燃油經(jīng)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(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近二十年來，日益嚴格的排放法規(guī)和油耗法規(guī)推動了重型柴油機的發(fā)展，重型柴油機的發(fā)展始終圍繞動力性、經(jīng)濟性和排放性三大主題。在國內(nèi)，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(jié)能潤滑油的需求。

1 國內(nèi)燃油經(jīng)濟型柴油機油的進展

隨著人們對環(huán)保的重視以及環(huán)保法規(guī)和油耗法規(guī)的日益嚴格，我國柴油機的發(fā)展邁入節(jié)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(jīng)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(jié)能目標。第三階段標準若實施，對我國環(huán)境保護、節(jié)能減排以及商用車行業(yè)發(fā)展都有重要的意義。

減少柴油發(fā)動機的燃料消耗，可以通過改進和改善發(fā)動機設計以及采用潤滑油節(jié)能技術來實現(xiàn)，其中使用燃油經(jīng)濟型機油被認為是目前改善柴油發(fā)動機燃油消耗的最經(jīng)濟有效的手段[1]。燃油經(jīng)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(yōu)良的減摩性能。具體來說，燃油經(jīng)濟型機油的特點是：油品低黏度化、油品高黏度指數(shù)化和油品減摩性能最佳化[2]。隨著我國油耗法規(guī)的不斷嚴格以及柴油發(fā)動機技術的不斷進步，對柴油機油的燃油經(jīng)濟性也提出新的要求，國內(nèi)的主機廠如一汽、二汽、江淮汽車等在國Ⅵ發(fā)動機的開發(fā)過程中對潤滑油的燃油經(jīng)濟性都提出了明確的要求。

隨著國內(nèi)對燃油經(jīng)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(jīng)濟型柴油機油的開發(fā)也得到重視，一些具有燃油經(jīng)濟性的柴油機油配方被開發(fā)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(jīng)濟性的研究進展

2.1 運動黏度與燃油經(jīng)濟性

運動黏度是衡量發(fā)動機油油膜強度、流動性的重要指標之一，可以反映油品內(nèi)摩擦力的大小。發(fā)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(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)動機中已經(jīng)廣泛應用[9]，如圖1所示。

圖1 日本重型柴油發(fā)動機潤滑油黏度等級分布

在重型卡車燃油經(jīng)濟性研究方面，沃爾沃發(fā)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(fā)動機燃油經(jīng)濟性的方法——沃爾沃D12D燃油經(jīng)濟性發(fā)動機測試，不同黏度級別潤滑油的燃油經(jīng)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(jīng)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(jīng)濟性優(yōu)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(jīng)濟性最好，而15W-40黏度級別的燃油經(jīng)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(jīng)濟性越好。

2.2 高溫高剪切黏度與燃油經(jīng)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(nèi)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(fā)動機油在缸套活塞組和連桿軸承區(qū)域的真實黏度，對發(fā)動機燃油經(jīng)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(jīng)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(jīng)濟性越好，二者的相關系數(shù)R2為0.78。在另一組測試中，將新油進行90次循環(huán)的柴油噴嘴剪切后，再測試其燃油經(jīng)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(jīng)過90次循環(huán)剪切后的高溫高剪切黏度越小，其燃油經(jīng)濟性越好，且二者的相關系數(shù)R2達到0.92。

圖3 燃油經(jīng)濟性與高溫高剪切黏度的關系

圖4 90次循環(huán)剪切后的高溫高剪切黏度

Wim等利用康明斯ISB發(fā)動機進行油品的燃油經(jīng)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(jīng)濟性，測試結果見圖5。 從圖5的WHTC測試結果看出，發(fā)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(fā)動機WHTC測試燃油消耗

2.3 摩擦改進劑與燃油經(jīng)濟性

摩擦改進劑是一類用于提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的潤滑油添加劑，在開發(fā)燃油經(jīng)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(jīng)濟性發(fā)動機進行測試，考察了摩擦改進劑對燃油經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(shù)和試驗條件見表 2，燃油經(jīng)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(jīng)濟性為5.81 km/L，較不含MoDTC減摩劑車輛的燃油經(jīng)濟性提高了約1.9%。

表2 燃油經(jīng)濟性測試車輛參數(shù)和試驗條件

圖6 城市行車測試燃油經(jīng)濟性試驗結果

Wim等用康明斯ISB 發(fā)動機燃油經(jīng)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(jīng)濟性。在WHTC發(fā)動機循環(huán)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(jié)油5 g/kW·h，相當于2.0%的燃油經(jīng)濟性改善。

圖7 康明斯ISB發(fā)動機WHTC循環(huán)測試結果

2.4 黏度指數(shù)改進劑與燃油經(jīng)濟性

黏度指數(shù)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(shù)、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(jīng)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(shù)改進劑的燃油經(jīng)濟性進行考察[14]，測試油品的性能及對應黏度指數(shù)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(shù)改進劑和分散型PAMA黏度指數(shù)改進劑的油樣都比非分散型OCP黏度指數(shù)改進劑的油樣具有更好的燃油經(jīng)濟性，特別是將星形黏度指數(shù)改進劑與分散型的PAMA復配后，其燃油經(jīng)濟性最好(2.1%)。油樣E與參比油有相同的黏度指數(shù)改進劑和加劑量，其燃油經(jīng)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(shù)

圖8 OM364A發(fā)動機燃油經(jīng)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(shù)改進劑能夠明顯降低油品的摩擦系數(shù)?？赡艿脑蚴呛倌軋F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(shù)改進劑的

3 結束語

隨著我國油耗法規(guī)的日益嚴格，對柴油機油的燃油經(jīng)濟性提出了更高的要求，燃油經(jīng)濟型柴油機油的研制開發(fā)也日益得到重視。國內(nèi)諸多OEM在國Ⅵ柴油機油的開發(fā)過程中，對油品的燃油經(jīng)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(jīng)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(jīng)濟性，也可通過添加特定的摩擦改進劑、黏度指數(shù)改進劑來改善油品的燃油經(jīng)濟性。

總之，燃油經(jīng)濟型柴油機油在提高柴油發(fā)動機燃油經(jīng)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(jīng)濟型柴油機油在我國會得到廣泛推廣和應用。