旋轉流變儀評價發動機油黏溫性能

李勇 王繼勝 薛萬安 谷喜鳳

1 天津日石潤滑油脂有限公司

2 國家能源集團錫林郭勒通力鍺業有限責任公司

3 神華北電勝利能源有限公

汽車行業的方興未艾，促進了潤滑油市場需求量的不斷增長。對于潤滑油行業來說既是機遇，也是挑戰。特別是《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段) 》[1]法規分階段的實施，迫使車輛原始設備制造商不斷發展和采用新的發動機技術，從而對發動機潤滑油提出了更高的性能要求。在法規和發動機技術更新的雙重壓力下，潤滑油配方必須盡快更新。

發動機潤滑油配方理化指標主要評定運動黏度、低溫動力黏度、邊界泵送黏度、蒸發損失、高溫高剪切黏度等相關性能。經常會遇到雖配方體系不同，但主要性能指標相差不多的情況。如何從更深層次去發掘配方差異，是本次研究的重點。本文在3個配方理化指標數值基本相同的情況下，探索性地運用旋轉流變儀對配方進行篩選，以確保潤滑油在整個換油周期內為發動機提供耐久性保護。

試驗部分

試驗材料

試驗所用的3種油品均為CK-4 15W-40柴油機油，但屬于不同配方體系，且均已通過API相關臺架認證，其基本理化指標見表1。

表1 3種油品的主要理化指標

由表1可見，3個配方的黏度指數基本相同，不容易進行配方優劣的判斷，需進一步進行篩選。

試驗儀器

旋轉流變儀的主要工作原理是不同的測試夾具通過馬達的帶動，采用旋轉或振蕩的模式對樣品作用，然后光學解碼器采集樣品反饋的應力、應變或扭矩，數據分析軟件再根據已知測試狀態參數計算其他流變參數并加以分析[2]。DHR流變儀主要由測試主機和電控箱兩部分部件組成。用平板進行測試，在剪切速率均是1 s-1的條件下，溫度限定在100 ℃～-30 ℃范圍內，分別測定3個配方的動力黏度，每60 s記錄1次動力黏度值。

采用美國TA DHR-3型流變分析儀進行測試，核心技術參數見表2。

表2 TA DHR-3型流變儀核心技術參數

結果與討論

潤滑油的基礎油是黏度與剪切速率無關的牛頓流體，黏度指數改進劑的加入改變了基礎油的流動性能，使其成為非牛頓流體，隨剪切速率的變化而變化。潤滑油的黏溫性能反映了潤滑油在使用過程中成膜的能力。由于發動機中各部分的剪切速率分布不同，導致潤滑狀態也不盡相同。潤滑油的黏度隨溫度的升高而降低，黏度指數是衡量黏度隨溫度變化而改變程度的指標[3]。

低溫動力黏度主要影響發動機的冷啟動性，它是冬用潤滑油及多級油的重要指標之一。我國南北區域廣泛，氣候多變，從黑龍江漠河到南方的海南三亞氣溫最大相差超過60 ℃，這時油品的低溫黏度變得尤為重要。常用低溫動力黏度來評定發動機油的低溫冷啟動性能，它反映了機油在發動機活塞環和汽缸套部位的低溫流變性能[4]。影響發動機油低溫動力黏度的主要因素是基礎油，黏度指數改進劑及功能添加劑，其中基礎油對油品低溫動力黏度的影響尤為重要[5]。

3個配方中黏度指數相差無幾，因此本文評定整個配方在不同溫度下的動力黏度，以佐證各配方在高低溫黏度上的優劣，進而評定配方中黏度指數改進劑的性能。性能優良的黏度指數改進劑不僅具有良好的增黏能力，還需具有良好的低溫性能。

3個配方的黏溫曲線見圖1，動力黏度測定結果見表3。

表3 3個配方的動力黏度

圖1 3個配方的黏溫曲線

從圖1和表3可以看出，在高溫時3個樣品的動力黏度幾乎沒有差別，溫度越低差別越明顯。樣品3對應的配方黏溫性最好，低溫時的動力黏度最小，間接說明低溫時油液分子間產后內摩擦力[6]更小，黏度指數改進劑的低溫性能優異。

雖然用旋轉流變儀測試出來的-20 ℃低溫動力黏度數值同GB/T 6538—2010標準方法測定結果差別較大（見表4），但從圖2中我們可以看到，隨著溫度的降低，低溫動力黏度數值是增大的。兩種方法對同一油品而言，其所測得的黏度隨溫度的變化趨勢是相同的，且用旋轉黏度儀所測得的黏溫曲線能更直觀地顯示配方整體的黏溫性能趨勢。同時，3個配方中基礎油種類不同，說明樣品3配方中基礎油性能優良。

表4 低溫動力黏度結果對比表

結論

☆本文采用流變儀對3種發動機油配方進行研究比較，通過繪制黏溫曲線，對3個配方的性能做了進一步篩選，最后選定樣品3所對應的配方。

☆旋轉黏度儀在非牛頓流體方面的應用很廣泛，而很少用于篩選潤滑油配方。本文探索性地采用進行研究，研究的結果表明，流變儀可以作為評價配方高低溫性能的一種補充方法。