“内燃机油调配预测系统”的开发

“内燃机油调配预测系统”的开发武志强(石油化工科学研究院，北京1 00083)摘要：本文通过利用内燃机油各组份与各项性能之间的关系模型，对内燃机油各组份的配比在要求指标的前提下 进行优化成功地开发出了“内燃机油调配预测系统”。本文对内燃机油粘度分类GBT 14906和SAE J300进行了 比较并参考内燃机油产品的国标(OB 11121和GB 11122)中有关闲点、倾点和粘度指数等性能的要求，确定了系统 中所规定的不同粘度级内燃机油的主要理化指标。同时提出通过计算基础油可调配指数的方法对基础油可调配性进 行评价。实际使用结果证明，所研制的“内燃机油调配预测系统”配方优化预测较为准确，有极强的实用价值。 关键词：内燃机油预测调配1前言内燃机油是用量最大且技术含量较高的润滑油。随着汽车工业的技术进步及社会对环保要求的 不断提高，内燃机油的技术也在不断发展，油品档次不断提高。2001年7月1日正式发布的GF-3 级汽油机油要求油品要有更好的燃料经济性，这就要求油品在满足指标的情况下，有低的粘度及粘 度保持性这对内燃机油基础油的调台提出了更高的要求。因此，如果能有一个“内燃机油调配预 测系统”则将大大有利于高档内燃机油的开发。另外，为满足内燃机油的不断更新换代和降低成本， 油品调合厂普遍采用复合添加剂来满足市场的需求。对它们来说油品调配技术尤为重要。“内燃机 油调配预测系统”将对其工作起到极大地支持作用，可以大大地提高工作效率，减少工作量。同 时，随着油品调配技术的不断进步，油品调合的实时监控、配比的实时调整，不可避免地将得到应 用。这也必将应用到“内燃机油调配预测系统”。目前还没有见到成功开发有关“内燃机油调配预测系统”的先例本工作的目的就是开发有高 应用价值的“内燃机油调配预测系统”。2 “内燃机油调配预测系统”的设计2l系统总体结构“内燃机油调配预测系统”(简称“系统”)包括配方预测、(基础油、粘度指数改进剂和降凝 剂的)库管理和实用工具三大部分。系统总体结构图见图1。库管理是为用户查看、添加、修改和删除基础油、添加剂和降凝剂所设计的；实用工具集成了 “粘度指数计算”、“基础油间调配粘度预测”和“基础油可调配性评价”三个常用工具；配方预测 是本系统的核心部分，它的作用是根据用户的需求确定包括各基础油组分、粘度指数改进剂、降凝 剂和复合剂(用户指定)的配比及油品性能结果。下面主要就配方预测进行探讨。22“配方预测”部分的设计配方预测的作用是根据用户通过选择所需油品的粘度级、指标要求、基础油、粘度指数改进剂、 降凝剂和复合添加剂的影响等，预测给出最佳的调配方案。具体过程见图2。作者简介：高级工程师石油化工科学研究院七室副室主任1963年1月6日出生石油化工科学研究院应用化学 专业毕业，现从事润滑油产品开发。图1总体结构圈图2调配预测过程示意图7l_-_-_-_-_一一一221指标要求选择GBT 14906自1994年制定后到目前没有变化。而SAE J300的分类指标继1995年补充修改后1999年再次被修改。增加了高温高剪切粘度，降低了低温动力粘度和低温泵送性的测试温度5C。GBT 14906和SAE 1300的指标比较见表1和表2。表1 GBT14906和SAE J300的低温性能比较表2明T 14906和SAE J300对高温离剪切粘度要求的比较 塑：兰：!业塑垒i当苎壁塑!塑幽塑：曼：!垡兰型塑塑：兰盟竖堡兰!曼塑堡塑250-3760， 37由于上述不同，系统中设立了“国标”和“ShE J300”选项。另外，在内燃机油产品的国标(GR 11121和GB 11122)中，内燃机油产品都有闪点、倾点的要 求，对单级油还有粘度指数的要求。而油品的这些性质直接与基础油有关。因此，根据GB 11121 和GB 11122对各粘度级别的油品上述性质的要求，本系统规定了“国标”选项对备粘度等级油品 闪点、倾点和粘度指数的要求。闪点、倾点和粘度指数要求及根据见表3。表3内燃机油最高倾点要求!：!垫!塑垫簦4010225 80 SF40等车幕统艇定的参考值另外，在我国GB 11121和GB 11122中对多级内燃机油，有用轴瓦腐蚀试验，检验油品剪切 安定性的要求。要求试验lo小时后，油品100。C运动粘度要在粘度级别要求之内，而对于绝大多 数多级内燃机油在轴瓦腐蚀试验10小时时的100(2运动粘度低于0小时。因此，在多级内燃机油的 指标中，油品100*C运动粘度要高于低限一定数值(下称剪切保证值)，以保证油品符合国标要求。 各粘度级别油品的剪切保证值规定于表4。表4各多级油的剪切保证值粘度级 剪切保证值，mm2s粘度级 剪切保证值2，s0W脚 0615W佗0040Wf30 07l 5130 060W40 O815wt40 080W50 1015w50 1O0wt60 1215w60l 25W，20 0 5 2剖20W5W，30 0720W130 055W140 n920wt40 065W50 1020Wt50 0 85Wt60 I220W，印 1010W脚0410W，30 0725w300510Wt40 0825Wt400610w150 1025W50 n710Wt60 12 删j601_0对表4中的数据，少部分粘度级的数据是由轴瓦腐蚀试验的经验总结而得。绝大部分粘度级的 数据是推断而来。由于影响轴瓦腐蚀试验10小时粘度下降的因素较多，如粘度指数改进剂及其 加量、基础油的燕发损失、油品的抗氧化安定性等，对于各粘度级别规定统一的100C运动粘度剪 切保证值，并不一定能反映实际的情况。但在更有效的方法建立以前，使用这一方法还是必要的。在指标选择“国标”一项的设计中，内燃机油不仅要求符合GBT 14906，而且同时要求满足GB 11121和GB 11122对油品闪点、倾点、粘度指数和10012运动粘度剪切保证值的规定要求。 为满足用户对指标不同的需要。系统设置“自定”选项。用户可以根据自己的具体需求选择油品的指标。222基础油、粘度指数改进剂、降凝剂和复合剂及其影响的选择基础油、粘度指数改进剂和降凝剂的选择是从基础油库、粘度指数改进剂库和降凝剂库选择所用的基础油、粘度指数改进剂和降凝剂。 对于复合剂，不同的复合添加剂对油品理化性能的影响不同。主要表现在其对油品高低温粘度的影响上。复合荆中对油品高低温动力粘度的影响主要源于复台剂中的无灰分散剂，复合剂应用的 无灰分散剂类型不同，则对油品高低温性能的影响不同，具体影响即将报道。本系统依据复合添加 剂对油品高低温性能的影响，将复合剂分为三类。由于复合剂品种繁多，以上三种类型难于完全概括。且同一类型的复合剂由于其所应用的无灰 分散剂的牌号不同、用量不同其对油品性质的影响也不同。为保证用户可以更加准确地输入复合 剂的影响信息，在复合添加剂影响的选项里保留了用户自输入功能。用户可以根据自己对复合添加 剂的了解，自行输入复合剂的影响，以确保预测的准确性。223配比优化配比优化是系统根据所选的指标要求进行配方优化。其过程见图3。圈3配比优化过程示意图下面分别就配比优化过程中的一些问题及解决方法分别进行探讨。2231基础油可调配性考察及基础油可调配指数 在配方预测的过程中，首先要进行的就是基础油可调配性能考察。考察每个基础油，是否单独可以用所选择的粘度指数改迸剂和降凝剂调配出符合指标要求的油品(可以的基础油称为“可调 配基础油”)。如果所选基础油中没有可调配基础油，对于多级油，则用选择的基础油、粘度指数 改进剂和降凝剂无法调配出符合要求的油品。在有可调配基础油的基础上，应对基础油以可调配性能进行排队，以便以后的进一步计算和结果输出。对于基础油对指定指标可调配的程度(简称“可调配性”)，目前没有一个具体的评价标 准。这里提出一个可调配指数的概念。它只对选定的粘度指数改进剂、降凝荆、以及油品指标和复 合剂的影响来说有意义，是配方预测过程中应用的一个概念，不同体系(粘度指数改进剂、降凝剂 和复合剂)、不同的指标要求下的基础油的可调配指数没有可比性。对于选定的体系油品的可调 配指数越高则油品对指定体系的可调配性越大，即较易调配。对于多级油，基础油可调配指数分不同的情况规定如下： 在加入复合荆和降凝剂后低温粘度超过指标要求或高温粘度超过油品高温粘度限制的基础油，可调配指数计算如下：基础油100运动粘度(mm2s) 可调配指数=基础油在指定温度下的低温动力粘度(mPas) 。此类基础油为不可调配基础油其可调配指数小于1。低温动力粘度相同的此类基础油，100运动粘度越大则其可调配指数越高。74对于其他情况。可调配指数规定为，在满足油品的低温性能基础上，油中加入规定的复合 添加剂、适量的降凝剂和尽可能多的粘度指数改进剂后，油品可能达到的最高100C运动粘度。这一粘度越高，则油品舸调配指数越高，可调配性越大。此类基础油的可调配指数均大于1。其中，可调配指数大于油品100C运动粘度低限的，是可调配基础油。对于可调配基础油，其可调配指数越高，可以掺合的不可调配基础油的量应越多。对于不可调配 基础油，可调配指数越高，则其在与可调配基础油调合时，可以掺和的不可调配基础油的量应越多。对于多级油的调配，如果没有可调配基础油，则不能调配出符合要求的油品。2232配比优化计算 对于内燃机油来说，粘度指数改进剂是多级内燃机油必需的添加剂，它可以提高油品的粘度，改善油品的粘温性能，使油品达到多级内燃机油的要求。但对于内燃机油来说，油品中粘度指数改 进剂加量越大，则油品的剪切安定性越不好，油品的清净性越不好，调油成本也越高。在油品的调 配过程中，油中粘度指数改进剂的加量越少越好。因此，选择粘度指数改进剂添加量的相关函数作 为目标函数，要求油中粘度指数改进剂的加量为最低。粘度指数改进剂的加量的模型主要受基础油的100 6C运动粘度和低温动力粘度、100 6C运动粘 度和低温动力粘度的指标要求、复合添加剂的加量的影响。同时也受基础油的闪点、倾点、蒸发损 失，及这些因素的指标要求等因素的影响，影响因素较多，模型较为复杂。目前有关内燃机油调合的模型已有不少报道191。本研究工作也将陆续报道自己开发的相关模型。 约束条件利用指标要求的内容。分别如下：1006C运动粘度低限1006C运动粘度100C运动粘度高限： 低温动力粘度低温动力粘度高限： 低温泵送温度低温泵送温度最低值；闪点闪点低限； 高温高剪切粘度高温高剪粘度最低值； 蒸发损失蒸发损失最高值。223t3 结果输出及结果反馈 配方预测结果显示及验证结果输入界面设计见图4。图4结果输出界面75一一优化结果输出设计了7个配比结果，有使用各单一基础油进行调配的结果(配方1,2，3)、使用两 基础油调配的结果(配方4,5，6)和使用三个基础油的调配结果(配方7)。不可调配的组合不显示。为了方便用户对配方的不同要求，对于两(基础油)组分、三(基础油)组分的调配结果还给出其 中一组分在可能的范围内任意变化时的结果。对于需要较准确结果的使用者，推荐对选中的配方进行验证将验证结果输入调配油的实测 结果框相应的项中，软件将自动检验结果，对于不符合要求的配方进行调整，并反馈至建议配方中。另外，在软件中设计了对所选结果的存储、读取和打印的功能。可以方便用户使用。3系统检验 为检验此方法的预测准确性和实用性，进行了内燃机油基础油调配预测的实际应用。应用实例见表57。表5应用实例SHD 15W40SFCC 15Wt40 SDCC 15Wt40 名称预测实测预测 实测预测 实测夏吾剂，w78 -5942f表7应用实例SF 10W40SFl0W30 SF 15Wt40 SF 15W40 名称 预测 实测预测实测预测 实测预测 实测荆门减二线，w -一 一 561 594 一!婴!：!墨!：i：!：!：!：! ：!：! ：复合剂，w55-55 55 55-由表5、表6和表7可以看到，预测结果与实际结果较好吻合，调配预测可以得到较高的预测精度。4结束语所开发的“内燃机油调配预测系统” 较全面地涵盖了国内外内燃机油对油品调配的要求。系统 配方优化较为准确，实用性很强。使用本文提出的可调配指数的概念，可对基础油的可调配性进行评价，使用方便。参考文献1ASTMD341APPENDIXES X2OILBLENDING CALCULATIONS，Annual bookof ASTMstandmds-Pan23,PetroleumProducts andLubricantsAmericanSocietyforTestingandMaterials，1981，205-211 侯祥一主编中田炼油技术，北京：中国石化出版杜，1991 欧风合理润滑技术手册石油工业出版杜，1993 水天德，现代润滑油生产工艺石化出版牡，1997Huggins，E，program Evaluates Component and Blend xrtosides，Oil and Gas Journal，Vol 83No431985,pp122-129Neveu CHuby E，Solution lroper血s ofPolymethacry VI Improvers，Lubrication Science，127(1988)HBonrgngnon,CRodesMathematical Model for the Thickening powes of Viscosity Index Improvers，LubricationScience，3-3，143-160(1991)8 DLadv