影响润滑油调配质量的因素分析

近年来，润滑油在各类汽车、机械设备中为减少摩擦、保护机械加工件而使用的液态或半固态润滑油越来越广泛，主要有润滑、冷却、防锈、清洗、密封和缓冲等作用，深受用户的青睐，而消费者更关心的是润滑油的质量和调配润滑油的质量，那么调配润滑油的质量受哪些因素的影响呢？
1、精确测量喂养配方成分
对于混合过程来说，控制配方加入比例即精确测量是非常重要的。它能有效保证配方的准确实施。对于配方投料比例的控制，需要做到配方计算合理、数据运算准确、计量器具/设备校准有效、计量准确；利用各组分的物料平衡，如原料罐进出原料量的平衡、各组分原料进出量之和的平衡、罐内物料总量的平衡以及调配等，来验证配方中各组分的投料比例是否符合要求。
2、生产过程中的材料温度
在润滑油调和过程中，选择合适的调和温度，对调和效果和油品质量有很大影响，温度过高可能引起油品和添加剂的氧化或热变质，温度过低则使各组分的流动性变差，影响效果。
3、生产过程中的搅拌均匀性
对于不同粘度等级的成品油，原料油的粘度不同，轻重原料的比例不同，混合形式、混合设备功率不同，混合温度不同，混合时间不同，混合效果的均匀性也不同。需要根据具体情况确定混合时间。
4、油中有空气
对于油品中混入空气的现象，空气的存在对混合也是非常不利的。空气的存在不仅可能促进添加剂的分解和油品的氧化，还可能由于气泡的存在导致组分计量不准确，影响组分的正确配比。

5、添加剂的稀释和溶解
部分固体添加剂、粘性很强的添加剂、溶解度低的添加剂，在使用前应熔化、稀释、调制成浓度合适的添加剂母液，否则可能会影响调配的均匀程度，也可能会影响计量的准确性。但添加剂母液中不宜添加过多稀释剂，以免影响润滑油产品质量。
6、杂质污染
调和系统内存在的固体杂质和不调和组分的基础油及添加剂等，都是对系统的污染，可能导致产品质量的不合格，因此润滑油调和系统要保持清洁。润滑油中含有的机械杂质不仅会使润滑油的粘度增大，而且会加速机械零件的磨损、拉伤和划伤等。发动机润滑油中机械杂质的增加会加剧发动机磨损，增加积碳的生成，堵塞油路喷嘴和滤清器，导致润滑失效。它还会降低机油的抗氧化稳定性。含有机械杂质的变压器油会降低其绝缘性能。因此，润滑油调配过程中需要避免混入配方以外的杂质和成分。在实际生产中，一方面要尽量清理污染物，另一方面应在系统中安排质量相近、品种多样的油品进行调和，以保证调和产品的质量。

有哪些常见的粘度指数改进剂？

为了改善润滑油的粘度指数和粘温特性，提高润滑油的低温起动性能和高温粘度保持性能，通常会在润滑油中添加粘度指数改进剂（简称粘指剂），以获得高低温性能优异、适用温度和地区范围更广的多级润滑油。
粘度指数改进剂是一种油溶性链聚合物，其作用机理是提高粘度指数，在低温时粘度指数改进剂的分子链卷曲收缩，流体力学体积和表面积变小，对润滑油内摩擦的影响减小，相应地对润滑油的增稠能力降低；高温时粘度指数改进剂分子链膨胀，流体力学体积和表面积增大，对润滑油内摩擦的影响增大 高温时粘度指数改进剂分子链膨胀，流体力学体积和表面积增大，对润滑油内摩擦的影响增大，润滑油的稠化能力相应增大。因此，粘度指数改进剂可以大大提高润滑油的粘度指数，即添加了粘度指数改进剂的润滑油在低温时粘度较低，而在高温时粘度较高，适用的温度范围更广。
主要类型
目前市场上的粘度指数改进剂主要有聚异丁烯 (PIB)、聚甲基丙烯酸酯 (PMA)、乙烯丙烯共聚物 (OCP) 和氢化苯乙烯二烯共聚物 (HSD)。
性能要求
粘度指数改进剂的性能主要由四个指标来衡量：增稠能力、低温性能、剪切稳定性和热氧化稳定性。这四个方面的指标越好，粘度指数改进剂的综合性能就越好，但这些性能很难平衡，尤其是增稠能力和剪切稳定性这一对矛盾很难平衡。
到目前为止，各方面性能都很出色的粘度指数改进剂还没有开发出来，相对而言，HSD 型粘度指数改进剂的性能更加全面和均衡。
2.1 增稠能力
粘度指数改进剂的增稠能力（用 D 值表示）是指粘度指数改进剂对油品粘度的贡献，D 值越大，粘度指数改进剂的增稠能力越强。在 150SN 基础油中加入 1.0% 的粘度指数改进剂，测量溶解后的 100 ℃ 运动粘度，减去基础油的 100 ℃ 运动粘度，得到增加值，即为粘度指数改进剂的增稠能力。
比粘度（用 ηsp 表示）也可用于测量粘度指数改进剂的增稠能力，见公式 (1)：
ηsp = (η-η0 )/η0 (1)
式（1）中，η0 是基础油的粘度，η 是含有粘度指数改进剂的基础油的粘度。ηsp 越大，粘度指数改进剂的增稠能力越强。ηsp与温度、粘度指数改进剂的含量和基础油的粘度有关，并不是粘度指数改进剂的固有常数，因此在比较不同粘度指数改进剂的ηsp时必须使用相同的基准。因此，在比较不同粘度指数改进剂的ηsp 时，必须使用相同的基准。
2.2 低温性能
粘度指数改进剂对润滑油低温性能的影响主要表现在低温动态粘度（CCS）和低温泵送粘度（MRV）上，CCS主要反映润滑油的低温启动性能，CCS值越小，润滑油在低温下越容易启动；MRV主要反映润滑油的低温泵送性能，MRV值越小，润滑油在低温下越容易泵送到润滑部位。MRV 值越小，润滑油越容易泵送到润滑部位。MRV 值越小，润滑油就越容易在低温下泵送到润滑部位。低温性能良好的粘度指数改进剂对润滑油的CCS和MRV的负面影响较小。
2.3 剪切稳定性
粘度指数改进剂作为聚合物，在受到剪切应力时会导致分子链断裂，从而失去增稠能力。在使用剪切稳定性较差的粘度指数改进剂的多级润滑油时，由于油泵、活塞和其他机械部件的剪切作用，润滑油的粘度会明显下降，从而导致异常磨损，机油消耗量和燃油稀释量也会增加。
剪切稳定性是衡量粘度指数改进剂性能的重要指标之一，主要采用柴油喷嘴法、超声波法或 L-38 单缸法来评价粘度指数改进剂的剪切稳定性，剪切稳定性指数（SSI）来表征粘度指数改进剂的剪切稳定性的优劣，SSI 的值越小，粘度指数改进剂的剪切稳定性越好，见式（2）。
SSI = (v1 -v2) / (v1 -v0) (2)
在公式（2）中，V1 是剪切前 100 ℃ 时的运动粘度，V2 是剪切后 100 ℃ 时的运动粘度，V0 是基础油 100 ℃ 时的运动粘度。
2.4 热氧化稳定性
粘度指数改进剂属于高分子聚合物，一般在 100℃左右就会开始发生热氧化降解，降解产生大量低分子化合物，同时部分低分子化合物还会发生缩合反应，产生分子质量更高的高分子化合物。粘度指数改进剂热氧化降解产生的自由基还会加速基础油的氧化，导致多级润滑油的粘度先降低后急剧升高。
评估粘度指数改进剂热氧化稳定性的主要方法有曲轴箱模拟试验法、旋转氧弹法和 L-38 单缸法。

不同粘度指数改进剂的特性和应用

常用粘度指数改进剂（如聚异丁烯（PIB）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMA）、乙烯丙烯共聚物（OCP）和氢化苯乙烯二酞酸酯（HSD））的增稠能力、低温性能、剪切稳定性和热氧化稳定性的比较见表 1。

从表 1 的对比中可以看出，聚异丁烯（PIB）粘度指数改进剂具有良好的剪切稳定性和热氧化稳定性，但其增稠能力和低温性能较差，不适合调配跨度大、粘度低的多级内燃机油、低分子质量 PIB 多用于调配二冲程低分子质量 PIB 多用于调配二冲程发动机油。
聚甲基丙烯酸酯（PMA）粘度指数改进剂具有优异的低温性能和热氧化安定性，剪切安定性好（尤其是新型梳状聚甲基丙烯酸酯（PMA）粘度指数改进剂可以达到小于 5% 的 SSI 优良水平），但其增稠能力较差，需要添加较多的量才能达到相同的粘度水平，对润滑油的清洁度影响较大。聚甲基丙烯酸酯（PMA）粘度指数改进剂的成本较高，因此多用于配制低粘度多级汽油机油、自动变速箱油、超低温液压油等高级润滑油，而不适合单独用于配制对清洁度要求极高的多级柴油机油。
乙丙共聚物（OCP）粘度指数改进剂具有良好的综合性能，其原料丰富易得，生产工艺简单，价格也有很大优势。综合性能好、性价比突出的乙丙共聚物（OCP）粘度指数改进剂已成为使用量最大的粘度指数改进剂，其销量占所有粘度指数改进剂的 60% 以上。OCP 粘度指数改进剂主要用于多级发动机油，尤其适用于调配柴油发动机油。但由于其低温性能一般，在调配低粘度等级的多级油时，需要与酯类降解剂配合使用。
氢化苯乙烯二烯共聚物（HSD）粘度指数改进剂具有特殊的星型结构或块状结构，分子质量分布窄，因此增稠能力和剪切稳定性更加均衡，同时具有较高的增稠能力和优异的剪切稳定性。氢化苯乙烯二烯共聚物（HSD）粘度指数改进剂还具有出色的低温性能，特别适用于调配高端多级汽油发动机油，也可用于调配多级柴油发动机油。
结论
目前，主流的聚异丁烯（PIB）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、乙烯丙烯共聚物（OCP）和氢化苯乙烯二烯共聚物（HSD）粘度指数改进剂都具有独特的性能特点，并相应地适用于不同的多级润滑油。随着发动机技术的不断进步，环境排放和燃油经济性法规日益严格，多级机油也随之不断升级和更换，对多级机油添加剂的性能也提出了更高的要求。粘度指数改进剂作为一种非常重要的添加剂，正朝着开发综合性能优异的新型粘度指数改进剂的方向发展，并在现有粘度指数改进剂的基础上，应用分子设计技术合成多功能粘度指数改进剂。

粘度指数改进剂对汽油发动机油的燃油经济性有何影响？

为了降低油耗，提高燃油经济性，除了改进发动机设计外，改善发动机摩擦部件之间的润滑状态也是一种有效的方法。一般来说，发动机工作时，轴承部件主要处于弹性流体润滑状态，而气门系统、活塞和气缸套部件则主要处于边界润滑和混合润滑状态。对于流体润滑状态，选用低粘度汽油机油可以减少摩擦损失；对于边界润滑状态，要减少摩擦损失，在机油中添加摩擦改进剂是一种比较有效的方法。对于混合润滑状态，有必要考虑优化汽油机油的粘度特性和摩擦特性。
为了提高乘用车的燃油经济性，有必要研究汽油发动机油成分对燃油经济性的影响。粘度指数改进剂作为一种能改善润滑油粘温特性的添加剂，已被广泛应用于发动机油中。
常用的粘度指数改进剂有氢化苯乙烯二烯共聚物（HSD）、烯烃共聚物（OCP）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、氢化苯乙烯-异戊二烯共聚物（SDC）和聚异丁烯（PIB）等。OCP 和 HSD 的综合性能较好，但 HSD 的抗剪切性能优于 OCP，更常用于高档汽油机油。PMA 具有改善汽油机油低温性能和粘度指数的特点，因此也被广泛应用于高性能汽油机油中。据报道，使用 PMA 粘度指数改进剂配制的汽油机油有助于在高温低速下在金属表面形成边界油膜，从而显著降低摩擦，提高汽油机油的燃油经济性。
选择了一种 HSD 粘度指数改进剂和三种 PMA 粘度指数改进剂（分别称为 PMA1 粘度指数改进剂、PMA2 粘度指数改进剂和 PMA3 粘度指数改进剂）来配制四种 0W-20 粘度等级的汽油发动机油。借助高频往复式钻机（HFRR）和发动机台架，比较研究了这四种粘度指数改进剂对汽油发动机燃油经济性的影响。
1 测试设备
1.1 高频往复式钻机
HFRR 是一种微处理器控制的往复磨损测试系统，用于测试汽油发动机油的摩擦和磨损特性。HFRR 可以模拟发动机气缸套-活塞（环）等部件往复运动的摩擦情况，并通过比较测试参数（摩擦因数、磨损点直径）来检验汽油发动机油的润滑效果。
1.2 发动机支架
将某汽车公司生产的 1.2 L 涡轮增压直喷发动机通过扭矩法兰连接到测功机上，在不点火状态下用电动机反拖发动机，测试不同工况下的摩擦扭矩值。发动机支架如图 1 所示

2 测试样本
选择了一种 HSD 粘度指数改进剂和三种 PMA 粘度指数改进剂（分别为 PMA1 粘度指数改进剂、PMA2 粘度指数改进剂和 PMA3 粘度指数改进剂）作为测试样品，这四种粘度指数改进剂的一些典型物理和化学特性如表 1 所示。

在配比不变的条件下，使用相同的基础油（同批次的 API Ⅲ 基础油）和主剂，得到四种汽油机油样品。在这四种汽油机油样品中依次加入 HSD 粘度指数改进剂、PMA1 粘度指数改进剂、PMA2 粘度指数改进剂和 PMA3 粘度指数改进剂，得到 HSD 汽油机油、PMA1 汽油机油、PMA2 汽油机油和 PMA3 汽油机油。粘度指数改进剂的添加量应尽可能接近汽油发动机油的高温高剪切粘度（150°C，106 s-1 ），即接近 0W-20 粘度等级 2.60 mPa - s，以获得更好的燃油经济性。HSD 汽油发动机油、PMA1 汽油发动机油、PMA2 汽油发动机油和 PMA3 汽油发动机油的典型理化数据见表 2。

3 结果与讨论
3.1 高频往复模拟试验
高频往复试验机（HFRR）的模拟试验条件如下：行程 1 mm，频率 40 Hz，载荷 3.92 N，温度 80 ℃ 和 110 ℃，每个温度点 15 min；HFRR 摩擦球的材料为 AISI E-52100 钢，洛氏硬度 58-66，摩擦盘的材料为 AISI E-52100 钢。通过 HFRR 模拟试验检测了 HSD 汽油发动机油、PMA1 汽油发动机油、PMA2 汽油发动机油和 PMA3 汽油发动机油的摩擦因数和光斑直径，结果如表 3 所示。

结果如表 3 所示。从表 3 中可以看出，PMA1 汽油在降低摩擦因数方面表现更好，这表明 PMA1 汽油具有更好的减摩和润滑性能。这是因为 PMA1 的剪切稳定性指数（SSI）较小（见表 1），剪切稳定性较好，100 ℃ 运动粘度相对较低（见表 2）。这表明，剪切稳定性好、100 ℃运动粘度低的汽油发动机油更有利于降低摩擦因数。从磨损点直径来看，PMA2 汽油的磨损轻微，PMA3 汽油的磨损严重，说明汽油机油的 100 ℃ 运动粘度越大（见表 2），越有利于降低摩擦部件的磨损。
3.2 发动机反向阻力测试
在发动机节能台架上进行了反向阻力试验，考察了 HSD 汽油发动机油、PMA1 汽油发动机油、PMA2 汽油发动机油和 PMA3 汽油发动机油的摩擦扭矩，以测试使用不同粘度指数改进剂配制的汽油发动机油的实际燃油经济性。
在测试过程中，在一定温度和速度下测量参考油的摩擦扭矩（称为摩擦前扭矩），然后冲洗测试油（即 HSD、PMA1、PMA2 和 PMA3），在相同条件下测量测试油的摩擦扭矩，然后测试参考油的摩擦扭矩（称为摩擦后扭矩）。将参考油的摩擦扭矩与测试油的摩擦扭矩进行比较，取参考油的摩擦扭矩和测试油的摩擦扭矩的平均值，计算出两者的扭矩差（扭矩差 = 参考油的平均摩擦扭矩 - 测试油的摩擦扭矩），最后使用 NEDC（新欧洲驾驶循环）模拟循环测试软件计算掺入不同粘度指数改性剂的油品的燃料消耗量。最后，使用 NEDC（新欧洲驾驶循环）模拟循环测试油耗软件计算了用不同粘度指数改进剂调配的 HSD、PMA1、PMA2 和 PMA3 汽油发动机油的燃油经济性。
根据 NEDC 循环测试的近似功率密度分布，确定了 NEDC 循环测试的工作条件，即油温分别为 35 ℃、50 ℃、80 ℃ 和 110 ℃，发动机转速分别为 1100 r/min、1450 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min、4000 r/min 和 4500 r/min，以及 PMA3 汽油发动机油的燃油经济性。发动机转速分别为 1100 r/min、1450 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、3500 r/min、4000 r/min 和 4500 r/min，参考机油为粘度等级为 0W-30 的汽油机油。
如图 2 - 图 5 所示，测试了 HSD 汽油发动机油、PMA1 汽油发动机油、PMA2 汽油发动机油和 PMA3 汽油发动机油在不同温度和发动机转速下的扭矩，并计算了参考油与测试油之间的扭矩差。