HSD型和OCP型黏度指数改进剂行车试验研究

2022-09-16赵帅韩丙勇金永辉杨钧

润滑油 2022年4期

赵帅，韩丙勇,2，金永辉，杨钧

(1.浙江众立合成材料科技股份有限公司，浙江嘉兴 314200；2.北京化工大学，北京 100029)

0 引言

黏度指数改进剂(VM)是多级发动机油中使用量最大的添加剂之一，能够使油品在高温下保持合适的流体动力润滑性，且在低温下具有良好的泵送性和流动性。目前市场上使用的的黏度指数改进剂主要为乙烯丙烯共聚物(OCP)、氢化苯乙烯-双烯共聚物(HSD)以及聚甲基丙烯酸酯类聚合物(PMA)等[1]。PMA型VM具有良好的低温性能，但该类VM的剪切稳定性较差(相同增稠能力下)且成本较高，因此在发动机油中的应用较少。

市售的OCP型VM可分为无定形OCP和半结晶OCP两大类。20世纪60年代以来，具有明显价格优势的OCP逐渐成为内燃机油中应用最多的VM产品，但是随着发动机工况的日益苛刻，国际上要求VM的剪切稳定性指数限定在25以下，而无定形OCP增稠能力较差、添加量较多，由此带来的发动机油清净性和低温流动性问题使其在市场上逐渐丧失竞争力。为了满足低剪切稳定性指数的同时提高增稠能力，20世纪80年代国外研发了高乙烯含量的半结晶和结晶型OCP，相比无定形OCP具有更好的增稠能力和低温流动性。但由于结晶型OCP结晶能力较强，对基础油中的蜡结构和降凝剂组分有较强的结合能力，因此应用范围较窄[2-3]。

HSD型VM最早由壳牌公司开发，是采用阴离子聚合技术合成基础胶之后再进行选择性加氢得到的聚合物，按照分子拓扑结构可以分为线形和星形两大类。线形VM由聚苯乙烯段(硬段)和氢化后的聚共轭二烯烃段(软段)组成，聚苯乙烯段和大多数基础油的相容性较差，而软段在基础油中具有良好的溶解性，在较低温度下这种两亲性的线形VM分子在油中会形成胶束，从而具有较好的低温性能；高温下或者高剪切速率的条件下，由聚苯乙烯段缔合成的胶束被破坏，又恢复原来的线形单分子状态。星形VM的形态是多个线形分子被化学键束缚在一起的多臂聚合物(可在阴离子聚合过程中通过加入偶联剂实现)[4]，通常单臂分子量为2×104～10×104，聚苯乙烯嵌段的尺寸大小和在单臂中的位置也有多种形式。得益于特殊的拓扑结构，星形VM相比线形VM具有更加优良的增稠能力和低温性能[5-7]。目前，典型的HSD型润滑油黏度指数改进剂有Infineum的SV系列产品,国内以浙江众立为代表的SBCs制造企业也开发了HSD型VM聚合物，正在开展市场推广。

OCP和HSD的化学结构比较接近，常常被拿来进行比较。由于合成工艺因素不同，OCP的成本一般低于HSD，在当前发动机油尤其是中低端产品应用领域具有明显的市场优势。但是OCP的低温性能和剪切稳定性较差，对基础油和降凝剂的选择较为严格。在未来润滑油低黏化的大趋势下，HSD型VM凭借优异的黏温性能特征在燃油经济性方面更具有优势。因此，随着发动机技术的升级和排放法规趋严，性能更加优良的HSD型VM可能会对OCP的市场造成冲击。国内外有较多的文献从配方体系方面对比了OCP型和HSD型VM的低温性能、剪切稳定性、增稠性能、高温高剪切以及抗老化等性能，也通过大量的行车试验和发动机台架试验进行了旧油性能的相关对比[8,9]，但是尚未看到使用搭载燃气发动机车辆进行2种黏度指数改进剂比较的报道。因此，本文选用不同类型黏度指数改进剂，配制了5W-40黏度级别的燃气车用润滑油并进行了20000 km行车试验，对HSD型和OCP型黏度指数改进剂的性能特点进行了研究。

1 行车试验

1.1 试验材料与分析测试

OCP类VM选用2种市售SSI≤25的无定形OCP-A和半结晶OCP-B。HSD型VM选用浙江众立合成材料科技股份有限公司制备的SSI≤25的氢化苯乙烯双烯嵌段共聚物(牌号D760)。基础油选用相同的150N(Ⅲ+类)和100N(Ⅱ类)基础油。

聚合物表征测试方法如下：利用差示扫描量热仪(NETZSCH DSC)测试3个质量为5～10 mg样品的玻璃化转变温度和结晶温度，氮气氛，升温速率为10 K/min；分子量及其分布采用安捷伦凝胶渗透色谱进行表征，以四氢呋喃为流动相，流速为1 mL/min，分子量计算采用窄分布聚苯乙烯校正。

3种黏度指数改进剂分子结构与物性数据见表1、图1。由结果可知，与OCP相比，HSD分子量更大、分子量分布更窄、玻璃化转变温度更低。

表1 行车试验用HSD型和OCP型黏度指数改进剂的结构与物性数据

图1 HSD和两种OCP的曲线

1.2 试验油的配制

试验液胶按表2方案进行配制，其中运动黏度的测试方法为GB/T 265-1998。不同油品的基本性能见表3。

表2 黏度指数改进剂液胶的配制

表3 采用相同基础油配方下配制油样(XW-40)的性能数据

由表2、表3中的数据可以看到，HSD型VM的增稠能力要明显高于OCP型VM，配制相同黏度级别的机油所用剂量更低，对发动机的清净性十分有利。这是因为对于相同剪切稳定级别的HSD和OCP来说，HSD的分子量更大，充分溶解(高温时)的情况下与基础油分子的摩擦作用更强，因此相同浓度下的油品黏度也更高[10]。

另外，HSD的低温性能也明显优于OCP，表现在相同的基础油和添加剂配方下低温动力黏度(CCS)值更低。这主要是由于在低温下经特殊设计的HSD的星形分子结构比OCP的线形分子结构具有更小的流体力学体积，同时HSD分子结构中不含有长链聚乙烯结构，和基础油的蜡结构作用也较小。

虽然半结晶的OCP-B比无定形OCP-A具有增稠优势，但是似乎对基础油和降凝剂的配方选择更为苛刻。为了配制相同级别的多级油，在上述配方的基础上增加了轻组分油的比例，使得含有OCP的配方能够满足SAE 5W-40标准，具体配方及性能数据如表4所示。

表4 行车试验用5W-40机油性能数据

相比2种OCP型VM，采用HSD配制的5W-40机油具有更低的高温高剪切黏度(HTHS)(表4)，这也是氢化苯乙烯类黏度指数改进剂的典型特征，其燃油经济性对于排放政策要求愈来愈严的趋势来说是十分有利的。从行车试验用机油的30个循环剪切下降率数据看，剪切稳定性由好到差依次为HSD、OCP-B、OCP-A。对比3个配方的低温数据可知，低温动力黏度(CCS)十分接近，但是HSD的低温泵送黏度要高于OCP，除了基础油配方差别外，本次选用的HSD聚合物分子量偏高也是导致新油低温泵送黏度(MRV)数据稍高的因素。即使如此，根据相关文献资料[11-14]及本团队多年的研究结果，预计该批次含有HSD的油品经过行车试验以后仍会满足SAE 5W级别的要求。

1.3 试验方案

本次研究共选择了9辆CNG/汽油双燃料出租车参与行车试验，每种调配方案的油品对应3辆车，试验车辆参数如表5所示。试验场地为浙江嘉兴城市道路。

表5 试验车辆主要参数

在试验前对拟参加试验的车辆进行发动机状况检测，保证试验车辆的车况良好且平行。试验前放空机油箱(曲轴箱)油底壳中使用过的旧机油，利用约3 L试验油(新油)分2次循环清洗发动机整个油路，怠速循环时间约20 min。然后放掉循环油并观察油品外观颜色是否清洁透明、有无积炭和杂质，状态合格后装入试验油并同时更换“机油三滤”。具体取样里程为5000 km、8000 km、11000 km、14000 km、19000 km、20000 km。每次取样量为300 mL，取样后再补充300 mL对应型号的新机油。如果行驶一定里程后发现机油有明显损失，也可在取样时一并补加相应量的新机油，记录好补加数量。取出的油样寄送到第三方检测机构进行分析测试。

2 行车试验结果

2.1 机油运动黏度变化

影响发动机油使用过程中黏度特性的因素有很多，包括蒸发损失、聚合物的热裂解和机械剪切、油品氧化缩合变稠、油品对烟炱和油泥的分散、燃油稀释等，因此运动黏度的变化基本反映油品氧化衰变程度、添加剂热分解以及黏度指数改进剂受到剪切作用降解变化情况。图2为试验油品l00 ℃运动黏度随行驶里程的变化情况。由图2可知：在前10000 km的行驶里程内，HSD型油品的黏度保持性较OCP有明显优势，但是在行进到20000 km的时候，HSD型油品的黏度保持性要差于OCP。这是因为该规格的HSD单臂分子量较高，比较容易被剪切力破坏，在长效剪切作用下，星形分子的单臂逐渐减少，从而导致黏度下降。因此，如果需要应用于超长换油周期的油品则需选择剪切稳定性更加优异的HSD型油品。

图2 试验油品100 ℃运动黏度随行驶里程的变化情况(蓝色为OCP-A调制试验油、黑色为OCP-B调制试验油、红色为HSD调制试验油)

9台车辆经过20000 km行车试验后油品的黏度保持能力总体良好，100 ℃运动黏度变化率远未达到GB/T 8028-2010标准[15]中换油指标(超过±20%)的要求，说明3种油品都具有优良的抗剪切性能、抗氧化性和清净分散性。

2.2 机油氧化值和硝化值

燃气发动机的活塞环槽温度比普通汽油发动机高20～30 ℃，更容易引起油品的氧化和硝化。通过检测试验油中的氧化物和硝化物的相对含量，可以考察发动机油的氧化程度，预测其在使用过程中的老化衰败情况。行车试验各油品的氧化值和硝化值随行车里程的变化情况如图3所示。由图3可知，3种试验油品均具有良好的抗氧化和抗硝化能力，且差别不明显。

图3 试验油品随行驶里程的变化情况(蓝色为OCP-A调制试验油、黑色为OCP-B调制试验油、红色为HSD调制试验油)

2.3 发动机的磨损监测

通过测定发动机油中的元素含量变化可以监测油品中添加剂衰变及发动机部件的磨损情况。发动机油中的Fe、Al、Cr元素主要来源于缸套、活塞环和阀系磨损，Cu、Pb元素主要来源于连杆轴瓦和主轴瓦的磨损，Si含量的变化可以判断是否有外部灰尘的污染。本研究中测试了试验车辆油品中Fe、Al、Cu、Si元素的含量随行驶里程的变化情况，如图4所示。

图4 试验油品各元素随行驶里程的变化情况(蓝色为OCP-A调制试验油、黑色为OCP-B调制试验油、红色为HSD调制试验油)

根据GB/T 8028-2010换油指标要求，当油品中Fe含量大于70 μg/g、Cu含量大于40 μg/g、Al含量大于30 μg/g、Si含量大于30 μg/g时，说明发动机有较为明显的磨损或者其他异常，需要更换油品。数据显示，9台车所取油样中各元素的含量远低于换油指标，说明试验油品在整个试验过程中对发动机提供了良好的润滑保护作用。

2.4 低温性能变化

黏度指数改进剂通常会对低温性能发生影响，本试验重点对于油品的低温性能进行了考察(图5)。由图5可知：包含OCP-A的油品在行驶8000 km以后有2台车的低温泵送黏度(MRV TP-1)增长速度明显过快，虽然没达到60000 mPa·s的上限黏度，但是已经出现了屈服应力(35 Pa

图5 试验油品MRV TP-1(-35 ℃)数据随行驶里程的变化情况(蓝色为OCP-A调制试验油、黑色为OCP-B调制试验油、红色为HSD调制试验油)

随着行车试验的进行，油品在发动机中经过长时间的高温老化和剪切作用，黏度指数改进剂分子结构发生明显变化。HSD星形分子结构逐渐被破坏，形成更多的线形分子，但是断裂前后分子链的微观结构均是完全交替的乙烯/丙烯结构，没有发生明显改变；对于OCP来说，乙烯结构单元在分子链中的分布并不均匀(尤其是半结晶OCP，分为高C2片段和低C2片段，以获得更好的低温性能和剪切稳定性)，断裂后的分子链尺寸以及序列结构均发生了明显改变，严重偏离了原始设计结构(图6)。推测这些断裂后的新聚合物可能和降凝剂以及基础油中的蜡晶有较强的作用倾向，影响了油品的低温流动性。

图6 HSD和OCP黏度指数改进剂分子经过剪切及老化后的分子结构变化示意图

行车试验结果表明，HSD型VM调合的油品低温泵送性保持的最好，其次是半结晶OCP调合油品，无定形OCP所调配的油品低温泵送性保持最差。OCP低温性能保持性的优劣则与分子的设计结构及制备过程有关。

2.5 其他指标

此外，还跟踪了试验过程中油品的水分、闪点和积炭含量，数据显示整个试验过程中油品水分含量都在100 μg/g以内(换油指标大于0.2%)、烟炱含量稳定在0.5%(一般要求低于2.0%)。油品闪点的测试数据如图7所示，含有OCP-A的油样中有1辆车出现一定程度的燃油稀释，但是闪点也未达到换油指标(<100 ℃)，而其他车辆取样油品的闪点数据维持性较好。