油燃料经济性要求及其对发动机油发展影响
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（润英联北京代表处，北京 100004）
摘要：总结了评价油燃料经济性发动机程序试验的发展历程，并介绍了下一动机油规格ILSAC GF-5开发新燃料经济性发动机程序试验的最新进展。燃料经济性要求的提高，使得目前发动机油的发展呈现出低粘度化的应用趋势；同时必须添加性能优异的摩擦改进剂以获得良好的燃料经济性。
关键词：燃料经济性；发动机油；摩擦改进剂
中图分类号：TE626.32 文献标识码：A
0 前言
当前，环保压力和节能要求是推动汽车工业发展的两大最直接趋动力。随着近年来国际石油价格的不断高涨及排放法规的日益变严，“降低排放、节能降耗”已成为世界汽车工业发展的大趋势。随着全球经济总量不断增长，对石油产品的需求也越来越大。在石油资源日益稀缺的现代，汽车的燃料经济性成为国际关注的热点话题。
为提高汽车燃料经济性从而达到节油的目的，汽车工业界已采用许多直接改变硬件的方法。如通过提高发动机压缩比；采用配气系统可变装置和稀燃技术；提高传动系统的传动效率；降低车体空气阻力和轮胎摩擦阻力等来实现降低汽车燃料消耗的目的。但目前汽车工业界在提高汽车燃料经济性方面仍面临很大压力。例如，尽管遭到美国三大汽车巨头的一致反对，但2007年5月美国参议院仍然初步通过了改善汽车燃料经济性的提案。该提案要求从2009年开始的未来10年内汽车燃料经济性标准将提高40%。日本则提出2010年汽车燃料经济性要达到6.6 L/100 km；欧盟也正在研究如何满足2008年6 L/100 km的汽车燃料经济性目标。
据研究数据表明汽车燃料燃烧释放的能量中40%用于汽车驱动，30%被气缸冷却系统所消耗，30%的能量由排放消耗。如果单独就摩擦损失来讲,燃料通过燃烧释放出的能量有20%～25%被零部件间的摩擦所消耗掉[1]。所以随着世界各国日趋严格的排放和节能法规的出台,各大汽车OEM厂商越来越意识到改善汽车摩擦部件、降低由摩擦带来的能量损失对提高汽车燃料经济性具有直接影响。相比之下，通过油配方技术来提高燃料经济性的成本要远低于改变发动机硬件的成本, 所以将节能发动机油作为装车油的 OEM厂商越来越多。燃料经济性已经成为目前汽车制造厂商和油厂商关注的重要议题。
1 发动机油燃料经济性要求的发展
人们开始关注汽车的燃料经济性始于上世纪70年代。美国材料试验协会（ASTM）从上世纪 70年代开始开发合适的试验方法用以评价发动机油的节能效率, 并于 1982年出台了 5车试验程序方法。5辆车平均燃料效率比参比油提高1.5%的称为节能油。在通用（GM）汽车公司1982 款 GM Buick 3.8 L V6 发动机的基础之上，ASTM 于1988年建立了程序Ⅵ节能发动机台架试验，并于1993年引入ILSAC GF-1规格。该试验分为3个阶段（65.6 ℃、107 ℃和135 ℃），基准参比油为SAE 20W/30全配方油。发动机油在经过3个阶段的试验后， 通过加权平均得出综合燃料改善效率指数EFEI[2]。1996年ASTM根据Ford公司开发的试验方法出台了程序ⅥA 替代了程序Ⅵ试验[3]。该试验采用 Ford公司4.6 L V8发动机，基准参比油为SAE 5W/30全配方油，试验条件见表1。
6个阶段试验结束后测定试验油的燃料消耗，计算相对于基准参考油的燃料经济性指数FEI。由于程序ⅥA同时考虑了发动机部件在流体和边界条件对燃料经济性的影响，比程序Ⅵ试验更能反映现动机的实际运行情况，所以ILSAC GF-2规格也将程序ⅥA作为替代GF-1程序Ⅵ的节能台架试验。
(注：作者简介：秦晓东（1975-），男，硕士，2001年毕业于中国石油大学（北京）化学工程与工艺专业，润英联北京市场技术服务代表，主要从事油添加剂的技术研究及推广工作。）
表1 程序ⅥA试验条件
但在之后的研究中发现，一些发动机油的燃料经济性在车辆运行很短时间后就下降了。这主要是因为发动机油在老化过程中，其理化性质发生了变化，如粘度增长、摩擦改进剂被氧化消耗掉等，从而造成发动机油燃料经济性的下降。为了更能反映发动机的实际工况，充分考虑到油品老化对燃料经济性的影响，在程序ⅥA的基础上，2000年ILSAC GF-3规格出台了程序ⅥB节能发动机试验。程序ⅥB使用与程序ⅥA一样的发动机和参比油，所用燃料类型也相同。程序ⅥB由5个操作阶段和1个老化程序组成，分别测试试验油老化前后的燃料经济性指数FEI，同时评价试验油燃料经济性保持性。程序ⅥB试验条件如表2所示。
表2 程序ⅥB试验条件
程序ⅥB与程序ⅥA试验条件最大的差别在于阶段1高温高负荷工况125 ℃的油温，比程序ⅥA任一阶段油温都高。程序ⅥB中阶段1和阶段2都处于混合和边界状态，而程序ⅥA只有阶段1属于混合和边界状态。相关研究表明[4]，在程序ⅥB中以混合和边界为主的阶段1和阶段2消耗的燃料相当于总燃料消耗的35%，其中阶段1占27%，阶段2占8%。相比之下，程序ⅥA以混合和边界为主的阶段1消耗的燃料仅占总燃料消耗的11%。
程序ⅥB的另一个变化就是增加了一个延长的老化阶段：先对新油进行125 ℃、16 h的老化过程（这一过程与程序ⅥA相同），然后按程序测定新油的燃料经济性指数FEI1；再进行延长的老化过程，在135 ℃老化80 h（用来模拟车辆实际行驶6000~10000 km后的油品状况），然后再测定老化后油品的燃料经济性指数FEI2，并计算FEI1与FEI2之和作为该油的燃料经济性指数，而两次FEI的差值可用以衡量该油品的燃料经济性的保持性。老化试验的增加对油燃料经济性的保持性提出了更高要求，也使得对基础油和添加剂的选择将更加严格。
目前，新一动机油规格ILSAC GF-5正在酝酿讨论中。2007年2月ILSAC颁布了GF-5规格草案，将提高燃料经济性及其保持性作为GF-5规格的重点之一。ILSAC GF-5规格将用程序ⅥD试验取代目前GF-4中的程序ⅥB试验，因为ⅥD试验更能符合美国EPA所要求的FTP实验程序，其相应的燃料经济性指数规格将比GF-4要高。目前正由通用汽车公司（GM）主持设计程序ⅥD发动机试验。预计该程序试验将采用GM 3.6 L V6发动机，其参比油的粘度待定。与此同时，为了确定所设计程序ⅥD试验与实际现场发动机燃料经济性的相关性，GM公司也正在进行实际行车试验。该行车试验严格按照联邦试验程序（FTP）进行，选取了12种试验油（见表3，其中2个为基准油）进行FTP矩阵试验。
表3 程序ⅥD行车试验试油矩阵
注：(注：①FM=摩擦改进剂。
②所有油品均为ILSAC GF-4/API SM级别。）
行车试验有4种车型：PontiacG6, Chevrolet SSR,SAAB 9-5和Buick LaCross，其中Buick LaCross车装载与程序ⅥD一样的发动机（GM 3.6 L V6）。该试验通过模拟城市和公路条件，测定这一系列油品在3219 km（2000 mile）和10461 km（6500 mile）条件下的燃料效率改进，并与SAE 20W/30基准油结果进行比较。初期对10种试验油中的第一批5W/20多级油的试验已完成，结果表明具有好的可重复性。用摩擦改进剂的油比无摩擦改进剂的油在粘度变化上有所改进。同时5W/20油经10461 km（6500 mile）试验后，与3219 km（2000 mile）时比较，粘度并没有降低[5]。该行车试验的数据将用于程序ⅥD试验的开发。预计试验将于2007年底结束，之后将把试验程序提交给ASTM（美国试验与材料协会），并成为ASTM标准方法，最终将被引入ILSAC GF-5规格之中。
2 燃料经济性要求对发动机油发展的影响
如前所述，近年来高涨的油价对汽车节能提出了越来越高的要求，对发动机油的燃料经济性标准也日益提高。这对近年来发动机油的应用与发展造成两个方面的重大影响：一个是发动机油的使用呈现低粘度化趋势，另一个就是添加有效的摩擦改进剂以降低摩擦磨损，提高油的燃料经济性。
2.1 发动机油的低粘度化
相关的研究表明[6]，在2.0 L发动机中使用SAE 0W/20机油比使用5W/30机油可提高燃料效率1.5%。也有研究表明，在确保发动机正常运转的前提下，理论上降低一个SAE粘度级别，可节省燃料0.5%~2.5%。为了节省燃料，同时随着发动机设计制造和材料的进步，发动机油的使用呈现出低粘度化趋势。越来越多的轿车和轻卡（轻负荷发动机）用油已从原先使用的SAE 15W/40和10W/40过渡到了10W/30和5W/30粘度的油品。使用低粘度发动机油来提高汽车的燃料经济性已被各大汽车制造商和广大用户所认同。对于重负荷柴油发动机，多年来各大汽车OEM一直坚持推荐使用SAE 20W/50或15W/40高粘度机油以保护发动机部件免受磨损。但随着近年来油价的飞涨、用户要求提高燃料经济性的压力、发机动机制造工艺的改进及油质量特别是磨损保护方面的提高，使许多汽车OEM制造商也逐渐意识到20W/50或15W/40高粘度机油对保护重负荷柴油机不再是必需的了，如果选用合适的低粘度油及好的添加剂配方,既能节油，也能达到保护发动机的目的。目前一部分重负荷柴油机汽车OEM制造商已批准低粘度机油作为其重负荷柴油发动机装车用油。
2.2 添加摩擦改进剂
摩擦改进剂是一种能够降低摩擦面摩擦系数的物质，通过极性基团吸附在摩擦表面上，形成分子定向吸附膜或者化学反应膜，阻止金属间的接触，从而降低摩擦和磨损。近年来为了满足汽车工业日益严格的节能规格要求，摩擦改进剂越来越多地被用于发动机油中，以降低汽车摩擦损失，从而改善汽车燃料经济性，达到节能的目的。国内外广泛用于发动机油的摩擦改进剂大致可分为两类：一类是有机金属化合物，如有机钼、有机铜等，另一类是无灰型的有机化合物，如有机胺及其衍生物、多元醇酯等。
2.2.1 有机钼摩擦改进剂
有机钼摩擦改进剂是发动机油最早使用的改善摩擦系数而节能的添加剂。油溶性有机钼具有优秀的改善摩擦系数和抗磨作用，可以显著降低摩擦部件之间的摩擦系数，达到降低摩擦系数而节能的目的。其中比较有代表性的是MoDTC。据文献报道[7]，在发动机油中加入适量的MoDTC，可以降低油品的摩擦系数，达到降低摩擦和节油的目的，试验结果见表4。
表4 试验油高频往复试验（HFRR）试验结果
2.2.2 无灰有机摩擦改进剂
发动机油常用的无灰有机摩擦改进剂主要有长链脂肪酸胺（油酸胺）、乙氧基胺和油酸单甘油酯（GMO）。另据专利报道[8]，Infineum公司开发出了一种含氮脂肪酸多元醇酯摩擦改进剂，它是由叔碳醇胺和长链脂肪酸通过酯化后形成的单、双和三酯混合物。该多元醇酯混合物加入全配方发动机油中，可获得良好的燃料经济性及其保持能力，程序ⅥB的试验结果见表5。
表5 程序ⅥB试验燃料经济性增长率结果%
一般认为，这类摩擦改进剂都是通过在摩擦表面形成易于剪切的吸附膜来达到降低摩擦的目的，可明显改善边界条件下的燃料经济性。与有机钼摩擦改进剂不同的是，这类添加剂在相对较低的温度下发生作用，随着温度的升高，有机摩擦改进剂从摩擦副表面脱附，而失去降低摩擦的作用。但由于其不是通过化学反应降低摩擦性能，所以在油品使用过程中消耗较少，因此具有较强的降低摩擦的保持能力[4]，这点对老化后的油品程序ⅥB发动机试验显得比较重要。
这两类摩擦改进剂的作用机理不同，复配使用后能够产生协同作用。例如根据美国专利USP 6300291，将乙氧基胺与低浓度三聚钼盐复配加入发动机油中，获得了很好的燃料经济性，且在阶段2（老化后）仍能保持较高的燃料经济性。试验结果见表6[9]。
表6 ASTM 程序ⅥB试验结果
3 结论
（1）近年来全球油价的高涨和石油资源的日益稀缺，对汽车燃料经济性也提出了越来越苛刻的要求。节能型油也越来越受到广大汽车制造厂商和油厂家的关注。
（2）发动机油的燃料经济性评定标准也逐渐变严格。最新发动机油ILSAC GF-5规格将提高燃料经济性及其保持能力作为规格的关注重点之一。ILSAC GF-5计划用程序ⅥD试验取代目前GF-4规格中的程序ⅥB试验，作为评定发动机油燃料经济性的标准方法。
（3）燃料经济性要求的日益提高，也影响着发动机油的应用与发展。目前发动机油的使用在全球呈现低粘度化趋势。这一点不仅体现在轻负荷轿车上，许多重负荷柴油汽车制造商和用户也逐渐接受使用低粘度节能型发动机油以提高燃料经济性。
（4）油燃料经济性要求的提高使得发动机油配方中摩擦改进剂的使用也成为必然，其中应用较多的是有机钼和无灰有机摩擦改进剂。随着燃料经济性要求进一步变严，选择并筛选出性能优秀的摩擦改进剂以满足发动机油燃料经济性的要求将是油与添加剂公司今后研究的工作重点之一。
参考文献：
［1］ M A Wilk, W D Abraham, B R Dohner. An Investigation into the Effect of Zinc Dithiophosphate on ASTM Sequence ⅥA Fuel Economy［C］.SAE Paper 961914.
［2］ D H Heath, J G Brown, G R Farnsworth, et al. ASTM′s Development of the Sequence Ⅵ Fuel Efficient Engine Oil Dynamometer Test［C］. SAE Paper 872120.
［3］ S I Tseregounls, M L McMillan. Engine Oil Effects on Fuel Economy in GM Vehicles Comparison with the ASTM Sequence ⅥA Engine Dynamometer Test［C］.SAE Paper 952347.［4］ A B Boffa, S Hirano. Oil Impacts on Sequence ⅥB Fuel Economy［C］. SAE Paper 2001-01-1903.
［5］ ⅥD Fuel Economy Test Points the Way［J］. Lube & Grease Magazine, 2006 ,6(17).
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［7］ Infineum International Ltd Lubricating Oil Composition［P］. US:6723685 B2.
［8］ Infineum International Ltd. Fricton Modifiers for Engine Oil Composition［P］.US: 7022653 B2.
［9］ Infineum USA L P. Lubricating Oil Composition［P］. US: 6300291.
）
THE FUEL ECONOMY OF LUBRICANT AND ITS IMPACT ON THE DEVELOPMENT OF ENGINE OIL
QIN Xiao-dong，FAN Yi-gong
（Infineum Beijing Representative Office, Beijing 100004,China）
Abstract:In this paper, the development of engine test for evaluating the fuel economy of lubricant is discussed, and the latest progress of new sequence engine test for fuel economy in ILSAC GF-5 is also introduced. With the higher requirements of fuel economy, low viscosity engine oils are more and more popular. Meanwhile, high performance friction modifiers must be blended into engine oil to achieve higher fuel economy.
Key Words:fuel economy; engine oil; friction modifier