，影響柴油機油燃油經濟性的因素是多方面的，可以通過降低油品黏度和高溫高剪切黏度來提高燃油經濟性，也可通過添加特定的摩擦改進劑、黏度指數改進劑來改善油品的燃油經濟性。

總之，燃油經濟型柴油機油在提高柴油發動機燃油經濟性方面的效果是顯而易見的。隨著研究的不斷深入開展，相信在不久的將來，燃油經濟型柴油機油在我國會得到廣泛推廣和應用。