全合成汽油机油SP/GF-6A C5 0W-20 技术配方的研究

高君保, 陈炳耀,2,3, 杨善杰, 苏 俊

(1 广东三和控股有限公司, 广东 中山 528429;2 广东三和化工科技有限公司, 广东 中山 528429; 3 广东阜和实业有限公司, 广东 中山 528429)

在 “碳达峰、 碳中和” 的共识下, 绿色环保技术的研发将越来越重要[1]。 汽车尾气排放、 节能要求及发动机硬件技术的不断升级更新, 推动着汽车发动机油技术配方的不断更新升级。 发动机油逐渐向低粘度发展, 近几年包括宝马、 奔驰、 沃尔沃等很多欧系车都推荐0W-20 的初装油, 节能环保已经成为推动经济发展的一个趋势[2]。

2020 年5 月1 日起, 最新的ILSAC 乘用车机油标准GF-6A和GF-6B 以及API 最高的质量等级 API SP 开始进行首批认证[3]。 国内外的润滑油生产商也陆续推出满足国Ⅵ排放标准的SP 质量级别的汽机油。 GF-6A 生效之日, 将替代GF-5 及以下标准。 GF-6B 由于不能兼容以前的老标准, 只推荐用于使用0W-16 的新车, 目前主要是日系车。 GF-6A 和GF-6B 技术规格对比如表1 所示。

表1 GF-6A 和GF-6B 技术规格对比Table 1 Comparison of technical specifications of GF-6A and GF-6B

2020 年7 月1 日, 中国史上最严格的排放标准开始实施,国Ⅵ对新车执行更严格的排放标准, 比现在的欧Ⅵ排放标准还严格, 各大汽车生产商也新增了很多技术路线和新的发动机硬件来应对此次新规。 国Ⅵ又分为国ⅥA 和国ⅥB 两个阶段, 国ⅥA 是国Ⅴ到国ⅥB 的一个过渡期, 国ⅥB 才是真正意义上的国Ⅵ, 将在2023 年7 月1 日起开始实施[4]。 小排量涡轮增压、直喷技术、 GPF、 混合动力、 节能环保等将是未来乘用车发动机的一个发展趋势, 国Ⅵ发动机对汽机油的要求更加高, 在防止TGDI 直喷技术导致的低速早燃(LSPI)现象, 以及抑制燃烧室及喷油嘴周围的油泥和积碳堆积都有特殊的要求[5]。

1 实 验

1.1 性能指标

SP/GF-6A C5 0W-20 是针对国Ⅵ发动机研发的一款中灰欧系汽油发动机油, 产品要满足AECE-2016 C5 和API SP/ILSAC GF-6A 技术规格, 并且对硫、 磷及硫酸盐灰分作了严格的限制, 150 ℃HTHS 粘度在2.6 ~2.9 之间, 具有优异的节能效果, 推荐用于带尾气后处理装置GPF 的国Ⅵ车。 SP/GF-6A C5 0W-20 须满足的理化指标见表2。

表2 SP/GF-6A C5 0W-20 的质量指标Table 2 Quality index of SP/GF-6A C5 0W-20

1.2 基础油的选择

发动机油中85% ~90%的成分为基础油, 所以基础油的性能影响着发动机油的整体性能。 API 分类为目前国内外通用的基础油分类, 我国跟国外大多数的溶剂精制基础油为Ⅰ类油,此类油一般密度比较大, 低温流动性较差, 杂质含量也较高,颜色也较深。 通过加氢精制、 酮苯脱蜡路线生产出来的基础油为Ⅱ类基础油。 加氢异构化脱蜡生产出来的为Ⅲ类基础油, 由于Ⅲ类基础油主要为异构烷烃及低分子的烷烃, 蜡含量较少,所以黏温性能和低温性能较好[6]。 以上三类基础油都为矿物油, 对添加剂的感受性较好。 Ⅳ类和Ⅴ类属于合成型基础油,Ⅳ类基础油主要是聚a-烯烃, Ⅴ类基础油是合成酯类, Ⅳ类和Ⅴ类基础油有着优异的低温流动性、 高温抗氧性及抗剪切应力, 价格比矿物油高很多[7]。 GTL 基础油[8]的主要成分是异构烷烃, 目前也广泛用于发动机油的调配中, 它的性能介于Ⅲ类和Ⅳ类基础油之间, 跟合成基础油一样有着较高的粘度指数及较好黏温性能, 不过低温性能及高温抗氧性还是不如聚a-烯烃, 但是在价格上比聚a-烯烃有优势。 Ⅲ类基础油(阿布扎比)、 GTL 基础油(壳牌)及聚a-烯烃(雪佛龙)的性能参数如表3 所示。

表3 Ⅲ类基础油、 GTL 基础油及PAO 基础油的性能参数 (实测)Table 3 Performance parameters of Ⅲ type base oil, GTL base oil and PAO base oil

1.3 添加剂的选择

一个好的发动机油产品, 不仅需要性能优异的基础油, 对功能添加剂的选择同样很重要。 添加剂的功能是加强基础油已有的性能或新增一些其它的性能[9]。 如今各种功能添加剂单剂较少使用, 一般使用复合添加剂。

粘度指数改进剂, 用来提升机油的粘度指数, 从而减小温度变化对机油粘度的影响, 改善机油黏温性。 黏度指数改进剂目前比较常用的是聚异丁烯(PIB)、 乙丙烯共聚物(OCP)、 聚甲基丙烯酸酯(PMA)、 苯乙烯双烯共聚物(HSD), 他们各有各的特点, 可以根据性能和成本适当选用。

PIB 黏度指数改进剂的热氧化安定性和剪切安定性优异,但是低温性能差, 主要用在低温性能要求不高的齿轮油中。OCP 黏度指数改进剂是油溶性共聚物, 增稠效率高成本低, 是目前主流的黏度指数改进剂。 HSD 黏度指数改进剂热稳定性好, 剪切安定性好, 低温流动性差, 与乙丙烯共聚物类似, 但是增稠效率比乙丙烯共聚物高[10]。

PMA 黏度指数改进剂在第二次世界大战中大规模被用于航空液压油, 由于航空液压油对温度和时间的要求非常苛刻, 而PMA 在低温下对润滑油粘度的增稠效果不大, 但是在高温下对润滑油粘度的增稠效果特别好, 换句话来说, 就是可以极大改善润滑油的黏温性能, 刚好弥补了航空液压油的缺陷。 目前PMA 黏度指数改进剂主要用在对低温流动性要求较高、 要求有较高的粘度指数及对剪切稳定性要求较高的自动传动液、 多级齿轮油、 液压油及多级发动机机油中[11]。 目前主要的生产商是润英联、 路博润及罗曼克斯等。

本次SP/GF-6A C5 0W-20 级别的发动机油, 主要体现在高效节能、 低排放、 低温流动性、 黏温性能、 清净分散性、 氧化安定性及抗磨性能优异, 在提升正时链条磨损保护的同时,防止发生低速早燃。 考虑到成本及性能, 在基础油的选择上,使用III 类基础油100N(AD4CST-100N, 阿布扎比)、 聚a-烯烃(PAO4, 雪佛龙)、 ZX-109(己二酸二异十三酯, INOLEX)和聚酯(KL23000, 意特麦琪)之间的互相组合。 复合剂选用OLOA@ 54720 (雪佛龙奥伦耐), PMA 黏度指数改进剂(VISCOPLEX@ 3-510, 曼克斯罗)及降凝剂(VISCOPLEX@ 1-248, 曼克斯罗)。 可以满足 ACEA C5-16、 API SP/SN Plus/SN、ILSAC GF-6、 Opel OV0401547 及 MB 229.71 等 OEM 认证。

1.4 SP/GF-6A C5 0W-20 发动机油的调配工艺

按配方重量份配比, 将III 类基础油150N、 聚a-烯烃及合成酯基础油投入反应釜中, 搅拌、 升温加热到55 ~65℃, 依次投入粘PMA 度指数改进剂、 无硫磷有机钼、 汽油机油复合剂、聚酯、 降凝剂, 保持55 ~65℃温度下继续搅拌2 小时至混合均匀, 即制得SP/GF-6A C5 0W-20 全合成汽油发动机油。

2 结果与讨论

经过前期的实验探究, 做配方小试, 在各项指标均满足GB11121-2006 的理化指标, 同时满足 API SP、 ILSAC GF-6A及ACEA-2016 C5 的理化指标。 按照配方设计的配比, 计划生产15000 kg, 给客户试用。 配方表如表4 所示。

表4 SP/GF-6A C5 0W-20 配方表Table 4 Formula table of SP/GF-6A C5 0W-20

按照上述1.4 的调配工艺生产, 并取样进行理化指标检测, 检测结果为表5 所示。

表5 通过车间生产的SP/GF-6A C5 0W-20 检测结果上看,各项理化指标均满足标准API SP/ILSAC GF-6A、 ACEA-2016 C5 及SAE J300。 油品的外观清亮透明, 其中粘度指数为194,处于较高水平。 粘度指数高的润滑油, 油品粘度越稳定, 粘度随工作环境温度变化越小, 同时PMA 粘度指数改进剂只加了3%,机油具有非常好的粘度保持能力; 倾点为-51 ℃, -40 ℃的低温泵送黏度低为16500 mPa·s, 低温动力粘度为4800 mPa·s, 说明此机油低温流动性优异, 在冷启动时, 润滑油能更容易泵送到发动机的各个零部件, 从从而起到润滑、 减少摩擦、 减低磨损的作用; 由于本配方满足ACEA-2016 C5, 是一个低硫磷、 低硫酸盐灰分的配方, 总碱值为7.9 mgKOH/g, 说明该机油具有优异的清净分散性, 对发动机的积碳、 油泥及漆膜有抑制和清洗作用; 高温高剪切黏度为2.7 mPa.s, 说明机油具有非常好燃油经济性; 蒸发损失只有5.8%, 说明此配方发动机油的挥发度较小, 在实际车况中机油消耗不大, 比较省机油。

表5 车间生产SP/GF-6A C5 0W-20 的检测结果Table 5 Test results of SP/GF-6A C5 0W-20 produced in workshop

研究表明, LSPI 发生频率=6.59×Ca% -(26.6×P%)-(5.12×Mo%), 说明Ca 元素的含量跟LSPI 的发生频率是成正比的, 跟P 元素及Mo 元素的含量成反比, 也就是说低Ca、 高P、 高Mo 的发动机油技术配方可以有效的降低LSPI 的发生频率[12]。 本配方Ca 元素的含量只有0.121%, P 元素含量满足ACEA-2016 C5 的质量指标, 配方中加入无硫磷有机钼, Mo 元素的含量较高, 可以有效降低LSPI 的发生频率。

3 发动机台架试验

本次车间生产的SP/GF-6A C5 0W-20 机油开展发动机台架试验, 结果如表6 所示。

表6 SP/GF-6A C5 0W-20 发动机台架试验结果Table 6 SP/GF-6A C5 0W-20 engine bench test results

由表6 的发动机台架试验可以看出, 油样具有优异的清净分散性, 可以有效控制油泥、 积碳及漆膜, 通过了ACEA-2016 C5 的台架试验的各项之指标。

4 结 论

(1)在配方设计上, 从基础油和功能添加剂性能特点, 作出了合理的选择。 采用PAO、 Ⅲ类基础油及酯类油这样的组合, 使发动机油具有优异的低温流动性、 低的挥发性, 对功能添加剂的兼容性和复配效果也非常好。 无硫磷有机钼赋予机油卓越的减摩抗磨性能, 有效降低摩擦系数和减少磨损, 实现节能降噪。 各项理化指标均满足AECE-2016 C5 和API SP/ILSAC GF-6A 技术规格, 推荐用在满足国Ⅵ排放标准各种欧系车上。

(2)SP/GF-6A C5 0W-20 汽机油通过了ACEA-2016 C5 的台架试验的各项之指标, 具有优异的清净分散性, 可以有效抑制发动机油泥、 积碳及漆膜的产生, 延长机油的换油周期及发动机的使用寿命。