秦鹤年,刘学傧,刘文剑

(1.中国石油华北润滑油销售分公司,北京 100101;2.中国石油华东润滑油厂,江苏太仓 215433)

多级发动机油的应用与发展

秦鹤年1,刘学傧1,刘文剑2

(1.中国石油华北润滑油销售分公司,北京 100101;2.中国石油华东润滑油厂,江苏太仓 215433)

介绍了多级发动机油的性能、特点、使用状况及发展趋势,说明多级发动机油不仅具有广泛的使用温度范围、良好的低温启动性、高温润滑性以及节能等特点,而且随着发动机油质量级别的提高,多级油的比例也越来越高,成为发动机油发展的主流。但随着发动机功率的不断提高,对发动机油在高温、高压条件下的稳定性和剪切安定性又提出了更高的要求,文章综合叙述了改进多级油高温抗氧化性、低温流动性和剪切安定性的部分方法和措施,以及多级油的发展趋势,并提出相应的看法与建议。

多级发动机油;应用;发展

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

为了适应气候条件的需要,车用发动机油出现过许多粘度级别,并且有冬用和夏用之分。但为了应对环境温度的频繁变化、车辆南北跨温区的长途行驶以及更方便的使用机油,发展了多级发动机油。多级发动机油不仅具有冬夏通用、南北通用的特点,还具有良好的低温流动性和高温润滑性,节能效果显著。因此,多级油的应用越来越多,特别是随着发动机油质量档次的不断提高,多级油的比例也随之提高,如汽油机油中的 SG级以上,柴油机油中的 CF级以上,基本都是多级油。但是,多级油也有一些缺点需要克服,如挥发性较大、剪切稳定性较差等,在使用过程中油压也通常比单级油低。为了解决这些问题,本文将从多级油的组成、粘度指数改进剂的性能提高以及基础油与添加剂的合理选用等方面进行讨论,认为提高粘度指数改进剂的抗剪切稳定性和其他性能、使用高粘度指数基础油是有效的方法。另外,低粘度化有利于发动机的节能,低温流动性的改进更有利于降低发动机启动时的磨损而保护发动机。

1 多级油的组成与作用机理

多级发动机油通常采用粘度较小的轻质基础油加粘度指数改进剂调制而成,粘度指数改进剂一般为高分子化合物,当温度较低时,其分子呈卷曲状,体积缩小,彼此间的运动阻力也小,从而降低了对油品粘度的增幅。当温度较高时,其分子伸张,体积增大,彼此间的运动阻力也增大,从而增加了对油品粘度的增幅,由此弥补了基础油因温度升高而造成的粘度下降[1]。因此与单级油相比,多级油的粘温性能好,粘度指数高。

据统计,发动机磨损的 75%是冷启动造成的,因发动机刚启动时,运动部位还处于缺油的“干摩擦”状态,只有当发动机运转起来后使机油流动到各润滑部位时才能形成润滑状态。因多级油使用的是粘度较小的轻质基础油,同时又含有降凝剂,因此凝点低,低温流动性好,能够更加迅速地流动到各润滑部位,有利于发动机的冷启动,减少发动机因启动造成的磨损。同时,轻质基础油不易结焦,因此多级油在发动机内的结焦倾向性小,可保持发动机气缸内的清洁。因多级油粘度指数高,粘温性好,不仅具有良好的低温流动性,在高温条件下粘度下降幅度也小,可有效地保持发动机的高温润滑,防止发动机因机油粘度过低而造成的磨损加剧,起到保护作用。基于上述这些性质,使用多级油可确保发动机的平稳运行,延长发动机的使用寿命和大修周期,同时还能够降低燃油消耗,据统计,使用多级油可节省 3%左右的燃油[2]。

但是,与单级油相比,多级油也有弱点,因轻质油挥发性较高,在使用过程中多级油消耗较快。同时,高分子化合物在高温、高压条件作用下容易降解,因此多级油的剪切安定性较差,在使用过程中粘度容易下降。特别是现在发动机功率的不断提高,对发动机油的作用条件日趋苛刻,对多级油的剪切稳定性和高温氧化安定性提出了更高的要求。

2 多级油剪切稳定性和其他性能的改进方法

2.1 粘度指数改进剂的选用

常用的润滑油粘度指数改进剂主要有聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯 -丙烯共聚物(OCP)和聚异丁烯(P IB),聚甲基丙烯酸酯具有优异的粘度指数改进效果,而且具有降凝作用,可用来调制使用温度范围较大的多级油或低温用油,如 5W-40或 0W-30等,也是调制汽车自动传动液 ATF需要的添加剂。但聚甲基丙烯酸酯的抗剪切性较差,需要严格控制分子量的大小,而且因其制备工艺复杂,成本较高,使用范围受到制约[3]。乙烯 -丙烯共聚物(OCP)具有较好的粘度指数改进效果,而且抗剪切性优于聚甲基丙烯酸酯,常用粘度级别的多级油,如 10W-30,15W-40和 20W-50都可以采用该剂调制,因此也是目前调制多级油使用最多的粘度指数改进剂。聚异丁烯具有良好的剪切稳定性,增稠能力强,但对油品的粘度指数提高能力差,而且会使油品的低温粘度增大,使低温流动性变差,因此不适合调制多级发动机油,可用来调制一些工业用油。

2.2 粘度指数改进剂的改性

2.2.1 分子量的控制及分子结构的改进[4]

粘度指数改进剂的分子量越大,其增稠能力和粘度指数改进能力也越强,但抗剪切性也就越差;如果分子量太低,虽然抗剪切性好,但增稠能力和粘度指数改进能力也会变差。因此,粘度指数改进剂必须控制其分子量的大小。除了分子量的控制,分子结构的改进也可以提高粘度指数改进剂的抗剪切性能。分子量大小的控制及分子结构的改进,主要有以下 3种方法:

(1)降解法

该法主要用于乙烯 -丙烯共聚物(OCP)粘度指数改进剂的制备。乙丙橡胶是制备该剂的主要原料,乙丙橡胶的分子量通常较大,而有些生产厂家为了省事或降低成本,将乙丙胶一溶了事,根本不做降解处理,使用这种产品调制的多级发动机油在使用过程中会造成粘度下降过快、机油压力上不去的结果。因此乙丙胶需要经过分子量降解才能使用,常用的降解方法见表 1。

表 1 制备乙丙共聚物粘度指数改进剂常用方法及特点

目前市面上销售的 OCP粘度指数改进剂可根据乙丙胶的降解程度不同分为 T611、T612和 T613等系列产品,胶浓度通常在 10%～15%,可满足一般多级发动机油的使用要求。随着发动机气缸压缩比的提高及涡轮增压器的使用,发动机的剪切作用力越来越强,对粘度指数改进剂的抗剪切性要求也越来越高,乙丙胶必须有足够的降解程度才能满足使用要求。

(2)聚合度控制法

即在粘度指数改进剂高分子化合物的制备过程中,通过改变反应条件控制聚合物分子量的大小,使产品满足使用要求。如聚甲基丙烯酸酯的聚合,当分子量达到要求时可通过添加阻聚剂或链中止剂中止进一步的聚合;聚异丁烯则通过改变聚合温度和催化剂的加量控制分子量的大小;乙丙共聚物也可以通过聚合控制直接得到产品,免去降解处理过程。

(3)聚合物分子结构的改进

为了使粘度指数改进剂同时具备良好的增稠能力和剪切稳定性,可通过对其分子结构进行改变来实现这一目的。如乙丙共聚物,通过乙烯和丙烯的嵌段共聚就可以提高其抗剪切性,但这种分子结构的产品油溶性较差,此外,因其分子结构类似于石蜡结晶体,使用还会使油品的凝点升高,因此有待于做进一步的改进[5]。

2.2.2 功能多样化[6]

除了增粘和粘度指数的提高,粘度指数改进剂还可以通过化学改性使其具备更多的功能,如清净分散、抗氧及降凝等,这方面的研究工作十分活跃,有关报导层出不穷。由于粘度指数改进剂是多级油中添加较多的一种添加剂,如果再具备某种性能,就可以增进多级油的这种性能,或者降低相关功能添加剂的加量而减少其负面影响。例如,无灰分散剂是发动机油中不可缺少的,而目前无灰分散剂主要采用聚异丁烯基丁二酰亚胺,这种分散剂的加入会影响油品的低温流动性,如果使用分散型粘度指数改进剂调制发动机油,就可以减少无灰分散剂的用量,减少对油品低温流动性的影响。

分散型粘度指数改进剂是使用最多的多效添加剂,一般采用乙丙共聚物与马来酸酐进行接枝反应,然后再与含氮化合物反应制得。这种添加剂的开发曾被列为我国“七五”攻关项目,目前在高档多级发动机油的调制中发挥了重要作用。

聚甲基丙烯酸酯类粘度指数改进剂本身就具有降凝作用,特别是与 T803降凝剂一同使用还有协和增效作用,如果与具有分散作用的化合物进行共聚反应,就可以得到集增稠、降凝和分散三种功能于一体的粘度指数改进剂,对调制 5W甚至 0W的低温用油具有很好的帮助作用。

发动机油使用的抗氧剂主要是 T202、T203等ZDDP系列,应环保要求,现在的车辆都要求安装三元催化转化器,对发动机油的磷含量提出了严格的要求,而 ZDDP因磷含量较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数改进剂,就可以减少 ZDDP的用量,满足油品磷含量的要求。

一般情况,添加剂的加入量是随着发动机油质量档次的提高而增加,但添加剂加量的提高也会带来一些负面影响,如溶解困难、容易析出等,多功能粘度指数改进剂的使用可有效地减少相应功能剂的用量,或不增加其他功能剂的加量而提高油品的质量档次,在制备高档多级发动机油方面发挥着重要作用。

2.3 基础油的选用

除了添加剂,基础油的选用对多级油的调制也很重要,选用粘度指数较高的基础油,可以减少粘度指数改进剂的用量,从而提高油品的剪切安定性。基础油有矿物油与合成油两类,对于一般常用的粘度级别,如 10W-30、15W-40和 20W-50,使用精制矿物油加粘度指数改进剂即可满足要求,但对于适用温度范围较大的多级油,特别是低温用油,如0W-30,5W-30,5W-40或 5W-50等,普通精制矿物油就难以满足使用要求,必须部分甚至全部使用合成油才行。我国矿物基础油主要有石蜡基、中间基和环烷基三种类型,石蜡基油具有较高的粘度指数,通常在 90以上,适合于调制多级油;环烷基油因粘度指数低不适合调制发动机油;中间基油一般在70～90之间,通过添加适量的粘度指数改进剂也可以用来调制一般常用粘度级别的多级油。矿物油经过加氢异构化处理,可有效地提高粘度指数,得到满足APIⅢ类油的基础油,为调制多级油提供了质量更好且来源丰富的基础油。合成油具有更高的粘度指数、更好的低温流动性,其他性能也可以依靠人为设计而优于矿物油,用合成油调制多级油,可以少加甚至不加粘度指数改进剂,能够从根本上解决多级油剪切安定性差的问题。合成油使用较多的是聚α-烯烃油(APIⅣ类油),另外还有酯类油(APIⅤ类油),虽然合成油因成本较高而在使用中受到一定的制约,但随着发动机油质量档次的提高,矿物油在很多方面难以满足要求,因此对合成油的依赖越来越大,特别是在一些特殊用油场合,如南北两极地用油和赛车用油,全部用合成油制备。合成油的应用又有与矿物油混合使用(半合成)和全部使用(全合成)两种情况。

3 多级油的合理应用

适用温度范围是多级发动机油的首要技术性能,目前适用温度范围最宽的多级油粘度级别是 0W -50,可以在 -40～+50℃的温度范围内使用。虽然多级油的适用温度范围越大越好,但成本费用也会随之增大,因此要根据环境温度和车况条件,合理选用适当的粘度级别,才能做到既能够很好地保护车辆,又能够降低成本费用。

使用多级油,也可以根据季节的变化选用不同的粘度级别,如有的车辆,在春季、夏季和秋季使用15W-40粘度级别的机油,到了冬季,可改用 10W -30的机油,效果更好。

除了地区温度,发动机的工作条件也是选择机油粘度的重要依据。汽油机油主要用于轿车,发动机转速较高,使用低粘度油有利于节能,降低油耗,因此汽油机油的 SAE粘度很少有 50的,一般多为XW-30和 XW-40,目前韩国和日本还推出了 5W -20或 0W-20低粘度级别的机油,具有更好的低温流动性,而且节能效果显著。汽油机目前主要有两种代表类型,国产发动机也主要是参照或引进这两种类型。一种是美国和日本产类型,发动机输出功率与体积之比较小,一般选用 XW-30的粘度;另一种是欧洲产类型,发动机结构紧凑,尤其是带有涡轮增压的发动机,输出功率与体积之比较大,易导致局部温度过高,应使用粘度较高的机油,如 XW-40。柴油机有自然吸气式和涡轮增压式两种,涡轮增压式又有低增压和高增压之分。高增压主要为用于大型运输车辆的高功率柴油机,工作温度和压力很高,使用高粘度发动机油润滑效果较好,可使用20W-50和 15W-40的粘度级别;自然吸气式和低增压式柴油机主要用于中型、小型运输车辆,一般使用XW-30和 X W-40的粘度级别。此外,新车发动机和刚大修的发动机因活动间隙小,需要磨合,不宜使用高粘度的机油;当车辆行驶 20×104km以上时,发动机因磨损活动间隙增大,再使用低粘度机油油压就会偏低,使用粘度较高的机油不仅能保持机油压力,也有利于密封与润滑。发动机油的使用还有装车用油与服务用油的分别,在粘度的选用方面也有区别。因新车销往不同的地区,售出的季节也不固定,通常使用温度跨度较大的多级油,以满足不同地区不同气候条件的要求,如大众汽车公司,装车用油的粘度级别为 5W-40;而服务用油可根据行驶区域的气候条件选择合适的粘度级别。表 2中归纳了不同情况选用多级油粘度级别的方法,可供使用参考。

表 2 车辆工作条件和季节与多级油粘度级别的选用

续表

总之,应针对不同地区冬季的最低温度并结合发动机工况选则粘度级别,使用温度跨度较大的多级油,如 0W-30、5W-30和 5W-40等,主要在寒冷地区的冬季使用,而其他三个季节和非严寒地区的四季,就没有必要使用这种大跨度的多级油。如5W-30和 5W-40基本可以满足我国严寒地区的冬季使用,10W-30和 10W-40也能够满足我国一般寒冷地区(最低温度不低于 -25℃)的冬季使用。

4 多级油的发展趋势

多级油适用温度范围的扩大,主要是向低温方向延伸,而且在严寒气候条件下,多级发动机油的高温粘度也不宜太高,一般不超过 SAE 40,尽管有 0W -50和 5W-50这样的超大温度跨度,但很少使用。目前,有国外大石油公司推出了 15W-50粘度级别的多级油,较 20W-50粘度级别相比,有更低的使用温度,解决了大型、重载货车在冬季使用 15W-40多级油容易出现机油压力不足或使用 20W-50多级油又容易造成启动困难的问题。

多级油的普遍使用还面临着两方面的问题,一方面是发动机的新设计导致机油的使用温度越来越高,另一方面是为满足节能的要求,机油的粘度要求更低,这就容易造成发动机机油压力偏低、报警灯闪亮的问题。发动机转速、机油温度和机油粘度是影响机油压力的主要因素,多级油粘度指数改进剂的剪切安定性对机油压力有很大影响,剪切安定性越好,机油压力的衰减就越慢;基础油对机油压力也有很大关系,增加基础油粘度的贡献、适当控制粘度指数改进剂的用量,也有利于保持机油压力[7]。

多级油的配方结构也由矿物油加粘度指数改进剂向增加合成油加量、控制粘度指数改进剂用量方向发展,同时提高粘度指数改进剂的剪切安定性,可有效地降低多级油在使用过程中粘度的衰减。合成油的使用,还可进一步改进多级油的低温流动性,使发动机的低温冷启动更加容易,更好地保护发动机。

5 结论与建议

(1)多级油具有较宽的温度适用范围,实现了发动机油冬夏通用和南北通用的要求,避免了因气温变化而更换机油造成的麻烦,特别是在昼夜温差变化较大的地区(如沙漠地区),还有在春秋季节遇到气温突变的天气,使用多级油可以很好地应对,确保发动机的正常工作。

(2)多级油具有良好的低温流动性,能够确保发动机在低温条件下顺利启动,而且在启动时可迅速到达各润滑点,有效地降低发动机因启动而造成的磨损,延长发动机的使用寿命。

(3)使用多级油,能够保证发动机的平稳运转,还可以节省约3%的燃料。

(4)与单级油相比,多级油结焦倾向性小,清净性更好,可确保发动机气缸内的清洁。

(5)通过对粘度指数改进剂进行适度地降解处理,降低其分子量,以及适当地引用合成油,或使用高粘度指数的基础油,可减少粘度指数改进剂的用量,解决多级油剪切安定性较差的缺点。

(6)通过对粘度指数改进剂进行化学改性,赋予其更多的功能,可减少相应功能添加剂的用量,并有效地提高发动机油质量级别。

(7)粘度级别的选用,不仅要考虑气候条件,还要根据车况和发动机的工作特点来合理选用。

(8)多级油的适用温度范围越大,成本也越高,因此不宜盲目使用粘温跨度大的多级油。多级油适用温度范围的扩大,主要是向低温方向延伸,是根据严寒地区冬季的最低气温要求而发展的。

使用多级油,应注意以下问题。车辆在行驶过程中机油压力应保持在 0.2～0.4 MPa,因多级油的流动性较好,在压力不是很高的情况下也能够很好地循环流动,因此一般情况下使用多级油机油压力比使用单级油稍低,但只要保持在这个范围之内就可以使用。另外,使用多级油,发动机在怠速运转时油压报警灯有时会偶尔闪亮,但快速转动时又熄灭,这种情况也属正常,可以继续使用。使用多级油,发动机不宜超负荷运行,以免因剪切力过大造成机油粘度下降过快,导致机油压力偏低。

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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。

秦鹤年(1965-),男,高级工程师,1987年毕业于云南大学化学系,现在中国石油华北润滑油销售分公司从事润滑油销售技术服务工作,已公开发表论文 36篇。

1002-3119(2010)04-0006-06