SN/GF-5汽油機油研發

鐘 錦 聲

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

環保法規對汽車排放的要求日益嚴格，為了滿足環保法規的要求，汽車制造商不斷改進汽油發動機技術，改善排放。為保證改進后發動機正常運轉，對汽油機油性能提出更高要求。為了更好滿足新發動機的使用要求，汽油機油規格不斷升級換代。伴隨著中國汽車工業技術的快速進步，中國汽車用油規格等級也持續提升，SN/GF-5規格已經成為國內各大汽車制造商廣泛應用的質量等級。

SN/GF-5汽油機油研發需要通過程序ⅢG，ⅢGA，ⅢGB，ⅣA，ⅤG，ⅥD，Ⅷ發動機臺架試驗。程序ⅢG發動機試驗的方法為ASTM D7320—18，采用美國通用公司型號為A3800 seriesⅡ的3.8 L Ⅴ型6缸發動機，用于評定油品的高溫抗氧化性能、清凈性能和高溫抗磨性能，該發動機試驗工況針對發動機在使用過程中產生的積炭、漆膜等沉淀物進行設計。評定項目包括100 h試驗后40 ℃運動黏度增長、平均活塞沉積物、平均凸輪加挺桿磨損和熱黏環[1]。程序ⅢGA發動機試驗用于考察老化后的油品低溫泵送能力，評定項目為程序ⅢG發動機試驗的100 h試驗后油低溫泵送黏度，低溫泵送黏度的試驗方法為SH/T 0562—2013[2]。程序ⅢGB發動機試驗用于評定油品的磷保持能力，通過對比新油和試驗后油的磷元素含量計算出磷保持率，磷元素含量測方法為ASTM D4951—14[3]。程序ⅣA發動機試驗的方法為ASTM D6891—15，采用日本尼桑公司型號為KA24E的2.4 L直列4缸發動機，用于評定油品的低溫抗磨性能。程序ⅣA發動機試驗的時長為100 h，包括100個循環，每個循環包含2個階段，試驗結束后測量凸輪表面的平均磨損深度來評價潤滑油低溫抗磨性能。凸輪挺桿位于發動機頂部，摩擦形式為線接觸單向運動。為了提高苛刻度，程序ⅣA發動機試驗的發動機凸輪軸采用無磷化、無表面硬化處理材質鑄造[4]。程序ⅤG發動機試驗的方法為ASTM D6593—18，采用美國福特公司型號為A2000的4.6 L Ⅴ型8缸發動機，用于評定油品的油泥分散性能[5]。程序ⅥD發動機試驗的方法為ASTM D7589—16，采用美國通用(GM)公司3.6 L Ⅴ型6缸發動機，用于評定油品的燃油經濟性能[6]。程序Ⅷ發動機試驗的方法為ASTM D6709—15，使用專門設計的發動機，用于考察油品對發動機軸瓦的保護能力和油品的抗剪切能力[7]。

與SM/GF-4規格相比，SN/GF-5規格對油品性能要求大幅提升，主要表現在：①為了更好地保護三元尾氣催化轉化器，SN/GF-5規格新增了磷保持性能要求，要求程序ⅢG發動機100 h試驗后油中磷含量不低于新油中磷含量的79%；②在燃油經濟性方面，SN/GF-5規格使用試驗條件更為苛刻的程序ⅥD發動機試驗取代SM/GF-4規格中程序ⅥB發動機試驗，并提高燃油經濟性指標要求；③SN/GF-5規格對于油品的清凈性能有了更高的要求，程序ⅢG發動機試驗活塞沉積物評分要求由SM/GF-4規格的不小于3.5，提高到了不小于4.0，提高了14%，同時還增加了TEOST 33C試驗(用于模擬渦輪增壓沉積物生成情況)指標要求；④在油泥控制和分散性能方面，SN/GF-5規格延用了SM/GF-4規格中的ⅤG發動機試驗，但發動機平均油泥評分由不小于7.8提高到不小于8.0，搖臂罩油泥評分由不小于8.0提高到不小于8.3；⑤為了更好地適應乙醇燃料，SN/GF-5規格新增了乳濁液穩定性要求；⑥按照汽車制造商的要求，SN/GF-5規格增加了對密封材料兼容性的要求。這些要求都對SN/GF-5復合添加劑和油品配方的開發提出了挑戰。

目前，高檔汽油機油核心技術——復合添加劑配方技術，長期被國外公司壟斷。為了滿足市場需求，提高自主汽油機油的技術水平，急需開發具有自主知識產權SN/GF-5配方技術并推進其工業應用。本研究以國產基礎油和添加劑為原料，進行自主SN/GF-5油品配方開發，基于實驗室油品性能模擬評定方法，篩選性能優異添加劑組合，并按GF-5/SN等級汽油機油的質量要求，進行油品各項理化性能評定和程序ⅢG，ⅢGA，ⅢGB，ⅣA，ⅤG，ⅥD，Ⅷ發動機臺架試驗。

1 實 驗

1.1 添加劑和基礎油

二烷基二硫代磷酸鋅鹽(ZDDP)RF2203(雙伯烷基)、RF2204(伯/仲烷基)、RF2205(二仲烷基)，抗氧劑RF5057(短鏈二苯胺型)、RF5067(長鏈二苯胺型)和RF1135(酚酯型)，均為工業純，新鄉市瑞豐新材料股份有限公司產品；酰胺、多元醇酯、聚多元醇，工業純，江蘇省海安石油化工廠產品；氨基甲酸鉬、絡胺鉬、磷酸鉬，均為工業純，太平洋聯合(北京)石油化工有限公司產品。

基礎油為HVI Ⅱ+4和HVI Ⅱ+6加氫基礎油，中國石化上海高橋分公司產品，其主要性質如表1所示。

表1 加氫基礎油的主要性質

1.2 油品性能模擬評定方法

采用壓力差示掃描量熱法(PDSC)和薄膜氧吸收法(TFOUT)評定油品的抗氧化性能。PDSC試驗在瑞士Mettler Toledo公司生產的HP DSC 2+型差示掃描量熱儀上進行，試驗條件為：樣品量1.50 mg±0.02 mg，溫度200 ℃、壓力3.5 MPa、氧氣氣氛。TFOUT試驗在美國Koehler生產的K79490型氧化安定性測試儀(旋轉氧彈)上進行，試驗方法為ASTM D4742—17。以上兩種方法均可模擬高溫高壓下油品的抗氧化性能，氧化誘導期越長油品的抗氧化性能越好。

基于英國PCS公司生產的高頻往復摩擦試驗機(HFRR)，建立油品減摩性能模擬評定方法，測量彈性流體、混合潤滑狀態下的摩擦因數。試驗條件為：負載為4 N，溫度分別為50 ℃和100 ℃。

基于英國PCS公司生產的HFRR，建立抗磨性能模擬評定方法，模擬評定邊界潤滑狀態下油品抗磨性能試驗條件為：負載10 N，溫度50 ℃。試驗后用美國Nanovea公司生產的ST400型三維表面形貌儀，掃描試驗球表面磨痕圖像，掃描步長1 μm。

2 結果與討論

2.1 油品抗氧化性能

SN/GF-5汽油機油配方研發，需要篩選抗氧化性能良好的抗氧劑組合。為了減少其他添加劑(如ZDDP等)影響，提高抗氧化性能模擬評定方法的區分性，在復合基礎油(HVI Ⅱ+4和HVI Ⅱ+6的質量分數均為50%)中分別加入RF5057，RF5067，RF1135抗氧劑，調制油品的組成如表2所示。

表2 抗氧劑和基礎油匹配性考察所用油樣的組成 w，%

用PDSC和TFOUT試驗考察油樣的抗氧化性能，分析基礎油和抗氧劑的匹配性，結果如圖1所示。PDSC和TFOUT試驗的結果均表明：含長鏈二苯胺型抗氧劑油樣2的抗氧化性能優于含短鏈二苯胺型抗氧劑的油樣1，含酚酯型抗氧劑油樣3的抗氧化性能優于含長鏈二苯胺型抗氧劑的油樣2。因此，就該體系而言，抗氧劑性能由高到低的順序為：酚酯型>長鏈二苯胺型>短鏈二苯胺型。此外，酚酯型抗氧劑同長鏈二苯胺型抗氧劑復合使用(油樣4)表現出顯著的協同效應，其抗氧化性能大幅提高。因此，優選酚酯型與長鏈二苯胺型抗氧劑組合作為SN/GF-5汽油機油的復合抗氧劑。

圖1 不同抗氧劑的抗氧化性能

保持復合抗氧劑總量不變，改變RF5067(長鏈二苯胺)與RF1135(酚酯)質量比，進一步考察不同復合抗氧劑組合在包含其他添加劑的SN/GF-5 5W-30油品中的性能，篩選最佳抗氧劑組合方案。圖2為含不同復合抗氧劑全配方油的PDSC和TFOUT評定試驗結果。從圖2可以看出：隨著RF5067/RF1135質量比增大，油品PDSC和TFOUT試驗氧化誘導期都表現出先增加后減少的變化趨勢；PDSC氧化誘導期在RF5067/RF1135質量比為5∶5時達到最長，為46 min，比其最小值增大了15%；TFOUT氧化誘導期在RF5067/RF1135質量比為3∶7時達到最長，為68 min，比其最小值增大了19%；RF5067/RF1135質量比為5∶5時PDSC氧化誘導期只比二者質量比3∶7時長1 min，可認為二者性能相當。綜合考慮PDSC和TFOUT試驗結果，優選使用長鏈二苯胺與酚酯質量比為3∶7的復合抗氧劑，此時油品抗氧性綜合表現更好。

圖2 添加不同復合抗氧劑SN/GF-5 5W-30油樣的PDSC和TFOUT試驗結果

2.2 油品減摩性能

燃油經濟性能是GF系列潤滑油重點考察的性能指標，因而需要優選油品減摩劑組合以提高研發汽油機油的燃油經濟性。在含其他添加劑的SN/GF-5 5W-30配方油樣中，添加不同類型的有機鉬減摩劑，油中的鉬質量分數均為300 μg/g，用自建的變化HFRR摩擦試驗方法考察不同類型有機鉬減摩劑的性能。

圖3為含不同有機鉬減摩劑的SN/GF-5 5W-30研發油樣在50 ℃下測得的摩擦因數。由圖3可以看出，在50 ℃下3種不同有機鉬減摩劑均能不同程度減小摩擦因數，其中氨基甲酸鉬減摩性能最好，使摩擦因數降幅最大。這是因為有機鉬減摩劑在潤滑過程中會同ZDDP分解產生的硫發生化學反應，在摩擦表面生成片層結構的MoS2和MoS3，聚集在摩擦表面的凹谷內，使摩擦表面光滑，起到減摩作用[8]；在3種有機鉬減摩劑中，氨基甲酸鉬在50 ℃分解最徹底，與油品中ZDDP相互作用最強，從而能夠大幅降低摩擦因數。

圖3 50 ℃下添加不同有機鉬減摩劑SN/GF-5油樣試驗的摩擦因數

然而，SN/GF-5質量規格對油品燃油經濟性要求較高，僅添加有機鉬減摩劑難以滿足質量標準要求。因而需要篩選其他無灰有機減摩劑，與有機鉬減摩劑復合使用，進一步提高油品的減摩性能。因此，在含氨基甲酸鉬的SN/GF-5 5W-30研發油樣中加入不同結構類型的多種有機減摩劑，如酰胺型、聚多元醇型、多元醇酯型無灰減摩劑，考察不同無灰減摩劑的減摩性能，結果如圖4所示。從圖4可以看出，氨基甲酸鉬和酰胺型無灰減摩劑復合使用時，汽油機油的摩擦因數最小。這是由于酰胺型無灰減摩劑的極性基團可以在金屬表面形成穩定吸附[9]，而其非極性端的烷基鏈分布在油中形成致密的易剪切、變形的減摩層，降低表面摩擦[10]。氨基甲酸鉬和酰胺型無灰減摩劑協同作用，既形成致密的減摩層，又可填補摩擦表面的凹谷，具有最佳的減摩性能。

圖4 100 ℃下添加無灰減摩劑與氨基甲酸鉬SN/GF-5油樣試驗的摩擦因數

2.3 油品抗磨性能

ZDDP是汽油機油常用的抗磨添加劑，但不同結構ZDDP的抗磨性能不同，因而需要優化添加的ZDDP的結構。為了減少其他添加劑的影響，提高抗磨性能模擬評定方法的區分性，先在復合基礎油中分別加入質量分數1%的RF2203，RF2204，RF2205，得到基礎油+ZDDP的油樣，用自建的HFRR抗磨性模擬試驗方法考察不同結構ZDDP的抗磨性能。圖5為HFRR抗磨試驗后試驗鋼球表面的磨斑照片。

圖5 添加不同結構ZDDP油樣的HFRR試驗鋼球表面磨斑照片

從圖5可以看出，添加二仲烷基ZDDP油樣試驗鋼球表面的磨痕最淺、磨斑最小，明顯好于添加其他ZDDP的油樣，說明在3種結構的ZDDP中，二仲烷基ZDDP的抗磨性能最好。ZDDP吸附于金屬表面，隨著摩擦表面溫度的升高，ZDDP在氧氣作用下分解為含硫化合物、磷酸鹽等[11]，在金屬表面上形成抗磨保護膜。3種結構的ZDDP中，二仲烷基ZDDP的分解溫度較低，在表面溫度較低的磨損初期就能發生分解，形成保護膜，抗磨性能優于分解溫度較高的二伯烷基和伯仲烷基ZDDP。

進一步考察ZDDP同其他添加劑的配伍性。在不含ZDDP的SN/GF-5 5W-30研發油樣中添加RF2205，使油樣的磷元素質量分數達到0.075%，通過HFRR抗磨試驗考察SN/GF-5全配方油樣的抗磨性能，試驗鋼球表面的磨斑照片如圖6所示。從圖6可以看出，SN/GF-5 5W-30油樣試驗鋼球表面光滑度好、磨痕很淺。說明RF2205與汽油機油中的其他添加劑的配伍性良好，多種添加劑協同作用使SN/GF-5 5W-30汽油機油具有更好的抗磨性能。

圖6 SN/GF-5 5W-30油樣HFRR試驗鋼球表面磨斑照片

2.4 油品理化性能和發動機試驗

在優化復合抗氧劑、復合減摩劑和ZDDP結構的基礎上，分別按照標準試驗方法對研制的SN/GF-5 5W-30全配方油品進行理化性能和專項性能測試，結果如表3所示。從表3可以看出：研制油品的運動黏度、低溫動力黏度、高溫高剪切黏度和傾點等理化指標均滿足SN/GF-5規格要求；油品的抗泡沫性高于規格指標要求，說明研制油品的抗泡沫性優秀，可以抑制因氣泡產生的不連續潤滑；油品的過濾性能高于規格指標要求，即使汽油機油混入水，油品過濾阻力僅小幅增加，不影響機油輸送；而且乳濁液保持性試驗結果也說明，汽油機油即使混入水也不會發生油水分離現象，確保發動機各部分都能得到有效潤滑保護；高溫沉積物試驗結果表明，研制油品可以減少渦輪沉積物生成，滿足渦輪增壓發動機使用需求。

表3 研制的SN/GF-5 5W-30汽油機油的主要理化性能和部分專項性能

研制的SN/GF-5 5W-30油品需要通過SN/GF-5規格要求的發動機臺架測試，因而調制SN/GF-5 5W-30汽油機油待測油樣，進行程序ⅢG,ⅢGA,ⅢGB,ⅣA,ⅤG,ⅥD,Ⅷ發動機臺架試驗測試，結果如表4所示。表4結果顯示，研發的SN/GF-5 5W-30汽油機油油樣順利通過上述臺架試驗，油品各項性能滿足SN/GF-5規格要求。目前，研發的SN/GF-5汽油機油已實現工業生產應用，通過某自主汽車品牌原始設備制造商(OEM)認證，供應其OEM裝車油。

表4 研制的SN/GF-5 5W-30汽油機油的臺架試驗結果

3 結 論

采用國產添加劑和基礎油研制出滿足SN/GF-55W-30規格要求的汽油機油，成功通過SN/GF-5規格要求的各項發動機臺架試驗，并實現工業化應用，得到OEM認證。

模擬試驗評價結果表明：當長鏈二苯胺型抗氧劑與酚酯型抗氧劑的質量比為3∶7時，二者復合使用具有最佳抗氧效果；酰胺型摩擦改進劑與氨基甲酸鉬復合使用，可顯著提高汽油機油的減摩性能；在3種結構的ZDDP中，長鏈二仲烷基二硫代磷酸鋅的抗磨性能最好。