不同基礎油生產多級內燃機油CCS的變化規律研究

林楚喜

（中國石化潤滑油茂名分公司,廣東茂名 525011）

不同基礎油生產多級內燃機油CCS的變化規律研究

林楚喜

（中國石化潤滑油茂名分公司,廣東茂名 525011）

通過分析多級內燃機油CCS性能的影響因素,利用了數學回歸的方法推導出不同基礎油CCS性能與粘度的變化規律,考察了不同功能劑和稠化劑加入后對油品CCS性能測定結果的增加值變化情況之后,總結出生產過程中可以用圖表或公式計算來控制不同基礎油的粘度,從而達到控制油品CCS性能的目的。

多級內燃機油;低溫啟動性能;規律

0 前言

多級內燃機油具有優良的低溫性能,冬季發動機容易啟動,節省燃料和機油,目前在國外已普遍使用,美國汽油機油的82%,柴油機油的55%是多級油,日本汽油機油97%是多級油[1]。多級內燃機油是選用粘度較低的基礎油加粘度指數改進劑、降凝劑和其他功能劑調配而成的。低溫啟動性能是多級內燃機油的一個重要質量指標,通常稱CCS性能,也稱為低溫動力粘度（m Pa·s）,油品的低溫動力粘度越小,發動機在低溫的條件下就越容易啟動。而在調合過程中,當基礎油粘度控制較低時,粘度指數改進劑加入量增加,油品的CCS性能容易通過,但油品在使用過程中可能會出現粘度下降快[2],這就是剪切性能差的問題。如果基礎油的粘度控制過高,粘度指數改進劑的加入量減少,就可能會導致油品CCS無法通過。因此,必須分析油品CCS的影響因素,找出不同因素對CCS性能影響程度的變化規律,從而實現對多級內燃機油CCS的控制。

1 內燃機油低溫動力粘度的發展過程和測量原理

發動機油表觀粘度測定法GB/T 6538[3]指出,內燃機油的CCS是屬于“非牛頓流體”性質,而油品的粘度定義是屬牛頓流體。按粘度的定義,流體微層之間的剪切應力（或內摩擦力）與其相對滑動的速度梯度成正比,此比例系數即為粘度[4]。符合此定義的可稱牛頓流體,而不含高分子聚合物作粘度添加劑的內燃機油（常稱單級油）是典型的牛頓流體。其流變性能符合牛頓定律。據此,用W a lther公式表示其粘溫關系:

式中:A,B,R——物質的物理常數;

υ——粘度;

T——絕對溫度。

按此公式,對某種潤滑油,其粘度與溫度關系在雙對數坐標紙上是直線關系。

自從20世紀50年代出現了多級油后,人們發現粘度不但與物質有關,還會隨剪切速度而變,呈現非牛頓流體的性質。它在雙對數坐標紙上粘度與溫度關系并非直線關系,而是一條彎曲線,因而無法采用外推法測其粘度。

從1957年開始,美國材料試驗協會ASTM對實驗室低溫粘度測定法進行大量的研究工作。根據其所得的粘度與發動機粘度對比的結果,認為一種被稱作冷啟動模擬機（簡稱CCS）的測試方法精密度最好,與發動機粘度也最接近,而低溫啟動模擬試驗是以CRC[6]在1961～1963年發動機研究的基礎上發展起來的[7],在1967年被SAE所接受。美國ASTM已將CCS規定為測定發動機油低溫粘度的方法ASTM 5293[8]。我國也參照采用該方法制訂了發動機油表觀粘度測定法GB/T 6538冷啟動模擬機法。該方法適用于實驗室測定發動機油在高剪切速率下,-30℃至-5℃的低溫表觀粘度,所得結果與發動機油的啟動性能有關[9]。

發動機油低溫粘度測定原理:將油樣加到轉子與定子之間,用直流電動機,驅動一個緊密裝在定子里的轉子,通過調節流經定子的制冷劑流量來維持試驗溫度,并在靠近定子內壁處測量試驗溫度。轉子的轉速是粘度的函數,由標準曲線測得的轉子轉速來確定油樣的粘度。低溫粘度和轉速的關系可以用下列方程來表示:

式中:η——低溫粘度;

b0、b1、b2——至少用三個校準標樣測得的常數;

N——觀察到的速度計讀數。

當有三組以上的數據可供使用時,將這些數據代回到下面的方程計算常數b0、b1、b2的值:

在規格要求上,目前我們國家汽油機油標準（GB 11121-2006）[10]和柴油機油標準（GB 11122-2006）粘度等級是采用SAE J300的規定確定了CCS性能的規格要求,但CC、CD、SE、SF的CCS還是按照SAE J300-87規格的要求。在1999年6月, LTEP發機動組公布了新的結果與結論[11],成為SAE J300 DEC99低溫部分的修訂基礎,CCS的測量溫度下降5℃后,更接近現代發動機可啟動的溫度,并在2001年6月成為強制性要求。在新舊SAE J300規定上,對于我們研究不同基礎油生產內燃機油CCS性能的變化規律的方法是完全一樣。SAE J300新舊規格的測試溫度和表觀粘度指標的具體差別見表1。

表1 CCS在SAE J300新舊規格的測試溫度和表觀粘度指標比較

多級內燃機油中加入高分子聚合物后,其低溫流動變得很復雜,因為內燃機油在發動機各部位經受不同的剪切應力,而多級油在不同的剪切速度下,油品的粘度有不同程度的下降,而這種現象與物質性質、溫度和剪切應力有關,呈現出非流體性質。因此,內燃機油CCS的影響因素應從:粘度指數改進劑（高分子聚合物）、基礎油、功能劑、降凝劑和溫度等因素進行考慮,分析不同因素對內燃機油CCS性能影響程度的變化規律,為生產過程的控制提供依據。

2 內燃機油CCS性能的影響因素

2.1 不同基礎油CCS性能的變化趨向

不同種類的基礎油生產多級內燃機油對CCS性能有不同的變化,由于潤滑油茂名分公司采用的基礎油變化頻繁,目前潤滑油茂名分公司經常使用的一類基礎油有大慶、白虎、阿曼、布倫特、阮東、潿洲等,同時還使用一些加氫Ⅱ、Ⅲ類的基礎油。不同種類的基礎油生產一個牌號內燃機油時CCS性能的變化情況,在1996年考察不同基礎油,并控制相同的100℃運動粘度時生產SE/CC 15W-40油品,配方:基礎油+T612+（6.2%）功能劑Q,評價油品的CCS性能,結果見表2。

表2 SE/CC 15W-40發動機油CCS （-15℃）評定結果m Pa·s

從以上油品的評定結果說明:采用不同種類的基礎油生產同一牌號的多級內燃機油對油品的CCS性能影響很大,同時不同種類的基礎油在相同的100℃運動粘度的條件下其CCS性能的差距也是相當大。因此,必須分析同一類的基礎油100℃運動粘度變化時引起CCS性能的變化趨向。

2.1.1 不同基礎油在同一溫度條件下100℃運動粘度與CCS的變化情況

各種基礎油的100℃運動粘度、粘度指數、傾點項目的具體實測數據見表3。

基礎油的CCS性能是否與精制深度有關,潤滑油茂名分公司對同類基礎油在不同精制深度的條件下對CCS性能進行考察。

（1）大慶基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

首先以大慶HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。然后通過數學回歸的方法來確定在某溫度和某區域的條件下基礎油100℃運動粘度與CCS的變化規律,結果見表4。

表3 各種基礎油的100℃運動粘度、粘度指數、傾點項目的實測數據

表4 大慶基礎油不同100℃運動粘度對應CCS的變化

根據散布點的分布情況,可知Y與X在這個區域內近似線性關系,即

Y=a+b x,為了求出a、b的值[13],為了計算簡單化將變量代換:

X1=c（X-d）=10（X-6.11）、Y1=c（Y-e）= 10（Y-2160）,回歸分析計算見表5。

表5 回歸分析計算表

而對n-2=8,a=0.05查相關系數表得ra= 0.632

由于r>ra,可知Y與X在這個區域內近似線性關系Y=917.3X-2514有實用價值（且r=0.998> 0.7這個經驗公式也得到滿足）。

根據以上推理的結論,在一定區域內將不同的基礎油100℃運動粘度與CCS性能變化關系通過數學回歸方法求出其曲線的變化規律。

（2）布倫特基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

布倫特基礎油HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃條件下布倫特基礎油100℃運動粘度與CCS的變化線性: Y=1128.5X-4688.9,而r2=0.9723接近1,說明回歸的公式是很有價值。

（3）阿曼基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

阿曼基礎油HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃、-20℃、-25℃條件下阿曼基礎油100℃運動粘度與CCS的變化關系分別是:

為線性:Y=1238.6X-5209.2,而r2=0.9618接近1;

為冪函數:Y=4.7382X3.7414,而r2=0.9932接近1;

為指數函數:Y=127.51e0.6796X,而r2=0.9934接近1。

（4）白虎基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

白虎基礎油HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃、-20℃、-25℃條件下白虎基礎油100℃運動粘度與CCS的變化關系分別是:

為線性:Y=1152.9X-4769,而r2=0.9913接近1;

為冪函數:Y=18.869X3.0626,而r2=0.9954接近1;

為指數函數:Y=413.01e0.5372X,而r2=0.9979接近1。

（5）潿洲基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

潿洲基礎油HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃、-20℃、-25℃條件下潿洲基礎油100℃運動粘度與CCS的變化關系分別是:

為線性:Y=1315X-5267.8,而r2=0.9901接近1;為冪函數:Y=18.871X3.1576,而r2=0.9993接近1;為指數函數:Y=275.33e0.6292X,而r2=0.9944接近1。

（6）尼羅基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

尼羅基礎油HV I150、HV I400按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃、-20℃、-25℃條件下尼羅基礎油100℃運動粘度與CCS的變化關系分別是:

為線性:Y=743.44X-2504.2,而r2=0.9822接近1;

為冪函數:Y=18.555X2.9369,而r2=0.9997接近1;

為指數函數:Y=348.13e0.5141X,而r2=0.9952接近1。

（7）加氫Ⅱ類基礎油不同100℃運動粘度與CCS的變化情況

我們用加氫Ⅱ類基礎油150N、500N按不同比例混合后測定油樣的100℃運動粘度和CCS。同樣,利用數學回歸的理論求出在-15℃、-20℃條件下雙龍加氫Ⅱ類基礎油100℃運動粘度與CCS的變化關系分別是:

為冪函數:Y=2.233X3.5652,而r2=0.9928接近1;

為冪函數:Y=3.258X3.5893,而r2=0.9995接近1。

2.1.2 不同基礎油在溫度相同的條件下CCS性能對比情況

為了更加明顯區別不同基礎油100℃運動粘度與CCS性能變化情況,我們根據以上所確定的基礎油100℃運動粘度與CCS性能變化關系,按照不同的溫度條件進行分類,將所有不同基礎油100℃運動粘度與CCS變化曲線放在同一個圖上進行比較,這樣我們就很直觀可以看出不同基礎油CCS性能的表現情況。

（1）不同基礎油CCS（-15℃）的變化情況的比較,見圖1。

（2）不同基礎油CCS（-20℃）的變化情況的比較,見圖2。

同樣通過圖表查出基礎油100℃運動粘度在這個區域間每個粘度值對應不同基礎油CCS的變化值。

圖1 不同基礎油CCS（-15℃）的變化曲線對比

圖2 不同基礎油CCS（-20℃）的變化曲線對比

（3）不同基礎油CCS（-25℃）變化情況的比較,見圖3。

同樣,可以通過圖表查出基礎油100℃運動粘度在這個區域間每個粘度值對應不同基礎油CCS的變化值。

圖3 不同基礎油CCS（-25℃）的變化曲線對比

2.2 粘度指數改進劑對CCS的影響

考察不同粘度基礎油加入粘度指數改進劑后對CCS的影響,我們在生產過程中,生產15W粘度等級的油品時,采用OCP粘度指數改進劑,加入量一般情況是控制在10%左右,基礎油100℃運動粘度控制在6.0～6.8mm2/s,生產對CCS的增加值見表6。

表6 加入10%OCP增稠劑后CCS增加值[12]m Pa·s

當基礎油100℃運動粘度變化時,加入一定量OCP增稠劑造成CCS的增加值的變化不大。加入10%OCP增稠劑時對CCS的增加值大約為220單位。

2.3 內燃機油功能劑對CCS的影響

（1）相同基礎油加入不同的功能劑對CCS的影響,見表7。

表7 內燃機油功能劑生產CCS的增加值[12]

在表7計算功能劑平均增加1%加入量對CCS的增加值的結果我們可以得出:同一種功能劑在不同加入量引起CCS的增加值是不可以累加進行計算,當功能劑加入量越大時平均增加1%入量所產生CCS的增加就越小。

（2）相同劑量的功能劑在不同粘度基礎油對CCS的影響,見表8。

表8 相同劑量的功能劑在不同粘度基礎油條件引起CCS的增值[12]

從表8我們可以看出:隨著基礎油粘度的提高,相同劑量的功能劑對CCS的增加值變大。但CCS的增值與基礎油的粘度關系可以近似于平均變化率的比例關系。

由于降凝劑和抗泡劑的加入量比較少,因此這兩個因素對油品CCS性能的影響程度可以忽略。

3 內燃機油生產過程中CCS的調節方法

在生產多級內燃機油的過程中,要滿足油品的CCS性能合格是很容易的,只要降低基礎油的粘度和提高粘度指數改進劑的加入后就能夠解決。但是粘度指數改進劑的加入量超出一定比例時油的剪切性能就會下降,影響油品的使用性能,因此從生產成本和油品的使用質量方面考慮,應該在保證CCS質量指標合格的同時盡可能提高基礎粘度和減少粘度指數改進劑的加入量。

由于內燃機油的CCS性能與基礎油、功能劑、粘度指數改進劑的關系是非常密切（其他的降凝、抗泡劑等劑量少,對CCS指標的影響可以忽略）,生產過程中是通過調整基礎油的100℃運動粘度來控制油品的CCS質量指標,不同100℃運動粘度的基礎油加入功能劑、粘度指數改進劑時,對油品CCS質量指標的影響程度也不同,各有其變化的特點。為了簡化分析推導過程,把粘度變化后對油品CCS質量指標的影響很小的因素可以近似定量值進行計算,分析基礎油的100℃運動粘在6.5mm2/s變化到7.0mm2/s時基礎油、功能劑、粘度指數改進劑的CCS變化值,見表9。

表9 基礎油、功能劑、粘度指數改進劑對CCS變化值的影響程度m Pa·s

我們通過數學回歸的方法求出F1（x）,由于F3 （x）隨基礎油粘度的變化后變化小,可以近似等于常數C,即F3（x）=C,一般的情況下F2（x）我們可以測定在某點基礎油粘度（A）時的CCS增值（B）,將按:

B+C:當基礎油的100℃運動粘度為A mm2/s,功能劑和粘度指數改進劑加入后生產的CCS質量指標的增加值。

為了求出B+C值,當不同油品按日常的生產采用基礎油100℃運動粘度控制條件下測定功能劑和粘度指數改進劑加入后造成CCS的增加值（見表10）。

表10 加入內燃機油功能劑和粘度指數改進劑后對CCS的影響

例如在生產SF/CC 15W-40油品時F4（x）為:

F4（x）=B+C+200（X-A）=970+200（X-6.67）

當需要控制油品的CCS值為3300時得出:3300 =F1（x）+F4（x）

F1（x）=3300-F4（x）=2330-200（X-6.67）

設F5（x）=2330-200（X-6.67）與F1（x）曲線的交點就可以求出不同基礎油100℃運動粘度的控制值,如圖4。

圖4 不同基礎油100℃運動粘度預測值控制

從圖4我們可以查出不同種基礎油的100℃運動粘度的控制值,雙龍加氫Ⅱ類基礎油控制在7.0 mm2/s、尼羅基礎油控制在6.55mm2/s、大慶基礎油控制在6.45mm2/s、布倫特基礎油控制在6.3 mm2/ s、白虎基礎油控制在6.25mm2/s、阿蔓基礎油控制在6.17mm2/s、潿洲基礎油控制在5.9mm2/s。

結果驗證:我們將查出的不同基礎油100℃運動粘度的控制值,按全配方調配SF/CC 15W-40油品,并比較CCS控制值和實測值的差距,具體情況見表11。

表11 CCS控制值驗證表

從驗證的結果看,說明CCS控制值和實測值是非常接近,證明我們采用的方法是有效可行的。

另外一個簡單的方法可以把F4（x）=B+C,理論計算的準確度是87.9%,那么F5（x）=2330,從圖中我們可以查出不同種基礎油的100℃運動粘度的估計值。

4 結論

（1）相同種類基礎油的CCS性能的大小是取決于基礎油運動粘度和測量溫度,基礎油運動粘度越大,測量溫度越低時其CCS測量值就越大;在相同運動粘度的條件下,不同種類基礎油的CCS性能存在相當大的差異;

（2）通過應用數學的回歸方法,推倒出不同基礎油在不同溫度條件100℃運動粘度和CCS的變化曲線,并總結出隨著基礎油粘度的提高,相同劑量的功能劑對CCS的增加值的比例關系F2（x）;

（3）在相同溫度的條件下將不同種類基礎油的CCS性能變化規律進行比較,就能夠掌握哪些種類的基礎油更合適生產多級內燃機油;

（4）可以通過控制不同種類基礎油的100℃運動粘度來保證生產的產品其CCS質量指標在預定的范圍之內;

（5）利用基礎油CCS性能的變化曲線來調整內燃機油的低溫啟動性能是一種有效的參考方法。

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Study on the CCS Change Rules of Multigrade Internal Combustion Engine Oils Produced by Differen t Base Oils

L IN Chu-xi （M aom ing B ranch,S INOPEC Lub rican tCom pany,M aom ing 525011,China）

B y analyzing the influenc ing fac to rs o f low-tem pe ratu re dynam ic v isco sity o fm u ltig rade in te rnalcom bustion eng ine o ils,them athem atica l reg ressionm e thod w as used to de rive the re la tionsh ip be tw een low-tem pe ra tu re dynam ic v isco sity and kinem a tic viscosity o f d iffe ren tbase o ils.The change o f the low tem pe ratu re dynam ic v isco sity afte r add ing d iffe ren t func tionaladd itives and thickene rw as stud ied.Itw as conc luded that d iag ram s o r fo rm u las can be used to con tro l the viscosity o f base o ils,thus the low-tem pe ratu re dynam ic v iscosity can be con tro lled also.

m u ltig rade in te rna l com bu stion eng ine o il;co ld starting pe rfo rm ance;ru le

TE626.32

A

1002-3119（2010）02-0058-07

2009-07-10。

林楚喜（1963-）,男,高級工程師,1985年畢業于廣東石油學校石油煉制專業,1992年畢業于石油大學（函授）石油加工專業,多年從事潤滑油的開發研究、生產管理及售后技術服務工作,曾公開發表論文10多篇。

文章編號:1002-3119（2010）02-0021-04