汽车发动机的汽油机油

汽油机油汽油发动机是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油黏性小、蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入汽缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功，推动曲轴旋转。这种发动机具有转速高（一般可达到7000r/min）、质量小、噪音小、启动容易、制造成本低等特点，常用在轻型汽车、小型飞机和小型农业机械上。为了增大功率和减小震动，常把四个、六个或更多的汽缸组合在一起。汽油机油是用来润滑汽油发动机的缸壁与活塞，曲轴、连杆、凸轮轴与轴瓦，挺杆与摇臂等部位的润滑油。3.1汽油机油分类3.1.1美国汽油机油分类随着新汽车技术的不断涌现，对发动机润滑油也不断提出了新的要求。当前，对润滑油的要求主要包括：对发动机尾气排放控制系统的适应性，降低尾气排放；改善燃料经济性；延长发动机的保养周期。在国外，目前有两个汽油机油标准：一个是由美国石油学会(API)负责公布和审批的，以SX（X是由A开始往下排列的英文字母）序列安排标号的规格，例如APISA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH、SJ、SL、SM和SN等，其中SA-SH已经废除。另一个是由国际润滑油标准审核委员会(ILSAC)负责公布，由API代行审核，以GF-X序列标号的规格，如CF-l、CF-2、GF-3、GF-4、GF-5等。这是以美国和日本汽车制造为代表的国际通用汽油机油规格标准：ILSAC规格要求在达到API相应质量等级的基础上，对产品的节能环保性能提出了更为严格的要求。例如GF-4认证要求产品在达到APISM质量级别的基础上通过EC节能认证。汽油机油规格今后主要发展方向将是美国、日本协商提出的CF系列。在标准中的台架试验以美国台架为主，同时接纳了日本和欧洲部分台架。汽油发动机油的API和ILSAC变迁见表1-3-1。国外已公布的ILSACGF-5最新汽油机油标准，提出了更加严格的节能和排放要求。GF-5油有以下三方面优点：①与现有GF-4油相比，进一步提高润滑油的燃料经济性，同时在延长换油期的情况下，改善油品的燃油经济性保持能力；②提高油品在高温、高负荷操作条件下的耐用性，以改善发动机和活塞环清洁性，保持对硝化和氧化的控制；③化学排放限制，确保排放系统排出的化学物质符合严格的联邦和加利福尼亚排放法规。汽油机油的升级换代，是随汽车工业，特别是轿车工业的不断发展而发展的。为满足消费者对乘坐的舒适性、行驶的安全性、高速度与低油耗等的追求，同时达到政府对汽车排放和节能的要求，汽车设计必须不断进行改进，使汽油发动机的工作条件变得越来越苛刻。这就要求润滑油制造商相应地不断进行汽油机油的升级换代工作，汽油发动机的升级换代成为汽油机油升级换代的推动力。3.1.2国内汽油机油分类我国非等效采用美国汽车工程师协会标准SAEJ183-1991《发动机油性能及发动机使用分类》，制定了CB/T7631.3-1995《内燃机油分类》，其中汽油机油分为SC、SD、SE、SG、SH等级别。国内“第一届石油燃料和润滑剂分技术委员会（产品组）第八次会议”于2010年6月召开，修订了GB/T7631.3-1995《内燃机油分类》，废止SC、SD汽油机油品种，增加CF-l、SJ、GF-2、SL、CF-3、SM、GF-4、SN、GF-5等汽油机油品种。3.2汽油机油产品标准3.2.1美国汽油机油产品标准美国在1964-1993年30年时间内，汽油机油出现了SC、SD、SE、SF、SC、SH(GF-l)五个规格，变化频繁，升级换代速度很快。1993年，API在SG基础上提出了SH级油标准，以满足节能达到EC-Ⅱ水平（节能2.7%以上）的要求。1995年，API提出了SJ级油规格，ILSAC也提出了相当的GF-2规格，要求节能达到EC-Ⅲ水平（节能3.2%以上）。SL/GF-3规格在1996年提出，2000年6月颁布，2001年7月1日开始执行，2001年底强制执行。2004年1月，ILSAC发布了CF-4油品的最低性能要求。同年5月，API正式发布了GF-4的技术规格。SN/GF-5是目前国际上最新的汽油机油规格，与CF-4相比，具有更高的燃料经济性和燃料经济耐久性，并确保机油与车辆排放系统部件的相容性，满足日益严格的排放法规。CF-5汽油机油规格最早是ILSAC在2005年4月提出的。经过5年多的准备工作，2009年12月22日，GF-5汽油机油规格通过了API/ILSAC技术委员会的投票表决。美国一代发动机油新规格的执行（使用）时间通常为5年左右，所以目前美国在用的汽油机油规格就只有SM/GF-4和SN/GF-5两种。(I)SM汽油机油APISM与SL相比主要有以下几点不同：APISM改善了高温抗氧、清净性性能以及高温磨损性能，对磷进行了限制，并且和ILSACGF-4规格一样对燃油的经济性提出了要求。APISM汽油机油标准见表l-3-3。由于APISM与ILSACGF-4在性能上已越来越接近，为了保护发动机，要求磷含量不小于0.060-/0，而SL对磷含量没有要求；APISM和ILSACGF-4规格一样对燃油的经济性进行了规定，而APISL和过去的API“S”系列的油品一直对节能没有要求；APISM润滑油高温磨损性能的提高，是用程序ⅣA试验来评价，通过标准从SL规格的平均凸轮磨损不得超过120ym，在APISM规格中提高到不得超过90pm。此外，APISM用新发展的程序ⅢG试验替代了ⅢF试验，评价油品抗氧化、高温沉积物以及高温、高负荷下的磨损性能。(2)GF-4汽油机油2004年1月，ILSAC发布了CF-4油品的最低性能要求。同年5月，API正式发文公布了GF-4的技术规格（API1509第15版附录1），见表l-3-3。APISM和ILSACCF-4的主要区别是在磷含量、硫含量以及高温沉积物三项指标上。APISM对硫含量没有要求，而ILSACCF-4不同的黏度级别对硫含量提出了不同要求；APlSM要求磷含量不小于0.60-/0，ILSACGF-4磷含量要求在0.6%-0.8%之间；ILSACGF-4比APISM要水更高的高温清净性，体现在TEOST的限值上，GF-4要求不大于35mg，而APISM要求不大于45mg。尽管APISM与CF-4还有不同之处，但是APISM和ILSACCF-4比起以往的API和ILSAC规格，两者则逐渐趋于一致，SM和GF-4-样也要求具有节能的性质。APICF-4汽油机油标准见表1-3-4。3.3汽油机油组成3.3.1基础油现代汽油机油要求基础油具有特别好的氧化安定性和很高的黏度指数，以满足日益苛刻的使用性能要求。传统的溶剂精制基础油已难以满足这一要求。近年来，加氢裂化和石蜡加氢异构化工艺生产的高黏度指数的基础油（烷烃、环烷烃占90%以上）、聚a-烯烃合成油（近1000-/0的异构烷烃）逐渐获得广泛应用。美国石油学会(API)按饱和烃含量、硫含量和黏度指数不同，将基础油分为5类。在基础油方面，为了改善燃料经济性，要采用低黏度油和多级油；而为满足低排放要求和降低挥发损失，要采用加氢油和合成油。直接影响汽油机油，特别是大跨度多级汽油机油质量的，是基础油挥发性、低温启动性及抗氧化等性能。随着汽车改善燃料经济性、保护排放系统、降低油耗、延长换油期等要求的日益严格，对基础油的选取尤其重要。APII类基础油采用传统润滑油加工工艺（老三套）生产，饱和烃含量低，芳烃、硫、氮等含量高，氧化安定性和热安定性较差，无法满足生产高质量汽油机油的要求。APIⅡ、Ⅲ类基础油具有饱和烃含量高、硫含量低、黏度指数高以及挥发性、低温流动性、氧化安定性和热安定性好等特点，可以满足CF-2、CF-3汽油机油的要求。为了减少汽油机排气污染，其Noack蒸发损失要求不断下降，现代汽油机油GF-1(SH)、GF-2(SJ)和GF-3(SL)应分别达到25%、22%和15%以下，而APIⅡ类基础油IOON的Noack蒸发损失达30%，满足不了要求。另外，上述规格的汽油机油都有节省燃料的要求，需分别通过程序Ⅳ、ⅣA和ⅣB试验。基础油黏度指数越高，在程序ⅣA试验中节省的燃料越多。因此，API、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类基础油将在现代汽油机油中得到更多的应用。GF-4汽油机油对油品的排放、燃料经济性、低温流动性、氧化安定性和热安定性提出了更高的要求，必须选用具有低挥发性以及良好的低温流动性、黏温性及氧化安定性的优质润滑油基础油。GF-4对油品的低温性能提出了明确的要求，低温泵送黏度的分析结果必须满足本黏度级别或相邻（高5℃）高黏度级别的相应要求；而且GF-4对油品抗氧化能力的要求也更加苛刻，对燃料经济性的要求也有所提升。这些都要求提供高质量（高低温性能好）的润滑油基础油，要求使用较多的APIⅡ、Ⅲ类基础油。3.3.2添加剂在添加剂配方上，一方面为了防止催化剂中毒，要控制油品的硫、磷及灰分的含量，用量要减少。另一方面，添加剂品种要适应新排放要求，ZDDP用量减少，非硫磷抗氧、抗磨剂大幅度增加。由于增加了ⅢG台架试验后油的低温泵送性指标，黏度指数改进剂受到了限制，广泛使用的半结晶OCP无法调配CF-4油品。油品灰分的限制也给清净剂提出了新的课题，希望使用不含硫磷的清净剂。从添加剂的角度看，对复合添加剂的组成尤其是对抗氧化、抗磨损添加剂组成提出了更高的要求，对硫磷含量的进一步限制即对当前非常有效的二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)的用量提出了明确的限制，而CF-4对发动机抗氧化抗磨损性能的要求更加苛刻，使得添加剂公司要加大在抗氧化抗磨添加剂上的各种投入。如果当前不能有所突破，必然加大其他种类抗氧抗磨剂的剂量，进而增加添加剂的总含量。碱性高分子无灰分散剂、黏度指数改进剂和无灰抗氧剂、抗磨剂是现代汽油机油关键的添加剂组分。程序ⅡD汽油机锈蚀的产生与窜气中的酸性气体NO。和水分有重要关系。因此，BRT试验模拟这一原理，在48℃试油中通入空气和稀酸，测18h后浸入油中钢球未锈蚀光亮面积值(AGV)。ⅡD斌验通过锈蚀评分为8.5分，而BRT通过ACV值至少为100。低碱值清净剂的防锈蚀性能不如高碱值清净剂，而且随汽油机油的碱值升高，防锈蚀性能越好(AGV值增大)。在油碱值较低(TBN5.SmgKOH/g)情况下，磺酸盐防锈性能比酚盐好。由旋转氧弹改装，加入模拟窜气的复合催化剂的薄膜氧化试验(TFOUT)，与程序ⅢD试验达到375%黏度增长率的时间有较好的相关关系。用该试验研究丁二酰亚胺(TBN46mgKOH/g)、高碱性磺酸钙(TBN300mgKOH/g)和烷基ZDDP的相互作用。结果表明，在无ZDDP情况下，丁二酰亚胺有微弱的抗氧性，仅将低硫IION和高硫150N基础油TFOUP的诱导期由12min平均提高到14min左右；当加入1%ZDDP，诱导期达137-172min。继续增加磺酸钙，诱导期急剧缩短，表现出氧化剂的作用。在丁二酰亚胺一磺酸钙-ZDDP三组分系统中，三种添加剂之间相互作用中出现对抗现象，这可能是由于磺酸钙的强氧化剂性质或它与丁二酰亚胺的对抗作用所造成的。在汽油机油中，仅选择一种化学结构清净剂是不够的，还应增加一种抗氧性较好的清净剂，如酚钙或水杨酸钙，以削弱磺酸钙的氧化强化剂作用。为了通过VE试验，现代汽油机油的功能复合剂无灰分散剂含量达到400-/0-50%。随着分散剂加入量的增加，VE汽油机漆膜和油泥评分改善。碱性的高分子量(M=2000)无灰分散剂（D型）效果较好，中性或较低分子量(M=1000)的分散剂效果较差。在模拟程序VE油泥生成的NO，吹泡试验中，其他添加剂对低温油泥生成也有影响。清净剂以水杨酸钙最好，酚钙次之，磺酸钙最差；ZDDP顺序是：仲烷基／伯烷基仲烷基芳基；无灰抗氧剂顺序为：双酚叔丁基酚胺型；黏度指数改进剂为：分散型的PMAPMAOCP。汽油机磨损与ZDDP的化学结构有重要关系，四球试验表明，ZDDP热稳定性越差（分解温度低），越容易与摩擦面金属反应形成保护膜，凶此抗磨性越好。一般情况下短烷基链ZDDP抗磨性比长烷链好；分子结构顺序是：仲烷基伯烷基芳基。近年来，为了减少对排气催化转