現今大多數潤滑油均含有多種添加劑包，旨在提供特定應用中所需的性能。 部分潤滑油可能僅由一種成分構成，如防銹劑，但有些潤滑油則需要由若干不同的成分復合而成。 機油由多種化學成分復雜混合而成，從而提供現代發動機正常運轉所需的保護和性能。

一般而言，添加劑具有以下三種作用之一： 保護基礎油，增強基礎油性質或保護其接觸的表面。 有些添加劑具有多重功能，能在多個方面為機油提供保護并增強性能。

多年來，各種不同的機油營銷商采用“無可比擬”、“無與倫比”或其他夸張字眼來吹噓其添加劑系統，以獲得更大的機油市場份額。 可追溯至 20 世紀 50 年代初期的“Pennzoil Z-7”老計劃就是一個例子。 有些年輕人可能不知道，Z-7 是機油中一系列性能成分的簡稱： 1) 降凝劑；2) 抗氧化劑；3) 抗磨損劑；4) 防銹劑和緩蝕劑；5) 清潔劑/分散劑；6) 摩擦改進劑；和 7) 消泡劑。

這些基本方法仍在使用，但是現代的小型客車機油在燃油經濟性以及抗氧化性方面還有一些額外的“優勢”。 為了更好地了解添加劑系統的整體概況和機油添加劑的具體情況，本文特別介紹了用于調和 ILSAC GF-5 機油（最新行業規范）的典型添加劑包。

粘度指數改進劑

顧名思義，粘度指數改進劑能夠提高機油的粘度指數。 粘度指數是機油粘度隨溫度發生變化的衡量標準。 在 40 到 100 攝氏度間的任意標準溫度范圍內，機油的粘度指數越高，油的粘度變化（增稠或變稀）越小，粘度指數越低，油的粘度變化越大。

粘度指數改進劑或改性劑為聚合物，通過與溫度相關的溶解度工藝來發揮作用。 在較低溫度下，該聚合物在油中的溶解度較低，從而產生較低的相對粘度。 在較高溫度下，該聚合物在油中的溶解度較高，從而產生較高的相對粘度。 確切的增稠機制仍有待商榷。 有人認為，隨著溫度的升高，該聚合物在油中的形狀會從盤繞結構轉變成拉長結構。 但另一些人認為，溶解度只取決于溫度，并不會發生任何結構變化。

其中一個重要性質為剪切穩定性，即因發動機中的機械剪切而損耗的增稠力。 該聚合物適用于發動機中高剪切速率的環境，可以分解（“剪切”），從而形成體積更小、活性更低的分子。 聚合物還會與剪切力方向對齊，造成臨時的粘度損失，從而產生臨時的剪切效應。 當剪切應力消失時，聚合物在油中的定向重新回到隨機性更高的狀態，于是粘度便會恢復為初始值。

為了滿足與最新機油（如 SAE 0W-20 ）相關的粘度限制，配方設計師發現有必要使用粘度非常低的基礎油。 隨著粘度更低的機油進入市場，基礎油粘度將持續降低，因此必須滿足一些新的需求，有些可通過精煉解決，其他一些則需要添加化學成分。

降凝劑

潤滑油的“傾點”是其能夠繼續流動的最低溫度，在低溫環境中，傾點越低越好。 被冷卻時，油中的蠟狀分子將變硬并聚集起來，從而阻礙流體流動。 因此，降凝劑是機油添加劑系統中的一個特殊組成部分： 其通過改變石蠟基礎油中的蠟晶體來發揮作用。

較老的 API 第一類基礎油煉油廠采用傳統的溶劑脫蠟，基于熔點去除蠟質，正常目標約為零下 20 攝氏度。較新的 API 第二類和第三類基礎油則通過加氫處理和裂解工藝改變油中的蠟，從而實現催化脫蠟。 工藝上的不同導致了所用 PPD 的不同。

溶劑脫蠟會在基礎油中殘留一系列的蠟結構，因此需要更廣泛的 PPD。 對于催化脫蠟的基礎油，PPD 必須更具體針對油中的蠟結構。 事實上，PPD 的合理選擇需根據具體的基礎油、工藝和粘度來確定。 PPD 領域的機油配方設計師和專家了解特定的基礎油中適用的材料，并根據配方的需要進行選擇。 一般情況下，低粘度油相對于較高粘度的油，會因為基礎油中蠟的結構差異和蠟的存在量而有著不同的要求。

DI 因素

機油添加劑包通常稱為分 DI 包。 DI 表示“分散劑-抑制劑”。

按體積計算，分散劑是機油添加劑的主要成分，在添加劑包體積中所占比例通常高達 50%。 顧名思義，分散劑的作用是防止各種污染物在機油中聚集。 污染物通常是因為發動機廢氣透過活塞環進入機油而產生的。 廢氣一旦進入機油，還會引起其他現象，例如形成油泥和漆膜以及氧化。 分散劑可控制這些不良因素（稱為竄氣），盡可能減少其對機油和發動機表面造成的不利影響。

如果用化學原理來解釋，分散劑通過螯合作用捕獲分散劑中活性位置的污染顆粒，從而發揮作用。 它就像螃蟹一樣用螯將污染顆粒鉗住。 實際上，螯合這一詞語源自希臘語，意思是鉗子。

最常見的分散劑化學物質采用含氮的大分子，氮位即為吸附并保留污染物的活性點。 （部分分散劑源自非氮基質。） 這些分子在機油被使用的過程中變暗，并最終被完全耗盡。 因此我們需要更換機油。

清潔劑和基礎油

分散劑-抑制劑包中第二常見的成分為清潔劑。 清潔劑與其名稱并不十分相符，因為這種化合物并不能清潔任何物質。 其作用主要是在金屬表面上發生反應，形成一層保護膜，以最大限度地抑制沉積物形成。 清潔劑分子與金屬表面之間形成強鍵，有效地防止竄氣和氧化產物在金屬表面上聚積。 清潔劑在二戰期間問世，用來延長發動機（尤其是潛艇發動機）的工作壽命，并很快表現出用于地面車輛的價值。

在化學成分上，清潔劑通常為烷基金屬磺酸鹽、烷基金屬酚鹽或者烷基金屬水楊酸鹽。 這些物質通常采用鎂、鈣或鋇（偶爾）等金屬的氧化物進行中和，形成“低堿”清潔劑。 另外，這些物質也可用過量的金屬氧化物中和，之后使用二氧化碳進行處理，形成“高堿”清潔劑。

低堿清潔劑通常為烷基磺酸鹽。 烷基磺酸鹽能夠產生一種肥皂狀結構，有效抑制污染物在活塞表面和環形槽中的沉積。

高堿清潔劑不僅能夠通過肥皂狀結構抑制污染物沉積，還可中和燃燒過程中形成的酸。 這一點在使用高硫燃油的情況下尤為重要，因為硫在參與燃燒的過程中遇水會形成氧化硫，繼而形成硫酸或亞硫酸。 必須中和機油中的這些酸性化合物，以防止其腐蝕各種金屬表面。

清潔劑類型的選擇通常由添加劑配方設計師決定，也可能取決于各公司生產的材料。 添加劑供應商長期供應特定的清潔劑，能夠對其進行組合優化。 通常情況下，低堿和高堿清潔劑的組合使用可以在發動機試驗和現場使用中獲得最佳性能。

抗磨劑

機油添加劑包中的另一主要成分是抗磨劑。 從歷史上看，二烷基二硫代磷酸鋅 (ZDDP) 能為發動機高負載區域提供抗磨損保護，防止金屬的流失。

ZDDP 最早由優尼科公司的 Herbert Freuler 于 1944 年申請專利，歷經 60 多年后的市場表現依然強勁。 ZDDP 同時含有磷和硫，可與金屬表面反應而形成金屬硫化物和磷化物的薄膜，能夠消除并防止嚙合面發生熔接。

ZDDP 的其他性質使其可用作抗氧化劑和抗腐蝕劑。 當 ZDDP 在氧化試驗中與經典的無金屬“無灰”抗氧化劑一起使用時，往往能產生協同作用。 它還能夠保護多種軸承材料，包括銅、鉛及鋁合金。

ZDDP 也存在缺陷： ZDDP 中磷和硫的含量必須得到嚴格控制，以防止對車輛的排氣系統造成任何負面影響。 機油中的磷會繞過活塞環進入排氣系統，在催化式排氣凈化器上發生反應并生成堅韌的玻璃狀沉積物，使催化式排氣凈化器失靈。 因此，已采用其他化合物來幫助防止磨損，同時也不對催化劑造成太大影響。 為此，含鉬材料得到越來越多的應用。 另一種方法是使用揮發性較低的磷化合物，因為此類化合物會留在機油中，而不會進入排氣系統。

另一類抗磨劑為金屬二硫代氨基甲酸鹽。 此類化合物含有硫，但不含磷，既可以有效防磨損，又具有抗氧化和抗腐蝕的作用。 其最常用的制作材料有鋅、鉬和銻金屬。

氧化、摩擦與泡沫

抗氧化劑是添加劑系統的另一關鍵部分。 此類化合物通常為苯酚衍生物或苯基胺。 其作用原理是干擾可形成自由基（一種高活性物質）的氧化過程。 通過干擾自由基的形成，抗氧化劑能夠減緩基礎油的降解。 ZDDP 則是通過分解氧化過程中一種稱為過氧化物的中間產物來減緩氧化過程。

為最大化機油的燃油經濟性，摩擦改性劑已成為現代機油的主要成分（盡管在用量上并不占主要比例）。 在化學上，摩擦改性劑是一種表面活性劑，能夠減少金屬部件在移動時相互之間產生的阻力。 發動機的摩擦力大部分來自于活塞環與氣缸襯墊的接觸。

消泡劑在機油添加劑系統中用量雖小，卻是至關重要的一部分。 雖然消泡劑僅以百萬分之幾的分量存在于機油中，但卻能夠改變油的界面張力，有助于從油中排出空氣。 這一點十分重要，因為油中夾帶的空氣會加速氧化，并大大降低油的膜強度，導致金屬與金屬產生更多接觸。 簡而言之，氣泡不利于潤滑效果。

機油添加劑科學技術目前已有至少 75 年的發展歷史。 毋庸置疑的是，添加劑技術仍將繼續逐漸完善，也許不會突飛猛進，但隨著新需求的出現，會產生新的或改進的化學成分來滿足這些需求。

添加劑化學成分

下表列出了添加劑在潤滑油中發揮的各種作用，以及使用的一些主要化學物質類型。