燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)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(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

在全球市場(chǎng)，自動(dòng)擋乘用車市場(chǎng)越來(lái)越廣。AT在北美市場(chǎng)占有主導(dǎo)地位，CVT在日本市場(chǎng)占據(jù)主流，DCT出現(xiàn)后也逐漸改變了歐洲市場(chǎng)手動(dòng)變速箱的主導(dǎo)地位。在中國(guó)市場(chǎng)，自動(dòng)變速箱一直是國(guó)產(chǎn)汽車廠商的軟肋。近年來(lái)，為了改變自動(dòng)變速箱受制于人的狀況，諸多廠商都在不斷投入對(duì)自動(dòng)變速箱的研發(fā)，三種類型的自動(dòng)變速箱都處在爆發(fā)發(fā)展的前期。

自動(dòng)傳動(dòng)液是自動(dòng)變速箱傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，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(lái)，全球?qū)?jié)能環(huán)保的追求也對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液的組成和性能產(chǎn)生了影響。自動(dòng)傳動(dòng)液不斷朝低黏度發(fā)展，新式ATF的低黏度不但可以為汽車節(jié)能做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也讓其具備更好的低溫特性和剪切安定性。同時(shí)根據(jù)評(píng)測(cè)，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(fā)展趨勢(shì)，以及其對(duì)組分中基礎(chǔ)油和黏度指數(shù)改進(jìn)劑選擇的影響。

1 燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液黏度和低溫性能的影響

自動(dòng)傳動(dòng)液產(chǎn)品和規(guī)格對(duì)黏溫性能和低溫性能的要求主要表現(xiàn)在100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度、黏度指數(shù)和-40 ℃布氏黏度。

以最有影響力的通用Dexron ATF 規(guī)格為例，自從電控自動(dòng)變速箱問(wèn)世后，1990年通用公司頒布了Dexron ⅡE規(guī)格，要求100 ℃運(yùn)動(dòng)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(guī)格，對(duì)黏度和-40 ℃的低溫性能要求沒有變化。

此后十年中，這個(gè)要求成為汽車AT自動(dòng)傳動(dòng)液的基本性能。直到2006年，通用公司發(fā)布Dexron Ⅵ規(guī)格，對(duì)黏度要求變成100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度不大于6.4 mm2/s，-40 ℃布氏黏度不大于15000 mPa·s。自動(dòng)傳動(dòng)液降低黏度對(duì)節(jié)能的作用日益引起全球市場(chǎng)的重視，在節(jié)能方面一向重視和敏感的日本廠商這次走在了美國(guó)的前面。2010年以后，日本豐田WS ATF 100 ℃黏度已經(jīng)下降到5.5 mm2/s左右。

不僅AT自動(dòng)傳動(dòng)液黏度降低，低溫性能提升。無(wú)級(jí)變速箱CVT用油也是如此，2012年以前，市場(chǎng)主要CVTF 100 ℃運(yùn)動(dòng)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(chǎn)品更新?lián)Q代，100 ℃運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的。DCT對(duì)油品的抗磨性能要求更高，市場(chǎng)主流DCTF 100 ℃運(yùn)動(dòng)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(jié)能環(huán)保和變速箱設(shè)計(jì)對(duì)油品低溫性能要求的提高，目前國(guó)內(nèi)廠商對(duì)DCTF也有降低黏度的需求。見表1。

表1 市場(chǎng)主要自動(dòng)傳動(dòng)液的黏度發(fā)展趨勢(shì)

總體來(lái)說(shuō)，燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液低黏化發(fā)展推進(jìn)非常明顯，同時(shí)由于黏度的降低，同樣使用Ⅲ類基礎(chǔ)油，自動(dòng)傳動(dòng)液的低溫性能也得到了顯著的提高。

2 油品低黏化對(duì)基礎(chǔ)油選擇的影響

自從ATF ⅡE規(guī)格推廣后，通常情況下自動(dòng)傳動(dòng)液會(huì)選用Ⅱ、Ⅲ類以上基礎(chǔ)油，基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度在4.0 mm2/s左右。為了調(diào)整油品的低溫性能，讓油品在低溫條件中不會(huì)因?yàn)槭灲Y(jié)晶而導(dǎo)致ATF固化，一般會(huì)加入降凝劑和黏度指數(shù)改進(jìn)劑控制結(jié)晶的影響。

GM Dexron Ⅲ要求100℃運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)黏度在4.0 mm2/s的Ⅲ類基礎(chǔ)油和甲基丙烯酸脂類型黏度指數(shù)改進(jìn)劑設(shè)計(jì)產(chǎn)品，基本可以滿足其對(duì)低溫性能的要求。

但是隨著變速箱設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能環(huán)保以及對(duì)舒適性的要求。在以 GM Dexron Ⅵ規(guī)格為標(biāo)志性的產(chǎn)品升級(jí)中，自動(dòng)傳動(dòng)液除了降低了黏度，對(duì)低溫性能要求進(jìn)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?zhàn)蛹羟泻笥推?00 ℃運(yùn)動(dòng)黏度下降不得大于10%。

此時(shí)，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在4.0 mm2/s左右的Ⅲ類基礎(chǔ)油在調(diào)節(jié)油品低溫性能的能力上就顯得不足了。在這種情況下，自動(dòng)傳動(dòng)液在基礎(chǔ)油的選擇上出現(xiàn)了一些變化。運(yùn)動(dòng)黏度為2.0 mm2/s的Ⅱ類基礎(chǔ)油逐漸被應(yīng)用到油品中，增加更多的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，以調(diào)節(jié)油品的低溫性能。

自動(dòng)變速箱換油周期很長(zhǎng)，設(shè)計(jì)換油里程基本在10萬(wàn)公里以上。低黏度基礎(chǔ)油使用后，自動(dòng)傳動(dòng)液中輕組分含量過(guò)多可能導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間高溫使用環(huán)境中蒸發(fā)損失過(guò)大，從而影響油品的低溫性能。

為了規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，隨后自動(dòng)傳動(dòng)液產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求中出現(xiàn)了蒸發(fā)損失要求，甚至有對(duì)蒸發(fā)損失后布氏黏度變化值技術(shù)指標(biāo)的要求。這樣逐漸限制了低黏度基礎(chǔ)油的使用。為了達(dá)到油品規(guī)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(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，2005年以后，運(yùn)動(dòng)黏度在3.0 mm2/s左右基礎(chǔ)油開始出現(xiàn)。新的基礎(chǔ)油資源幾乎是專門應(yīng)對(duì)傳動(dòng)油對(duì)低溫性能穩(wěn)定要求產(chǎn)生的。它很好地滿足了自動(dòng)傳動(dòng)液對(duì)低溫性能要求，并能夠保證產(chǎn)品在長(zhǎng)周期使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。

迄今為止，運(yùn)動(dòng)黏度在3.0 mm2/s已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)傳動(dòng)液中。

表2列出了世面上幾種ATF蒸發(fā)損失和低溫性能的測(cè)試數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯宛ざ華TF幾乎表現(xiàn)出相同的蒸發(fā)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(cè)試結(jié)果

3 油品低黏化對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑選擇的影響

除了給基礎(chǔ)油市場(chǎng)帶來(lái)變化，自動(dòng)傳動(dòng)液性能的提高對(duì)油品中黏度指數(shù)改進(jìn)劑的選擇也帶來(lái)了很大的影響。

在GM Dexron Ⅲ之前的規(guī)格中，并沒有對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切性能提出要求。高分子的黏度指數(shù)改進(jìn)劑在油品中大量應(yīng)用，造成油品在變速箱內(nèi)應(yīng)用長(zhǎng)時(shí)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(wěn)定性造成影響。

2006年通用公司頒布GM Dexron Ⅵ規(guī)格規(guī)格后，對(duì)油品隨著剪切黏度的下降提出要求，要求油品20 h圓錐輥?zhàn)蛹羟泻箴ざ认陆德什淮笥?0%，剪切后黏度5.5 mm2/s。

新的技術(shù)要求對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的性能做出嚴(yán)格的限定。為了保證變速箱運(yùn)行的穩(wěn)定，日本在后來(lái)的自動(dòng)傳動(dòng)液的低黏度化中，對(duì)剪切性能的要求更加苛刻，要求20 h圓錐輥?zhàn)蛹羟泻笥推?00 ℃運(yùn)動(dòng)黏度下降不得大于5%。部分產(chǎn)品剪切測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

苛刻的剪切安定性對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液中的高分子黏度指數(shù)改進(jìn)劑成為一種挑戰(zhàn)。低黏度的ATF中需要加入的黏度指數(shù)改進(jìn)劑相對(duì)較少，相對(duì)更容易解決這個(gè)問(wèn)題。2010年之后中國(guó)市場(chǎng)興起的雙離合器自動(dòng)變速箱油開發(fā)中，出于對(duì)齒輪的保護(hù)要求油品黏度在7.0 mm2/s左右，同時(shí)要具備嚴(yán)苛的剪切安定性要求，這導(dǎo)致部分油公司在油品開發(fā)過(guò)程中選用了兩種不同類型的黏度指數(shù)改進(jìn)劑。一種分子量較大的黏度指數(shù)改進(jìn)劑起增黏作用，另一種黏度指數(shù)改進(jìn)劑分子量較小，抗剪切性能非常好。

圖1為市場(chǎng)兩種雙離合器傳動(dòng)油GRC測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)合LS和DRI數(shù)據(jù)可以看出，DCTF-A 采用了一種黏度指數(shù)改進(jìn)劑，DCTF-B則采用了兩種不同的黏度指數(shù)改進(jìn)劑。又測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 兩種DCTF GPC測(cè)試數(shù)據(jù)

從表3數(shù)據(jù)可以看出，兩種油品黏度相當(dāng)，低溫性能也相當(dāng)。DCTF-A蒸發(fā)損失較低，說(shuō)明基礎(chǔ)油采用較少的輕組分，可能需要更小改進(jìn)黏度要求，但實(shí)際測(cè)試剪切后黏度下降率卻更大。與圖1 GPC測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，與其采用了一種黏度指數(shù)改進(jìn)劑不無(wú)關(guān)系。

新一代的雙離合器變速箱同樣因?yàn)槿加徒?jīng)濟(jì)性的原因，對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)品提出低黏度化的要求。就目前市場(chǎng)產(chǎn)品開發(fā)來(lái)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(wàn)公里以上，參照ATF的要求，為了保證變速箱穩(wěn)定工作，低黏度DCTF KRL剪切黏度下降率要控制在5%左右。

4 結(jié)論

全球市場(chǎng)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的追求引發(fā)了自動(dòng)傳動(dòng)油朝低黏度方向發(fā)展。在這個(gè)趨勢(shì)中，對(duì)油品的低溫性能和剪切穩(wěn)定性能要求也越來(lái)越高。

為了提高油品低溫性能，同時(shí)保證長(zhǎng)周期使用過(guò)程中油品性能的穩(wěn)定，出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)黏度為3.0 mm2/s的Ⅱ類基礎(chǔ)油替代了原來(lái)的加氫基礎(chǔ)油，并很快在傳動(dòng)油中大范圍得以應(yīng)用。

與此同時(shí)，自動(dòng)傳動(dòng)液對(duì)剪切性能要求的提高對(duì)高分子黏度指數(shù)改進(jìn)劑的使用變得苛刻，甚至出現(xiàn)使用兩種不同的黏度指數(shù)改進(jìn)劑的情況。