航空活塞式发动机润滑油综述

魏梅莹，李静，汤仲平,蒲丽娜

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060;2.中国石油兰州润滑油厂，甘肃 兰州 730060)

0 引言

航空工业是典型的高精尖战略性产业，其竞争力水平关乎到一个国家的国防安全与经济发展，是世界科技强国的重点研发领域之一。航空发动机作为航空工业中最重要的核心部件，是人类有史以来最精密的工业产品。航空发动机主要分为活塞式和喷气式两种[1]。二者因各自的性能特点在不同的领域发挥着不可替代的作用。

航空发动机的正常工作离不开润滑油的保驾护航。航空发动机润滑油主要用于航空发动机轴承和传动装置的齿轮等摩擦部件，对发动机起到润滑、冷却、防锈、清洁和密封等多重作用[2]。具体来说，可减小气缸、活塞环、阀门、齿轮和轴承等移动部件之间的摩擦磨损；在活塞环和气缸壁之间起到密封作用；为内部区域提供必要的冷却；防震以及帮助活塞环连接到气缸壁；防止发动机的各部分生锈和被腐蚀；保持发动机内部清洁，防止灰尘，油泥，漆膜和其他有害污染物形成[3]。

1 航空活塞式发动机

通用航空基本涵盖了除定期客、货航班以外的所有民用航空活动。航空活塞式发动机具有结构简单、技术成熟、价格便宜、使用维护费用低以及寿命长等优点，在通用航空领域得到广泛应用，目前主要用做低成本无人机和初级教练机、行政机、小型运动飞机的动力装置。根据GAMA通用航空统计数据，2016年全球生产通用飞机2262架，其中活塞式飞机1019架，占45%[4]。

按不同方式分类，可将航空活塞式发动机分为如图1所示类型[5]。

图1 航空活塞式发动机分类

世界上最著名的航空活塞式发动机制造商为莱康明公司和大陆公司，分别为德事隆集团(美国)旗下公司和中航工业(中国)控股公司。这两家公司发展历史悠久，技术水平先进，生产种类众多，占据了航空活塞发动机市场大多数的市场份额，主导着其市场方向。此外，德国的林巴贺公司、加拿大的罗泰克斯公司和德国的蒂勒尔特公司因其各自突出的特色发动机种类而具有较高的市场知名度[5]。

2 通用航空活塞式发动机润滑油规范

2.1 国外航空活塞式发动机润滑油技术标准[6-8]

目前，国际上认可通用的航空活塞式发动机润滑油的标准为SAE(美国汽车工程师协会)制定的SAE J1966和SAE J1899。SAE J1966为适用于四冲程往复式航空活塞式发动机的不含分散剂矿物型润滑油的技术标准，替代了之前的相同规格的军方标准MIL-L-6082(1995年11月废除)，从物理化学性能和单缸发动机台架试验两个方面对产品做了技术规定。SAE J1899为适用于四冲程往复式航空活塞式发动机的含无灰分散剂润滑油的技术标准，替代了之前的相同规格的军方标准MIL-L-22851(1995年11月废除)。SAE J1899从物理化学性能、程序Ⅷ发动机台架试验、150 h的莱康明TIO-540-J2BD型或NAVAIR(美国海军航空系统司令部)批准的类似发动机的耐久试验以及500 h的飞行评估(来自莱康明和大陆公司的发动机)四个方面对产品做了技术规定。SAE J1966和SAE J1899二者比较见表1。

表1 SAE J1966和SAE J1899分析项目比较

2.1.1 物理化学性能

物理化学性能方面，二者均包含运动黏度(100 ℃和40 ℃)、黏度指数、闪点、硫含量、倾点、低温泵送黏度、低温动力黏度、高温高剪切黏度、酸值、密度、比重、灰分、痕迹沉淀、铜片腐蚀、抗泡性能共16个项目，SAE J1966比SAE J1899在黏度指数和倾点等项目要求略低。此外，SAE J1899还包含油品与橡胶材料的相容性测试以及痕量金属含量分析。

2.1.2 单缸发动机试验

单缸发动机试验依据ASTM D6709，考察在苛刻工况下油品的润滑性能和抗磨损性能。发动机启动磨合4 h后，运行40 h，每隔10 h取样，测试油品酸值和黏度变化。试验完成后，对发动机进行拆机，检测发动机关键部件的磨损情况。

2.1.3 发动机150 h耐久试验

通过物理化学性能测试和单缸发动机台架试验后，满足SAE J1899规范要求的油品还需经过150 h耐久试验。所选发动机为来自莱康明TIO-540-J2BD或经NAVAIR许可的同等发动机，使用航空燃料100LL，经过磨合，在规定条件下运行150 h后，评价油品长时间的润滑性能和抗磨损性能。试验完成后，检测油品的黏度、酸值、金属含量等项目，以及发动机关键部件的磨损以及沉积物情况。

2.1.4 500 h实际运行评估

通过前三项测试后，满足SAE J1899规范要求的油品最后还需进行发动机的500 h实际运行评估。所选发动机为莱康明和大陆公司制造的涡轮增压发动机。在整个飞行评估期间，每(50±5) h在加注新油之前，取样475 mL(1品脱)，分析100 ℃运动黏度，酸值和金属含量。从飞行测试开始，每100 h检测压力差并做记录。500 h飞行评估结束后，发动机需进行拆机，关键部件需拍照记录，并进行测试，分析数据需满足发动机制造商的大修要求。500 h运行评估60 d以内，向海军航空系统司令部(Naval Air Systems Command)提供每台发动机的全面评价报告，需包含SAE J1899指定的分析信息。

2.2 国内航空活塞式发动机润滑油技术标准[9]

据悉，我国的航空活塞发动机润滑油技术标准正在制订中，标准针对各种操作条件下使用的航空四冲程往复式活塞汽油发动机所用油品。目前，正在进行无灰分散剂型航空活塞发动机润滑油标准的征求意见阶段。

我国军方航空活塞式发动机润滑油规范为GJB 1219A-2009，包含三个油品规格：一种不含分散剂型的航空活塞式发动机油，按黏度等级划分归属为“20”；两种含分散剂的航空活塞式发动机油，按黏度等级划分归属为“20-50”和“20-15W-50”，20-50型为单级油，20-15W-50为多级油。分析项目包含高低温黏度、凝点、倾点、闪点、酸值、灰分、残炭、密度、颜色等常规物理化学性能、L-38台架试验以及橡胶相容性试验。

3 航空活塞式发动机润滑油添加剂

3.1 无灰分散剂

无灰分散剂的主要作用是：使油品由于氧化等作用形成的不溶物质保持悬浮，防止油泥生成，防止烟炱颗粒团聚，降低油品黏度增长。其化学结构由亲油基、极性基团和连接基组成，其中，亲油基为烃基，最常用的为聚异丁烯(PIB)；极性基团为氮或氧的衍生物，通常为胺类或醇类物质；连接基为丁二酸酐、酚和磷酸酯。常见的无灰分散剂包括丁二酰亚胺型、丁二酸酯型、无灰磷酸酯型、曼尼西碱型(苄胺)等。丁二酰亚胺型无灰分散剂是应用最为广泛、用量最大(占分散剂用量的80%以上)的一类分散剂[10]。丁二酰亚胺型无灰分散剂分为单丁二酰亚胺、双丁二酰亚胺、多丁二酰亚胺及聚丁二酰亚胺，四者除了分子量的差别以外，在高低温分散能力和稳定性方面也存在差异，因而应用领域不同[11]。丁二酸酯型分散剂高温稳定性和抗氧化性好，常与丁二酰亚胺复配使用。无灰磷酸酯耐热性好，分散油泥能力相比丁二酰亚胺略差，但生成漆膜的倾向小。曼尼西碱型分散性较好，低温性能和沉积控制能力较佳，且具有一定的抗氧化性能，常用在汽油机油，但值得关注的是其对密封存在损害，需对其进行改性或与其他添加剂配伍发挥协同作用[10]。

有关航空活塞发动机油的专利报道中用到的无灰分散剂有丁二酸酯型[12]、丁二酰亚胺[13]、丁二酸酯型与胺类物质的协同使用[10,12,14,]。

3.2 黏度指数改进剂

黏度指数改进剂(简称黏指剂)为油溶性链状高分子化合物，低温时高分子收缩卷曲，流体力学体积变小，内摩擦变小，从而对油品黏度影响较小。高温时，高分子化合物伸展膨胀，流体力学体积增大，使得油品摩擦增大，黏度增加，从而弥补了油品在高温下的黏度降低[15]。航空油中常用的黏度指数改进剂有聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚正丁基乙烯醚(BB)、 聚异丁烯(PIB)、乙丙共聚物(OCP)和氢化苯乙烯异戊二烯共聚物(HSD)等[16]。

对好的黏指剂的要求为增黏能力强、抗剪切性能佳、低温性能和热氧化性能好。增黏能力主要与黏指剂的相对分子质量的大小和分子上的主链碳数以及在基础油中的形态有关。市售的黏指剂的增黏能力的顺序如下：HSD≈OCP > PIB > PMA。而对于剪切稳定性，对同类型的黏指剂，分子量越大，碳链越长，剪切稳定性就越差，与增黏作用效果相反，所以选择黏指剂，需综合考虑增黏能力和抗剪切性能的影响。对于低温性能，主要指低温启动性和泵送性。其中，PMA的低温性能最好，PIB最差。从热氧化稳定性方面看，OCP与HSD均含有叔碳氢， HSD还可能有加氢不完全情况，所以二者热氧化安定性不好。BB同时存在叔碳氢和醚键，所以热稳定性最差。综上，常见黏指剂的氧化安定性顺序为PMA>PIB>OCP ≈ HSD >BB[15-16]。

航空活塞发动机油中常用到的黏指剂有聚丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸酯和乙丙共聚物，丁烯-苯乙烯共聚物等[12]。

3.3 极压抗磨剂

极压抗磨剂是在润滑油中用来改善基础油的摩擦学性能、减少摩擦阻力、降低滑动的金属表面烧结和磨损，最终达到提高润滑油承载能力的添加剂。极压抗磨剂可分为活性和非活性两类，活性极压抗磨剂包括含氯类、含硫类以及含磷类三种，其作用机理为在极压条件下，添加剂分子中的活性元素氯、硫和磷与金属反应形成金属盐层，从而起到抗磨效果。非活性极压抗磨剂包括金属盐类、含硼类、稀土类、纳米类等，因种类不同而作用机理不尽相同。传统的氯系极压抗磨剂因为环保的压力，应用受到了很大限制。稀土类极压抗磨剂因溶解性问题大量应用于润滑脂中。纳米类极压抗磨剂作为新兴研究领域还未有大规模的应用[17-19]。

目前在航空活塞发动机油领域，受到使用温度高、无灰、抗磨性能要求高的影响，常用到的极压抗磨剂类型为含硫和含磷类极压抗磨剂。在专利US 6191078报道的半合成航空活塞发动机油配方中，以二巯基噻二唑烷基衍生物作为极压抗磨剂[14]。CA 2632753中报道的航空活塞发动机油用到的抗磨剂包括磷酸三甲苯酯类和烷基化芳基磷酸酯等[12]。CN 102311855中报道的航空润滑油组合物中极压抗磨剂为三苯甲酸硫代磷酸酯、三氯苯硫代磷酸酯、三苯硫代磷酸酯三者复合而成[20]。特别需要指出的是，使用极压抗磨剂时需注意其与其他添加剂复合时，是协同作用还是对抗作用。如在合成航空润滑油中，磷酸胺类添加剂与无灰型二硫代氨基甲酸酯协同，油品的抗氧化性能和抗磨性能均得到改善[21]。而在CRC L-42试验合格的润滑油配方中添加0.5%(质量分数)防锈剂(月桂基琥珀酸酐)时，试验结果不合格，极压抗磨效果大大降低[18]。

3.4 抗氧化剂

在高温、与氧气和各类金属充分接触的工况条件下，航空活塞式发动机润滑油容易发生氧化分解，生成高分子聚合物和酸性物质，严重影响油品的性能发挥。航空活塞发动机润滑油的基础油组分为烃类油和酯类油，其氧化主要按自由基链锁反应机理进行，所以防止航空活塞发动机润滑油的有效办法是防止自由基产生，消除过氧化物，从而阻止链的发展[22]。

在航空润滑油领域中，主要用的抗氧剂包括酚型抗氧剂和胺型抗氧剂。最典型的酚型抗氧剂为2,6-二叔丁基对甲酚(BHT)及其衍生物，但其缺点是分解温度低，所以后续改进研究主要集中于提高屏蔽酚相对分子量和增加羟基数目。胺型抗氧剂因其高温耐受性好，用量少，抗氧化效果佳，在航空润滑油领域受到了广泛的应用，如二苯胺抗氧剂(DPA)、苯基-α-萘胺抗氧剂(PANA)及其衍生物。具体配方中，为起到良好的抗氧化效果，通常同时选择两种或两种以上抗氧剂，如将N-苯基-α-萘胺与BHT或对，对ˊ-二异辛基二苯胺(DODPA)协同使用，抗氧化效果极佳[23]。专利RU 2658016中报道的航空活塞发动机油配方中，用了辛基-丁基二苯胺和4-甲基-2,6-二-叔丁基苯酚复合作为抗氧剂[13]。

3.5 防锈剂

防锈剂(腐蚀抑制剂)作用是保护金属表面不受水分和其他污染物的影响。防锈剂起作用方式：含烃的极性物质吸附在金属表面，作为油膜隔离开金属和水；另一些通过油包水方式将水隔离，使得只有油相与金属表面接触；还有一些抗锈剂通过化学反应在金属表面产生一层钝化膜。常用的防锈剂有二硫代磷酸锌盐、金属酚盐、金属磺酸盐、脂肪酸、胺类、噻二唑、二烃基二巯基噻二唑、苯三唑、苯并三唑、甲苯甲酰基三唑。在航空活塞发动机润滑油中用到的防锈剂类型有苯并三唑、甲苯基三唑等[12,14]。

3.6 抗泡剂

航空润滑油因高转速与空气接触，使用中空气有可能混入油中产生气泡，气泡的存在会导致发生气阻和断流现象，还会出现疲劳磨损和油品消耗增大等问题，所以润滑油必须具有好的抗泡性能。一般常在润滑油品中加入抗泡剂来避免泡沫的产生。抗泡剂分为三类：硅型抗泡剂、非硅型抗泡剂和复合抗泡剂。硅型抗泡剂主要物质为聚二甲基硅氧烷(T901)，其对调合技术要求较高，在酸性介质中不稳定。非硅型抗泡剂的主要成分为聚丙烯酸酯(T911和T922)，其优点是用量少，对调合技术不敏感，在酸性介质中稳定，抗泡性能佳。复合抗泡剂即将前面两者按适当的比例和工艺加以复合研制而成，当前有T921、T922和T923三种[24]。航空活塞发动机油中，常用到的抗泡剂有丙烯酸酯和聚烷基硅氧烷[12,14]。

4 典型的航空活塞式发动机润滑油产品

4.1 符合SAE J1966规范的产品

市场上符合SAE J1966规范的油品有壳牌公司生产的壳牌航空油品，包括60、80、100、120四个牌号。该系列油品选用高黏度指数的矿物油，仅加了少量的降凝剂和抗氧剂，适用于四冲程(四循环)的往复式活塞发动机以及其他的指定油品规格为SAE J1966航空星型发动机，以及不要分散剂的油品的机型。壳牌航空油主要用于新机的磨合期或近期大修的四冲程航空活塞发动机，基本性质见表2。

表2 壳牌航空产品基本性质

4.2 符合SAE J1899规范的产品

4.2.1 符合SAE J1899规范的单级油产品

符合SAE J1899规范的典型产品主要分为两类：单级油和多级油。其中典型的单级油如壳牌的W系列和美孚的EE系列。壳牌航空W级别包括W80、W100、W120和W80+与W120+，适用于四冲程(四循环)往复式活塞发动机，使用了不含金属的添加剂，以及高黏度指数的矿物油，具备优异的稳定性，分散性以及抗泡性能。W80+和W100+相比以往单级油，提供了更好的防锈和抗磨性能。壳牌航空W油品基本性质如表3所示。

表3 壳牌航空W系列油品基本性质

美孚EE航空油由高度精制的基础油和无灰分散剂和抗氧剂组成，可用在油品规格要求为无分散剂和含无灰分散剂机型，具备好的氧化和热稳定性，好的分散性能以及高的黏度指数。基本性质如表4所示。

表4 美孚航空EE油品基本性质

表4(续)

4.2.2 符合SAE J1899规范的多级油产品

符合SAE J1899规范的多级油品有壳牌公司的W15W-50，美孚公司的20W-50, Phillips 66公司的20W-50和25W-60以及尼科公司的15W-50等，产品基本性质见表5。

壳牌航空油W 15W-50用于四冲程航空活塞式发动机，由矿物油和50%以上合成碳氢基础油，以及W级别的无灰分散剂组成，包含与莱康明的添加剂LW 16702 等量的抗磨剂。半合成，具有比单级油更好的低温泵送性和保护。高温性能优异，矿物基础油可以分散燃烧的副产物铅，避免发动机产生“灰色漆”或铅油泥，这是半合成油品的优势。抗磨剂对关键的凸轮轴、升降机和其他磨损部件保护；抗腐添加剂包帮助低使用频率的发动机在高湿度环境中避免腐蚀生锈；防锈功能和高温抗氧性优异。几乎在所有应用中优于单级油。易启动，启动后更好的润滑性能，更低磨损，腐蚀和生锈，更好的清洁性，在高温条件下，油压和温度等同于单级油SAE 50。

美孚20W-50是半合成含无灰分散剂的航空发动机油品，由高度精制的矿物油，聚α-烯烃(PAO)和无灰添加剂组成，对发动机具有优异的清洁、抗磨、抗腐蚀保护性能。

Phillips 66公司生产的X/C航空发动机油是首例联邦航空局(FAA)认可的含无灰分散剂的多级矿物航空油，典型产品有两个黏度级别：X/C 20W-50和X/C 25W-60。X/C 20W-50航空油推荐用在对置活塞式发动机上，可代替市售的级别为65、80和100的单级油。X/C 25W-60航空油推荐用于径向活塞式发动机以及其他设计使用更高级别油品，如市售级别为120的航空活塞式发动机。

尼科公司的3570 Gr.15W-50产品由精选矿物油、合成基础油与添加剂组成，为半合成油品，具有良好的低温流动性、发动机清洁性与抗磨性能。含有与莱康明LW 16702等剂量的抗磨剂，适用于四冲程的往复式活塞发动机。

表5 符合SAE J1899规范的多机油典型产品

注：尼科油品未拿到全部数据。

4.3 我国的航空活塞式发动机油产品

我国的航空活塞发动机油经历了从矿物型20号航空润滑油到合成烃20号航空润滑油再到清净分散型航空活塞发动机润滑油的发展过程。矿物型20号航空润滑油因一系列的问题已停止使用，合成烃20号航空润滑油也存在使用过程积炭过多，换油期短等问题。针对以上问题，空军油料所与中国石化石油化工科学研究院共同研制了清净分散型航空活塞发动机润滑油，该油为半合成油品，由高黏度指数加氢矿物油和PAO混合而成，各项理化性能指标达到了国外同类产品水平[25]。

目前，国内没有拿到国际认证的航空活塞发动机润滑油产品。

5 结束语

航空工业是具有战略性的高技术产业，推进航空发动机润滑油国产化也是建设航空强国战略的重要组成部分。目前，航空润滑油品的认证许可由国外实验室把控，其对我国的航空润滑油进行技术封锁，使我国的航空油品国产化进程严重受阻。所以，摆脱国外技术壁垒，研制具有优异性能的航空活塞发动机润滑油产品，建立完整的航空活塞发动机润滑油的认证体系，争取在航空润滑油开发上的话语权，是促进我国航空润滑油国产化，保障航空产业的必由之路。