低硫酸灰分、低硫低磷潤滑油的發展—汽油引擎篇
2004-03-05
吳世榮
過去30年來，環保法規加諸於車輛廢氣排放的標準日益嚴苛。製造廠家改善引擎設計並加上廢氣處理裝置以應法規要求。滑油的配方、添加劑也隨之有所變化。為了減低滑油對廢氣觸媒轉化器的負面作用，低硫酸灰分、低硫和低磷配方的潤滑油（Low SAPS）持續在滑油的發展上，成為主要的方向。潤滑油對於排放廢氣乃至於觸媒轉化器的影響到底有多嚴重，其中的化學組分受到多大的改變，仍然是一個尚待釐清的問號。
滑油中硫酸灰分、硫及磷的來源
磷在引擎油裡通常以二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDPs）的型態出現，它在閥系和軸承上形成保護膜作為有效的抗磨劑，且能作為抗氧化劑化解過氧化物。
潤滑油的硫酸灰分以特定方法測得，它顯示了滑油中含金屬組分的比例。最主要是從鹼性鹽類或鹼金屬的清淨添加劑中得來的。這些清淨添加劑中和燃燒的酸性產物，保持活塞潔淨。而抗磨抗氧化劑如ZDDPs及二硫化鉬的添加劑也顯示在硫酸灰分的測試結果上。
引擎油中的硫分來自兩個地方：添加劑（特別是ZDDPs）及基礎油。通常ZDDPs含有0.1wt﹪的磷，也同時貢獻0.2wt﹪的硫在滑油裡頭。
低硫酸灰分，低磷和低硫（SAPS）滑油的走向需兼顧到維持滑油的其他效能。除了提供現代引擎的保護外，還要大大的降低了部分傳統添加劑組分的含量。為了補償這個落差，需要以新的無灰分、無磷及無硫的替代添加劑組成來取代，並且選用較高品質的低硫基礎油原料，這些在在都增加了配方的成本及複雜性。低硫酸灰分，低磷和低硫（SAPS）的目標訂在磷0.05wt﹪，硫0.2wt﹪及0.5wt﹪硫酸灰分，這項數值是目前高級潤滑油數值的一半而已。但考慮到維持引擎滑油品質的困難，引擎製造廠家訂定了過渡時期的SAPS標準，例如IL SAC GF-4的磷為0.08﹪和0.5～0.7﹪的硫含量。戴姆勒克萊斯勒（Daimler Chrysler）P229.31磷為0.08﹪max，硫0.2﹪max及硫酸灰分0.5﹪max。
下一代的規範IL SAC GF-4則可望降低到上述的SAPS目標規範。
磷和觸媒轉化器的關係
三次元觸媒是降低HC、CO、NOx等汽油引擎排放廢氣的標準裝置。自從1970年代汽油引擎觸媒轉化器的使用以來，早已證實了鉛及磷對於觸媒的毒化問題，因而造成了含鉛汽油的出局及含磷添加劑的禁用。同時也注意到滑油中ZDDPs添加劑所含磷成分的問題。
雖然磷毒化觸媒是無庸置疑的，但磷的積垢特別是焦磷酸鋅，可形成一道阻擋廢氣汙染的防線以阻絕於活性的觸媒之前。同時，目前對滑油中的磷是否是排放廢氣的主要衝擊尚未有定論。
觸媒受毒化失去轉化的效能和滑油中磷含量之間的關係非常複雜，非單純的油耗和被觸媒所捕捉的量可以解釋一切的。證據顯示，添加劑揮發、化學組成、添加劑間的相互作用都是影響磷的損耗，殘留於觸媒及廢氣控制的因素。
而研發一套成熟有力的試驗方法來決定磷的效應相當困難。引擎車架試驗，常加入額外的磷在燃油中以加速老化，因而其所表現出的磷損耗並無法確定完全來自潤滑油。賽車試驗又常因不同車種車況而異，有些試驗無法分辨出磷和廢氣的關連性。更複雜的技術方法漸次的引入，以更真實的老化循環，及自老化觸媒上取下磷成分的方法來排除上述的困難。
由於磷所造成的化學毒化有增加的趨向，三次元觸媒轉化器的耐熱性也跟著提升。磷傾向於積聚在觸媒前端緊密結合的表層上，這對於冷車起動時廢氣有相當大的影響，冷車起動時的廢氣是最為可觀的。排放廢氣的規範限制和耐久性要求都使壓力加諸於汽車製造廠，持續的朝向減低廢氣及發展可靠的試驗方法。
硫及灰分
硫是觸媒抑制劑的一種，過去已有大量的研究針對燃油中硫對觸媒的效應，而對潤滑油中的硫分則極少去著墨。隨著汽油中硫分的降低，硫分在這方面的重要性也隨而降低。但硫分毒化在稀薄燃燒的汽油引中的NOx捕捉器上仍是相當重要的顧慮。
潤滑油灰分在柴油引擎粒子濾芯上的積沉是一項重要的考量。在汽油引擎上，金屬清淨劑對於減低磷對廢氣觸媒的衝擊上，也有相當的爭議。
磷和清淨劑間可能產生的作用使得日本的汽車廠早於1980年代初期就開始控制金屬／磷於最低的含量。磷酸鈣積垢比起磷酸鋅不易黏附在觸媒上，但是否較有利於廢氣方面則爭議頗大。
潤滑油的效能
近幾年來引擎潤滑系統的發展對於滑油效能的要求越高，規範越嚴以確定潤滑油提供的保護能符合要求。排放廢氣也是配方改進的一項重要推動力。
磷含量雖逐年下降，但尚未有共同認可的試驗以評斷油品對廢氣的衝擊。
除了低硫酸灰分，低磷及低硫（低SAPS）的滑油要求外，更朝向無磷配方的研發以應觸媒轉化器的匹配。這類型油品的抗氧化及抗磨效能一直都維持在恰好達到標準的程度，通常都不另補上充裕的抗磨及抗氧化添加劑。如果加上額外的抗磨抗氧化劑，則這類型的添加劑都為含硫的組分，並無法符合低SAPS的要求。
低灰分油品早在1970年代就已達到相當的成就。但是大多數認為含鉛燃油會持續在市場上相當的久，這就需要潤滑油在配方上提供特別的抗腐蝕保護，金屬清淨劑被認定是對抗磷非活性的有效添加劑，也因此市面上對這些油品的需求持續至今。
未來的發展
滑油界面對降低引擎油SAPS的壓力，隨著廢氣標準的嚴苛日益增大。添加劑工業方面積極的開發低SAPS的配方，但需確定這些規範是根據化學毒化觸媒的匹配數值而定的。如果汽車製造廠另訂了一套化學規範限制，則只會更造成油品效能標準的支離破碎，且配方的要求更是意見分歧。
給予足夠的準備時間以利任何化學規範限制的執行整備也非常重要，它影響到基礎油和添加劑技術的層面極大；必須讓滑油和添加劑公司有足夠的時間來回應這些需求。
油品配方面對最重要的挑戰是如何提供有效的抗磨抗氧化特性且是低SAPS的技術。現今的添加劑技術尚沒有無磷無硫的添加劑技術可以輕易的取代ZDDPs的抗磨保護效果。
當然ZDDPs的抗氧化特性可用替代性的抗氧化劑取代，但這類化學品的價位高多了，潤滑油的成本會跟著增加；所以除非有非常具說服力的理由，否則不易讓油公司放棄ZDDPs的繼續使用。另一項挑戰則是按硫酸灰分的限制，選用低硫、磷標準的清淨劑來維持引擎的潔淨程度。
未來，日益嚴苛的排放廢氣標準將持續的衝擊著低SAPS潤滑油配方的研發，而汽柴油引擎設計的改善及觸媒轉化器和燃燒及燃燒產物之間複雜的關係也將持續著。