内燃机油高温高剪切粘度计算方法的探讨.docx

内燃机油高温高剪切粘度计算方法的探讨戴瑞群 ,夏致宏(中国石化润滑油茂名分公司 , 广东 茂名 525011)摘要 :通过考察内燃机油配方组成的 H T HS 粘度 ,较为系统地探讨配方组成对 H T HS 粘度的影响 。对本试验大量数据进行回归 ,得出 H T HS 粘度计算公式 ,同时对 H T HS 粘度质量指标的难易控制进行探讨 。关键词 :内燃机油 ; HTHS 粘度 ; 计算方法中图分类号 : T E626 . 32文献标识码 :A前言一部分润滑油生产企业对高温高剪切粘度实验情况不了解 。本文对内燃机油配方组成对 H T HS 粘度 的影响进行了考察 ,探讨了高温高剪切粘度的计算 方法 ,同时 还 对 SA E J 300 H T HS 粘 度 指 标 的 难 易 控制进行探讨 。1 试验方法目前 ,国外测定内燃机油高温高剪切粘度的方 法有 5 种1 : ( 1 ) A S TM D5481 高 温 高 剪 切 速 率 下 表观粘度测定法 (多重毛细管法) ; ( 2) C EC L - 36 -T - 84 高剪切条件下的润滑油动力粘度测定法 ( 雷范费尔特法) ; ( 3) A S TM D4624 高温高剪切速率下 表观粘度测定法 ( 毛细管 法) ; ( 4 ) A S TM D4683 高 温高剪切速率下粘度测定法 (锥形轴承模拟法) ; (5) A S TM D4741 高温高剪切速率下粘度测定法 ( 锥形 柱塞法) 。我国现行的行业标准 SH/ T 0618 - 95 等效采 用 C EC L - 36 - T - 84 标 准 方 法 , SH/ T 0703 -2001 等效采用 A S TM D5481 - 96 标准方法 。在本 文试验中 , H T HS 粘度的测定均采用 SH/ T 0703 -2001 试验方法 。SH/ T 0703 - 2001 测定方法是在 150 试验条 件下 ,在氮气 (或二氧化碳) 的压力作用下 ,使试样从毛细管粘度计中流出 ,由试样的流出时间及压力 ,可得到毛细 管 粘 度 计 管 壁 表 观 剪 切 速 率 达 到 1 . 4 106 s - 1 时试样的表观粘度 。用对各粘度池校正的曲 线即可确定与所测压力相对应的油品粘度 。2 试验结果从内燃机油的配方来看 ,内燃机油主要由基础在内燃机的工作过程中 ,活塞的往复运动通过连杆小头 、大头轴承和主轴承变为旋转运动 ;在活塞 做功过程中 ,轴承受到很高的冲击载荷 ,尤其是上半 轴承负 荷 更 大 , 因 此 机 油 在 轴 承 处 油 膜 温 度 高 达140160 ,受到的剪切速率高达 106 s - 1 , 若是油 膜强度不能保持 ,则往往会引起轴承各种故障发生 , 严重时将轴承烧结 。在 80 年代 ,国外发动机和汽车 制造商已经发现内燃机高温高剪切部位的内燃机油 尤其是多级油 ,粘度明显减小 ,导致轴承各种故障发生 。80 年 代 后 期 , 为 了 满 足 发 动 机 技 术 发 展 的 需 要 ,欧美一些发动机制造商对内燃机油提出了高温 高剪 切 速 率 条 件 下 测 定 润 滑 油 粘 度 ( 以 下 简 称 H T HS 粘度) 要求 。欧美各大汽车公司及美军都在 内燃机油规格中增加了 H T HS 粘度 。1994 年 ,美国汽车工程师协会在 SA E J 300 - 94 标准中开始增加H T HS 指 标 , 修 订 后 的 最 新 标 准 为 SA E J 300 -2001 。SA E J 300 - 2001 的 H T HS 粘度指标见表 1 。表 1 SAE J300 - 2001 内燃机油 HTHS 粘度指标SA E 粘度等级203040405060HTHS 粘度/ mPas 2 . 62 . 92 . 90 W 、5 W 、10 W3 . 715 W 、20 W 、25 W3 . 73 . 7备注公 司 参 照 美 国 试 验 与 材 料 协 会 标 准 A S TMD5481 - 96润滑油在高温高剪切速率下表观粘度 测定法 多重毛细管法编制行标 SH/ T 0703 -2001 。由于 H T HS 粘度性能要求相对内燃机 油 的 其它性能起步较晚 ,在我国 H T HS 分析项目的颁布 是近几年的事情 ,我国大部分内燃机油的产品标准未及时修订采用 H T HS 粘度指标 ,因此国内有相当收稿日期 :2003 - 10 - 27 。作者简介 :戴瑞群 ( 1969 - ) ,女 ,工程师 , 1990 年毕业于广东石化 专科学校有机化工专业 ,从事润滑油质量检测和应用研究工作 。第 2 期戴瑞群等 . 内燃机油高温高剪切粘度计算方法的探讨61油 、稠化剂 、复合功能剂 3 组分组成 ,这 3 组分占内燃机 油 的 比 例 达 到 99 . 6 %以 上 , 因 此 内 燃 机 油 的H T HS 粘度主要由这 3 组分决定 ,我们分别考察这3 组分的 H T HS 粘度 。2 . 1基础油试验结果根据调合不同粘度等级配方中常用的基础油粘度控制值 , 选取几个基础油粘度 点 , 分 别 用 A P I 类 、类 、类 、类基础油调合出相同的 100 运 动粘度进行 H T HS 粘度测定 ,数据如表 2 所示 。表 2 API 类 、类 、类 、类基础油在相同粘度下高温高剪切性能对比A P I 类A P I 类A P I 类A P I 类基础油100 目标值/ mm2s - 1100 实测值/ mm2s - 1100 实测值/ mm2s - 1100 实测值/ mm2s - 1100 实测值/ mm2s - 1H T HS 粘度/ mPasH T HS 粘度/ mPasH T HS 粘度/ mPasH T HS 粘度/ mPas10 . 09 . 08 . 58 . 07 . 57 . 06 . 56 . 05 . 55 . 04 . 59 . 9908 . 9628 . 5017 . 9387 . 4496 . 9506 . 4625 . 9545 . 4853 . 0322 . 8682 . 6762 . 5292 . 4572 . 2762 . 1602 . 0191 . 8959 . 9878 . 9248 . 4657 . 9057 . 3956 . 8816 . 4025 . 9165 . 4494 . 9774 . 5122 . 9912 . 8512 . 6412 . 5942 . 4062 . 2712 . 0812 . 0271 . 9041 . 6871 . 50010 . 142 . 9997 . 772 . 4446 . 4825 . 9565 . 4584 . 9794 . 5102 . 0742 . 0361 . 8921 . 7291 . 4996 . 4325 . 9575 . 4785 . 0184 . 5122 . 1632 . 0461 . 9291 . 8161 . 691从表 2 可以看出 ,分别用 A P I 类 、类 、类 、类基础油调合相同粘度的基础油 ,其 H T HS 粘度 值基本相同 ,说明用不同生产工艺的基础油调合内燃机油 ,对内燃机油的 H T HS 粘度的影响一样 。用包括表 2 在内的基础油数据作图 1 ,可以看出 ,基础 油的 100 运动粘度与 H T HS 粘度成线性关系 。图 1 基础油100 与 HTHS 的关系(1)由图 2 得出公式 : y = - 0 . 0034 x 2 + 0 . 2831 x +由图 1 得出公式 : y = 0 . 2526 x + 0 . 4102式中 : x 为基础油的 100 运动粘度 , y 为基础油的 H T HS 粘度 。2 . 2稠化剂试验结果调合内燃机油常用到的稠化剂有 OCP ( 乙丙共 聚物) 及 DM P (聚甲基丙烯酸酯 ( PMA) 和乙丙共聚 物 ( OCP ) 的 共 聚 物 ) , 把 OCP 分 别 以 5 % 、10 % 、15 % ,DM P 分别以 2 % 、4 % 、6 %的比例分别加入到 不同 粘 度 的 基 础 油 中 , 考 察 其 对 H T HS 性 能 的 影响 ,如图 2 所示 。0 . 2633( 2)式 ( 2) 中 : x 为稠化基础油 ( 用 OCP 和 DM P 稠化) 的 100 运动粘度 , y 为稠化基础油的 H T HS 粘 度 。由 图 2 可 以 看 出 , 基 础 油 加 入 稠 化 剂 ( OCP 、DM P) 后的 100 运动粘度与 H T HS 粘度的关系近 似线性 ,但略往下偏 ,说明稠化剂的高温高剪切性能 不如基础油好 。62润 滑 油2004 年第 19 卷图 2 稠化内燃机油的 HTHS2 . 3复合功能剂的试验结果由于不同质量等级油品的复合功能剂加入量不 同 ,它们所引起的 H T HS 粘度增加值也不同 ,从表 3数据看 ,加入复合功能剂后 H T HS 粘度增加值随着复合功能剂加入量和基础油粘度的增大而增大 。由 表 3 数据作图 3 。表 3 复合功能剂对 HTHS 的影响基础油SFCCS GSJ100 目标值/ mm2s - 1H T HS/ mPasH T HS/ mPasH T HS/ mPasH T HS/ mPasH T HS/ mPas10 . 09 . 03 . 0322 . 8680 . 4820 . 4410 . 2260 . 2201 . 0351 . 1018 . 07 . 56 . 52 . 5942 . 4572 . 1600 . 8410 . 7970 . 7110 . 930 . 9030 . 7900 . 3960 . 3610 . 1880 . 1685 . 55 . 01 . 8951 . 6870 . 3440 . 1420 . 5720 . 5130 . 6480 . 605图 3 功能剂对 HTHS 的影响从图 3 看出 ,加入复合功能剂后油品的 H T HS粘度增加值与基础油 100 运动粘度成线性关系 。 线性回归公式分别如下 :式中 : x 为基础油 100 运动粘度 , y 为加入复合功能剂后油品 H T HS 粘度的增加值 。图 4 为加入复合功能剂后油品的 100 运动粘 度增加值与基础油 100 运动粘度的关系 。从图 4 看出 , 加入复合功能剂后的 100 运动 粘度增加值与基础油 100 运动粘度成线性关系 。 线性回归公式分别如下 :SJ 复合功能剂 : y = 0 . 1009 x + 0 . 1212S G 复合功能剂 : y = 0 . 1034 x + 0 . 0192SF 复合功能剂 : y = 0 . 031 x + 0 . 1671CC 复合功能剂 : y = 0 . 019 x + 0 . 0428( 3)( 4) ( 5) ( 6)第 2 期戴瑞群等 . 内燃机油高温高剪切粘度计算方法的探讨63SJ 的100 : y = 0 . 3827 x + 0 . 399( 7)( 8) ( 9)CC 的100 : y = 0 . 0448 x + 0 . 1031( 10)S G 的100 : ySF 的100 : y= 0 . 2515 x+ 0 . 7091式中 : x 为基础油 100 运动粘度 , y 为加入复合功能剂后的 100 运动粘度增加值 。=0 . 0978 x+0 . 3552图 4 加入功能剂后的100 增加值3内燃机油 HTHS 粘度值的计算内燃机油主要由基础油 、稠化剂 、复合功能剂 3 大部分组成 ,降凝剂的加入量只有零点几 ,对 H T HS 粘度值的影响非常小 ,在这里忽略不计 。通过以上 对这 3 种组分 H T HS 性能进行考察的数据来看 ,可 以计算内燃机油的 H T HS 粘度值 。计算公式 : H = A + BH 为内燃机油的 H T HS 粘度值 ;A 为基础油或稠化基础油的 H T HS 粘度值 ;B 为添加复合功能剂后引起的 H T HS 粘度增 加值 。3 . 1多级内燃机油 HTHS 粘度值的计算由于多级内燃机油加入稠化剂 , A 值通过图 2回归的公式 ( 2) 计算 , B 值通过图 3 回归的公式 ( 3) ( 6 ) 计 算 。由 于 公 式 ( 2 ) 的 x 为 稠 化 基 础 油 的100 运动粘度 ,调合油品时 ,一般情况下稠化基础 油的 100 运动粘度是不测定的 , 建议可通过反算法 ,即 成 品 油 的 100 运 动 粘 度 减 去 复 合 功 能 剂100 运动粘度的增加值 ( 由图 4 得出的公式 ( 7) (10) ) 获得稠化基础油的 100 运动粘度 。 计算示例 : 例 SJ 10 W/ 40 :基础油的100 :6 . 4 mm2 / smm2 / s由公式 (2) y = - 0 . 0034 x 2 + 0 . 2831 x +0 . 2633 , 得 A = 3 . 03 m Pas由公式 (3) y = 0 . 1009 x + 0 . 2212 , 得 B = 0 . 87 m Pas那么 ,此油的 H T HS 值 : H = A + B = 3 . 03 +0 . 87 = 3 . 90 m Pas实测此油的 H T HS 值 :3 . 95 m Pas 。3 . 2单级内燃机油 HTHS 粘度值的计算单级内燃机油不加稠化剂 , A 值通过图 1 的公 式 ( 1) 计算 , B 值通过图 3 回归公式 (3) (6) 计算 。计算示例 : 例 CC 40 :基础油的100 :13 . 3 mm2 / s由公式 (1) y = 0 . 2526 x + 0 . 4102 , 得 A = 3 . 77 m Pas由公式 (6) y = 0 . 019 x + 0 . 0428 , 得 B = 0 . 30 m Pas那么 ,此油的 H T HS 值 : H = A + B = 3 . 77 +0 . 30 = 4 . 07 m Pas实测此油的 H T HS 值 :4 . 02 m Pas 。HTHS 指标难易控制的讨论通过这几年公司对成品内燃机油的 H T HS 粘 度的测定及实验室大量的试验工作 ,发现 H T HS 粘 度的指标控制很有特点 , 除了 30 多级油 H T HS 粘度的质量难控制 、30 单级油较难控制之外 , 40 ( 单 、4由 公 式 ( 7 ) y = 0 . 3827 x + 0 . 399 , 得 SJ100 = 2 . 85 mm2 / s稠化 基 础 油 的 100 : 14 . 18 - 2 . 85 = 11 . 3的64润 滑油2004 年第 19 卷多级) 成 品 油 的100 分 别 控 制 在 14 . 00 mm2 / s 和14 . 30 mm2 / s 以上 ,50 、60 成品油无需特别控制 ,均 能通过 H T HS 粘度指标 。50 、60 无论单级还是多级 的100 均大于 40 级别成品油的运动粘度控制值 , 而且 H T HS 粘度指标仍均大于 3 . 7 m Pa s , 因 此 , H T HS 粘度一定大于 3 . 7 m Pas 。随着粘度等级越高 H T HS 粘 度 质 量 余 量 越 大 , 甚 至 没 必 要 测 定H T HS 粘度 。对于难控制的 30 多级油和较难控制 的 30 单 级 油 , 只 要 控 制 好 成 品 油 的 100 , 控 制 H T HS 粘度合格也是有把握的 。本文做的试验结果 也验证了这些结论 。表 4 内燃机油的 HTHS 粘度控制情况40 多级油( 0 W 、5 W 、10 W)40 多级油( 15 W 、20 W 、25 W)项 目30 多级油50 多级油60 多级油H T HS 粘度/ mPas建议成品油100 控制值/ mm2s - 1H T HS 粘度控制程度2 . 910 . 50难2 . 9不必 易3 . 714 . 30较易3 . 7不必 易3 . 7不必 易项 目30 单级油40 单级油50 单级油60 单级油建议成品油100 控制值/ mm2s - 1H T HS 粘度控制程度10 . 00较难14 . 00较易不必易不必易5结论(1) 不同 A P I 类 ( 、) 的基础油调合 内燃机油 ,对 H T HS 值影响相同 ;(2) 基础油的 H T HS 粘度与 100 运动粘度成 线性关系 ;(3) 稠化基础油的 H T HS 粘度与 100 运动粘 度成非线性关系 ,稠化剂的高温高剪切性能不如基 础油 ;(4) 内燃机油 H T HS 粘度计算值与实测值相当吻合 ,具有较强的实用性及指导性 ;(5) 30 ( 单 、多) 级别 、40 级别 ( 0 W 、5 W 、10 W 除 外) 的内燃机油需控制成品油的运动粘度 ,才能确保H T HS 粘 度 合 格 。40 ( 0 W