旋转流变仪评价发动机油黏温性能

李勇 王继胜 薛万安 谷喜凤

1 天津日石润滑油脂有限公司

2 国家能源集团锡林郭勒通力锗业有限责任公司

3 神华北电胜利能源有限公

汽车行业的方兴未艾，促进了润滑油市场需求量的不断增长。对于润滑油行业来说既是机遇，也是挑战。特别是《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段) 》[1]法规分阶段的实施，迫使车辆原始设备制造商不断发展和采用新的发动机技术，从而对发动机润滑油提出了更高的性能要求。在法规和发动机技术更新的双重压力下，润滑油配方必须尽快更新。

发动机润滑油配方理化指标主要评定运动黏度、低温动力黏度、边界泵送黏度、蒸发损失、高温高剪切黏度等相关性能。经常会遇到虽配方体系不同，但主要性能指标相差不多的情况。如何从更深层次去发掘配方差异，是本次研究的重点。本文在3个配方理化指标数值基本相同的情况下，探索性地运用旋转流变仪对配方进行筛选，以确保润滑油在整个换油周期内为发动机提供耐久性保护。

试验部分

试验材料

试验所用的3种油品均为CK-4 15W-40柴油机油，但属于不同配方体系，且均已通过API相关台架认证，其基本理化指标见表1。

表1 3种油品的主要理化指标

由表1可见，3个配方的黏度指数基本相同，不容易进行配方优劣的判断，需进一步进行筛选。

试验仪器

旋转流变仪的主要工作原理是不同的测试夹具通过马达的带动，采用旋转或振荡的模式对样品作用，然后光学解码器采集样品反馈的应力、应变或扭矩，数据分析软件再根据已知测试状态参数计算其他流变参数并加以分析[2]。DHR流变仪主要由测试主机和电控箱两部分部件组成。用平板进行测试，在剪切速率均是1 s-1的条件下，温度限定在100 ℃～-30 ℃范围内，分别测定3个配方的动力黏度，每60 s记录1次动力黏度值。

采用美国TA DHR-3型流变分析仪进行测试，核心技术参数见表2。

表2 TA DHR-3型流变仪核心技术参数

结果与讨论

润滑油的基础油是黏度与剪切速率无关的牛顿流体，黏度指数改进剂的加入改变了基础油的流动性能，使其成为非牛顿流体，随剪切速率的变化而变化。润滑油的黏温性能反映了润滑油在使用过程中成膜的能力。由于发动机中各部分的剪切速率分布不同，导致润滑状态也不尽相同。润滑油的黏度随温度的升高而降低，黏度指数是衡量黏度随温度变化而改变程度的指标[3]。

低温动力黏度主要影响发动机的冷启动性，它是冬用润滑油及多级油的重要指标之一。我国南北区域广泛，气候多变，从黑龙江漠河到南方的海南三亚气温最大相差超过60 ℃，这时油品的低温黏度变得尤为重要。常用低温动力黏度来评定发动机油的低温冷启动性能，它反映了机油在发动机活塞环和汽缸套部位的低温流变性能[4]。影响发动机油低温动力黏度的主要因素是基础油，黏度指数改进剂及功能添加剂，其中基础油对油品低温动力黏度的影响尤为重要[5]。

3个配方中黏度指数相差无几，因此本文评定整个配方在不同温度下的动力黏度，以佐证各配方在高低温黏度上的优劣，进而评定配方中黏度指数改进剂的性能。性能优良的黏度指数改进剂不仅具有良好的增黏能力，还需具有良好的低温性能。

3个配方的黏温曲线见图1，动力黏度测定结果见表3。

表3 3个配方的动力黏度

图1 3个配方的黏温曲线

从图1和表3可以看出，在高温时3个样品的动力黏度几乎没有差别，温度越低差别越明显。样品3对应的配方黏温性最好，低温时的动力黏度最小，间接说明低温时油液分子间产后内摩擦力[6]更小，黏度指数改进剂的低温性能优异。

虽然用旋转流变仪测试出来的-20 ℃低温动力黏度数值同GB/T 6538—2010标准方法测定结果差别较大（见表4），但从图2中我们可以看到，随着温度的降低，低温动力黏度数值是增大的。两种方法对同一油品而言，其所测得的黏度随温度的变化趋势是相同的，且用旋转黏度仪所测得的黏温曲线能更直观地显示配方整体的黏温性能趋势。同时，3个配方中基础油种类不同，说明样品3配方中基础油性能优良。

表4 低温动力黏度结果对比表

结论

☆本文采用流变仪对3种发动机油配方进行研究比较，通过绘制黏温曲线，对3个配方的性能做了进一步筛选，最后选定样品3所对应的配方。

☆旋转黏度仪在非牛顿流体方面的应用很广泛，而很少用于筛选润滑油配方。本文探索性地采用进行研究，研究的结果表明，流变仪可以作为评价配方高低温性能的一种补充方法。