III类基础油替换为何那么难?

发布时间:2017-08-06

如果机油配方设计师想要与其他基础油供应商合作——原因可能是为了完善产品,也可能是为了解决物流中的问题,或仅仅是出于价格考虑——这种等质的变化要遵循一定的规则。关键是是原基础油和变化后的基础油是相当的,修改后的配方相比原API许可产品,提供的性能相同。

人们可以简单地说:把调整过的配方“都测试一下”,但这样做是昂贵的、费时的。例如,根据API CK-4重型柴油机油的要求,新的Volvo/MackT-13要进行发动机油氧化试验。这个试验要花175000美元,要想获得许可证,这个油必须通过这个测试和另外八个发动机测试。据估计,一个配方(每个基础油配方中的添加剂包)要做完一整套测试,花费可能高达150万美元。因为几乎所有的候选油测试程序是由添加剂供应商进行的,所以添加剂价格必须负担起这些测试成本。


幸运的是,润滑油行业拥有发动机试验数据支持这些基础油之间的转换,使其不用重复每一个发动机试验。但有一个例外:API Ⅲ类基础油。它们交换数据相比其它基础油十分有限,多数情况下,要想对其作出调整,配方设计师需要通过一系列的发动机试验。


基础油分类历程

Ⅲ类基础油在30年前还是很罕见的,但近年来出现了数量不少的炼油厂,造就了它现在的规模,并且其队伍还在不断壮大。北美洲和欧洲等成熟市场预计在未来对Ⅲ类基础油的需求将持续增长(包括Ⅲ+类具有超高粘度指数的基础油),因为使用低粘度的基础油成为了应对燃油经济性的主要对策。


虽然越来越多的Ⅲ类基础油进入机油配方中,石油混合公司仍然受着交换规则的制约,这些规则来自机油许可和认证系统,美国石油学会的1509号文件。该文件介绍了重型和轻型汽车机油类别的发展。


API 1509号文件在全世界范围内被广泛地参考,根据汽车生产商和发动机制造商的要求,它是用来认证和监测发动机机油性能的。


1509号文件的关键部分是附录E,其中涉及了基础油交换。在许多情况下,BOI可以让添加剂供应商和石油商节约发动机试验成本。附录E还根据其化学和物理性质定义了著名的API分类。Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类是石蜡基矿物油,Ⅳ类聚α烯烃,Ⅴ类涵盖众多,包括环烷基、酯、聚丁烯等(见图表1)。

1509号文件和这些分类是怎么来的?来自德克萨斯Lubrication Solutions公司的Larry Kuntschik指出,远在上世纪80年代末,当时他在德士古工作,那时他目睹了石油公司和汽车公司为了敲定一个新的机油许可证制度召开了一系列会议,“敲定”一词用得一点不夸张。他说:“高度分歧的讨论终于结束了,像“除非我死了”这样的立场,使任何可能的达成协议都被打破了。汽车制造商联合起来组织了国际润滑油标准化和批准委员会(ILSAC),坚定不移地支持他们想要的机油许可证制度,而API成员则“认为双方至少要互相妥协,保持API系统的存在。”


来自密歇根MLM咨询服务公司的Mike McMillan曾是通用汽车在ILSAC的长期代表,他的话印证了这场会议中存在的不和谐。“ILSAC于1987年成立的原因是原始设备制造商(OEM)对(石油发展)系统非常不满,”他说:“ILSAC的愿景是创建一个全球范围通用的油的分类和审批制度,ILSAC能够更多地投入和参与这个系统。”一开始,制造商要求石油产业要有所贡献,后来到了1988至1991之间,他们继续发展,起草建立了“一个全面的北美润滑剂标准化审批制度,或者可以简称NALSAS系统。”


“如果说石油公司和添加剂公司不满意NALSAS系统,那绝对是胡说,”McMillan说:“NALSAS从未实施,原因有很多。”但在1991年的4月,汽车制造商提供了一个妥协方案,其中包括多项条件(很多关于发动机试验监督的条款),如果要想他们放弃NALSAS系统,那么这些条款必须要得到满足。


Hap Thompson当时是API的员工,他回忆说,当时API同意了,这就是现在发动机机油许可和认证系统的发端。又经过一年的密集会议,他们把新的议案加以丰满,他回忆说,但最终草案发布于1992年4月20日,并且EOLCS于1993年1月正式启动。新的许可证制度的核心是,根据添加剂公司的提议,在化学制造商协会(现在是美国化学理事会)的帮助下,为注册和监督所有发动机测试制定一套行为规范。石油生产商也同意了这条款,但拒绝进行合理调整时比如改变油的粘度时,重复所有发动机试验。


(正如Kuntschik指出,“OEM推崇的方式中有太多的引擎测试。”)解决方案是根据基础油的物理性质和化学性质,加快基础油的替换和粘度交叉参照。


一旦工作组商定替换的概念,“由汽车、石油和添加剂公司组成的技术小组促成发展了各种粘度等级交叉参照的指导方针,”Kuntschik说:“交叉参照只适用于一些测试,”但它意味着一个开始。


任务小组还草拟了四个基础油份分类,比现在的分类少了一个.。“当时我们只考虑Ⅰ类和Ⅱ类,因为它们占据当时的主流市场。基本上,它们的差异可以归结为:Ⅵ,饱和度和硫含量的差异。”


Hap Thompson回忆道,基础油替换工作小组在1991年10月开了次会,四个月后又开了一次。他们也意识到高粘度指数氢裂化的基础油需要一个独立的分类,于是任务小组加了一个Ⅲ类,把PAO放进了Ⅳ类,然后把剩下的一股脑分进了Ⅴ类。


这些新的API分组和替换对石油公司和添加剂公司来说是十分有利的,但Mike McMillan评论称,在制定最终执行的基础油替换和粘度等级交叉参数的准则时,原始设备制造商(OEM)并没有参与进来。“两位(汽车公司)代表的确参加了前几次的准则制定会议,但他们并不具备投票权,而且最后他们也决定放弃参加这些会议,因为觉得他们的意见并不受重视。”McMillan说道。


自那时起,石油公司和添加剂公司负责基础油替换工作,他们要花成千上百万美元,进行严格的矩阵测试以证明它的可行性。


尽管如此,新泽西SK润滑油公司副总裁Mike Brown说:“一些厂商不接受API/ATIEL BOI规则,因为他们知道这些规则不保证引擎可以免受边缘化油类的影响。”


替换的难度

今天,Ⅲ类基础油生产商的范围比以往任何时候都广泛,Brown观察道。20年前,只有少数来自欧洲和韩国的炼油厂生产Ⅲ类基础油,现在厂商遍布世界各地,其中有阿布扎比、俄罗斯、塞尔维亚、中国、卡塔尔、马来西亚等等。“我们知道许多不同的工序可以确保粘度指数至少含有120,饱和度至少有90,硫含量则控制在300ppm以下。


“这些工序指的是费托蜡合成异构化、加氢尾油,强调润滑油加氢处理,”他说:“这些生产工序根据成分将基础油区别开来。”布朗指出,这些油可以说都是顶级Ⅲ类或Ⅲ+类油,高粘度指数,无硫、99%以上的饱和度。但他质疑他们是否真的可以互换,因为它们在原料、加工类型和物理特征方面都不一样。他也很好奇,替换准则只来自于一个或两个Ⅲ类基础油(如来自韩国的SK基础油或来自壳牌的天然气合成油中的Ⅲ类基础油),这样单一的准则如何能普遍适用于Ⅲ类基础油中呢?


在北美洲,关于Ⅲ类基础油替换的讨论仍在继续。据业内人士透露,要想开发一套数据库,使Ⅲ类基础油之间的替换成为可能,那么就要对每一个发动机序列进行测试,成本高达数百万美元。另一个重要的问题是:谁来资助这个计划?


没有人在这一步骤挺身而出投入必要的资金。没有矩阵基金去资助API CK-4的两个新的重型发动机试验(MackT-13和COAT),也没有基金资助正在处于开发阶段的ILSAC GF-6发动机试验。毫不奇怪,Ⅲ类基础油供应商不愿意资助矩阵测试,因为这意味着要与行业新人共享数据,告诉他们获得快速批准的捷径。长期预测表明,Ⅲ类基础油的市场会继续增长。


轿车发动机润滑油目前由SAE 5W-30和0W-20主导市场。然而,像SAE 0W-16这样低粘度的油类也蓄势待发。本田正在对一些特定市场指定SAE 0W-16,工厂方面配方也朝着低粘度0W-8靠拢。虽然其他厂商认为这样的低粘度油不可靠,但是燃油经济性优势还是非常诱人的。


在重型机油方面,2016年12月1日市场上迎来了API FA-4系列,它把HTHS粘度要求降低了约15%,最低将SAE 30降低到2.9cP。2.6 cP(SAE 20)的HTHS机油正在北美洲接受测试,而欧洲的依维柯公司已经在生产2.6 cP的发动机润滑油了。


甚至有人已经在测试2.1cP(SAE 12)的油类了。为了满足这些超低粘度的要求,保持油的波动性,就需要大量的Ⅲ类基础油。基础油替换在发动机机油测试和产品开发方面十分有价值。如果没有它,发动机油的选择性更少,灵活性更差,成本更高。Joan Evans是新泽西润英联公司全球工业联络经理,他认为该行业需要继续通过数据来确定合适的BOI/VGRA准则。即使这可能也意味着将终止使用现在广泛使用的基础油分类方式。

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