燃油经济型柴油机油的研究进展

郭鹏，金鹏，汤仲平，张勤，赵正华，鲁天翔

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

近二十年来，日益严格的排放法规和油耗法规推动了重型柴油机的发展，重型柴油机的发展始终围绕动力性、经济性和排放性三大主题。在国内，重型商用车在物流运输中所占的比例逐年上升，用户需要动力强劲的柴油机以提高运输效率。同时，增加的燃料成本和控制运输费用的需求，进一步提高了对节能润滑油的需求。

1 国内燃油经济型柴油机油的进展

随着人们对环保的重视以及环保法规和油耗法规的日益严格，我国柴油机的发展迈入节能减排阶段。由中国汽车技术研究中心牵头起草的《重型商用车燃料消耗量限值》(第三阶段，征求意见稿)已经完成，确定以“2020年在2015年基础上燃料消耗量限值加严约15%”作为总体节能目标。第三阶段标准若实施，对我国环境保护、节能减排以及商用车行业发展都有重要的意义。

减少柴油发动机的燃料消耗，可以通过改进和改善发动机设计以及采用润滑油节能技术来实现，其中使用燃油经济型机油被认为是目前改善柴油发动机燃油消耗的最经济有效的手段[1]。燃油经济型机油要求油品能在各种条件下(温度、应力、剪切力)保持最佳黏度，能在边界润滑时具有优良的减摩性能。具体来说，燃油经济型机油的特点是：油品低黏度化、油品高黏度指数化和油品减摩性能最佳化[2]。随着我国油耗法规的不断严格以及柴油发动机技术的不断进步，对柴油机油的燃油经济性也提出新的要求，国内的主机厂如一汽、二汽、江淮汽车等在国Ⅵ发动机的开发过程中对润滑油的燃油经济性都提出了明确的要求。

随着国内对燃油经济型柴油机油的需求越来越多，一方面，低黏度级别(5W-30/10W-30)柴油机油的应用逐步增长；另一方面，燃油经济型柴油机油的开发也得到重视，一些具有燃油经济性的柴油机油配方被开发出来[3-7]。这些配方的主要特点是使用了不同的抗磨剂、减摩剂来使油品的减摩性能最佳化。

2 柴油机油燃油经济性的研究进展

2.1 运动黏度与燃油经济性

运动黏度是衡量发动机油油膜强度、流动性的重要指标之一，可以反映油品内摩擦力的大小。发动机油运动黏度越大，其油膜强度越高，流动性会变差，摩擦阻力也会随之增大，从而使油耗增加；反之，发动机油运动黏度越小，其流动性越好，摩擦阻力越小，从而降低油耗。由于燃料经济性改进潜力和OEM建议，人们对黏度较低牌号的润滑油也越来越感兴趣。近年来，多家重型柴油发动机制造商如底特律、康明斯、沃尔沃等也开始推荐使用10W-30黏度等级的润滑油[8]。而在日本，10W-30黏度级别的机油在重负荷发动机中已经广泛应用[9]，如图1所示。

图1 日本重型柴油发动机润滑油黏度等级分布

在重型卡车燃油经济性研究方面，沃尔沃发动机公司进行了较为详细的研究，专门建立一种可以测试发动机燃油经济性的方法——沃尔沃D12D燃油经济性发动机测试，不同黏度级别润滑油的燃油经济性测试结果如图2所示[10]。

图2 不同黏度润滑油的沃尔沃D12D燃油经济性测试结果

从图2的测试结果来看，不同黏度油品的燃油经济性优劣依次是5W-30>10W-30>15W-30>5W-40>10W-40>15W-40，其中5W-30黏度级别的燃油经济性最好，而15W-40黏度级别的燃油经济性最差。同时，当两个油品拥有一样的黏度级别时(如5W-30)，高温高剪切黏度越小，燃油经济性越好。

2.2 高温高剪切黏度与燃油经济性

高温高剪切黏度是油液在150 ℃时通过毛细管黏度测试得到的表观黏度，是以模拟内燃机气缸工作温度和高速剪切条件下做的测试。高温高剪切黏度通常被认为是多级发动机油在缸套活塞组和连杆轴承区域的真实黏度，对发动机燃油经济性有很大的影响。Van Dam等测试了有关高温高剪切黏度和燃油经济性的关系[11]，如图3所示。从图3的测试结果可以看出，油品的高温高剪切黏度越小，其燃油经济性越好，二者的相关系数R2为0.78。在另一组测试中，将新油进行90次循环的柴油喷嘴剪切后，再测试其燃油经济性和高温高剪切黏度的关系，结果如图4所示。从图4的结果可以看到，油品经过90次循环剪切后的高温高剪切黏度越小，其燃油经济性越好，且二者的相关系数R2达到0.92。

图3 燃油经济性与高温高剪切黏度的关系

图4 90次循环剪切后的高温高剪切黏度

Wim等利用康明斯ISB发动机进行油品的燃油经济性测试，考察了高温高剪切黏度范围在2.7～4.2 mPa·s之间的润滑油燃油经济性，测试结果见图5。 从图5的WHTC测试结果看出，发动机的燃油消耗与润滑油的高温高剪切黏度成线性关系，当高温高剪切黏度从4.1 mPa·s下降到3.7 mPa·s时，燃油消耗从大约244.5 g/kW·h下降到大约243 g/kW·h[8]。

图5 康明斯ISB发动机WHTC测试燃油消耗

2.3 摩擦改进剂与燃油经济性

摩擦改进剂是一类用于提高发动机燃油经济性的润滑油添加剂，在开发燃油经济型乘用车润滑油时的作用明显，摩擦改进剂在重型柴油机中的应用也越来越受到重视。Wim等利用沃尔沃D12D 燃油经济性发动机进行测试，考察了摩擦改进剂对燃油经济性的影响，结果见表1。试验油的黏度完全一样，排除了黏度对摩擦性能的相关影响，所有试验油的高温高剪切黏度大于3.5 mPa·s。从表1的试验结果可以看出，摩擦改进剂A具有最好的燃油经济性，其他两种摩擦改进剂C和D也有明显的效果，摩擦改进剂B没有显示出任何影响。试验结果说明，摩擦改进剂在改善柴油机油燃油经济性方面的作用是明显的[12]。

表1 摩擦改进剂的沃尔沃D12D燃油经济性测试结果

Kenji[13]等考察了氨基甲酸钼减摩剂对车辆燃油经济性的影响，行车试验车辆选用城市运输卡车，试验车辆参数和试验条件见表 2，燃油经济性测试结果如图6所示。从图6的试验结果可以看出，含MoDTC减摩剂机油车辆的平均燃油经济性为5.81 km/L，较不含MoDTC减摩剂车辆的燃油经济性提高了约1.9%。

表2 燃油经济性测试车辆参数和试验条件

图6 城市行车测试燃油经济性试验结果

Wim等用康明斯ISB 发动机燃油经济性测试对4种市售15W-40黏度级别的润滑油和4种5W-30黏度级别的润滑油进行对比研究，结果如图7所示[8]。图7的测试结果显示，通过降低黏度及添加摩擦改进剂可以提高燃油经济性。在WHTC发动机循环测试中，含摩擦改进剂的5W-30级别润滑油比15W-40级别润滑油平均节油5 g/kW·h，相当于2.0%的燃油经济性改善。

图7 康明斯ISB发动机WHTC循环测试结果

2.4 黏度指数改进剂与燃油经济性

黏度指数改进剂是一种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、提高油品黏度指数、降低燃油消耗及提高低温启动性的作用，因其结构或分子量不同，对油品燃油经济性的改善也不同。

Klaus等利用OM364A台架测试方法对不同结构的黏度指数改进剂的燃油经济性进行考察[14]，测试油品的性能及对应黏度指数改进剂的类型见表3，OM364A台架试验结果如图8所示。从图8的试验结果可以看出，使用星形黏度指数改进剂和分散型PAMA黏度指数改进剂的油样都比非分散型OCP黏度指数改进剂的油样具有更好的燃油经济性，特别是将星形黏度指数改进剂与分散型的PAMA复配后，其燃油经济性最好(2.1%)。油样E与参比油有相同的黏度指数改进剂和加剂量，其燃油经济性提高了0.4%，这是因为油样E具有的运动低黏度。

表3 OM364A台架试验油品性能参数

图8 OM364A发动机燃油经济性测试结果

J. Fan等研究了含官能团的聚甲基丙烯酸酯对油品摩擦学性能的影响[15]，利用含不同官能团的甲基丙烯酸酯单体，如图9所示，以均聚和嵌段共聚制备了不同结构的聚甲基丙烯酸酯，通过MTM等仪器考察其对油品摩擦学性能的影响，试验结果如图10所示。从图10的试验结果可以看出，利用MoEMA和DMAEMA两种单体制备的嵌段共聚型黏度指数改进剂能够明显降低油品的摩擦系数。可能的原因是含官能团的甲基丙烯酸酯嵌段共聚物带有基于N和O的极性基团，能够形成厚的减摩边界膜，可以有效地降低边界的摩擦。

图9 不同官能团的甲基丙烯酸酯单体

图10 不同结构聚甲基丙烯酸酯黏度指数改进剂的

3 结束语

随着我国油耗法规的日益严格，对柴油机油的燃油经济性提出了更高的要求，燃油经济型柴油机油的研制开发也日益得到重视。国内诸多OEM在国Ⅵ柴油机油的开发过程中，对油品的燃油经济性也提出了明确的指标要求。

目前的研究表明，影响柴油机油燃油经济性的因素是多方面的，可以通过降低油品黏度和高温高剪切黏度来提高燃油经济性，也可通过添加特定的摩擦改进剂、黏度指数改进剂来改善油品的燃油经济性。

总之，燃油经济型柴油机油在提高柴油发动机燃油经济性方面的效果是显而易见的。随着研究的不断深入开展，相信在不久的将来，燃油经济型柴油机油在我国会得到广泛推广和应用。