壳牌内燃机油低温性能,试验与标准.ppt

1、启动的保证-内燃机油低温性能，试验与标准,壳牌技术部 Dec 2007,内容提要,发动机油与发动机启动的关系 规格要求与实验方法简介 发动机油低温流变特性与发动机润滑特性对应关系 发动机油低温性能要求与台架试验 CCS（冷启动模拟试验） MRV（微转粘度计测试） MRV TP-1（改进的微转粘度计测试） SBT（扫描布氏凝胶指数测定法） 发动机油低温粘度标准与台架试验,发动机的启动条件与润滑油的影响,足够的发动机启动转速,发动机启动需要怎样的条件?,合适的燃烧室温度 足够的气缸压缩压力 高浓度高质量的混合气 点火提前和正确的配气,=启动转矩 发动机内阻,(120-200rpm min),电瓶能

2、量（低温影响） 启动马达 电气系统状况,活塞环与缸套的摩擦 压缩行程阻力 旋转部件的阻力（凸轮轴， 阀系等） 发动机附件， 如风扇，发电机， 水泵等,当发动机启动时，机油在减小发动机内阻方面起到至关重要的作用,发动机油低温启动性能的关注点,加油口,机油低温泵送性： 阀系及凸轮轴的润滑 主油道压力的建立 低温泵送粘度,低温动力粘度： 润滑油低温情况下启动时在活塞环与气缸套处流变行为。,API Engine Oil Classifications 2004,低温测试方法,API SJ及以上要求,内燃机油的低温启动性能,50年代认为内燃机的最高边界启动粘度为3000-5000mPa.s. 经过大量的

3、车队试验得出。 单级机油被认为是典型的牛顿流体（剪切速率不影响粘度）。 以双对数坐标法（外推法）得出油品在低温区的粘度， 准确度高于实测值。 50年代以后，多级粘度机油得到了广泛的应用。 含有高分子聚合物（VII), 不再具有牛顿流体的特性， 低温流变性能变得复杂。 粘度在不同剪速下有不同程度的下降， 具有“粘弹性”。 毛细管粘度计或外推法得到的低温粘度不反映其低温启动性能。,内燃机油的低温启动性能重点研究低温动力粘度和低温泵送性。,针对以上两项性能开发的实验室试验（Bench Test)， 通过研究其与60年代开发的“发动机冷室试验”（Engine Test)的相关性来确定其是否能准确描述油

4、品的低温性能。,发动机启动条件下主要润滑点润滑油的工作状态,加油口,高剪切速率(105-106/S) 高剪切应力(5N/cm2),低剪切速率(29-72/S) 低剪切应力（0.05N/cm2),活塞环与缸套，苛刻条件下的轴承,油底壳，机油泵与主油道：,发动机油低温动力粘度的测定-冷启动模拟器（CCS）实验法,旋转粘度计 油在转子和定子之间 恒定的扭矩下操作 高剪切速率 10-1000/S 破坏所有的蜡结构 可测量倾点以下的低温粘度 60秒快速达到实验所需的温度 单位：动力粘度（DV) ccP=mPa.s,能反映多级油在高剪切转状态下的非牛顿行为。 与“冷室试验”有较好的相关性。 ASTM D

5、5293, 其测出的粘度1979年为SAE粘度分类接受， 沿用至今。,冷启动模拟器（CCS）实验法精度和偏差重复性和再现性,CCS-2B(手动仪器),重复性偏差,再现性偏差,CCS-4/5(自动仪器),影响发动机油低温泵送性的因素和泵送粘度的重要性,润滑油流动因素 流动阻力 屈服应力 粘度 驱动力 油泵的效率 从油箱到泵的流经路线,适当的油品的流动性或泵送性是为了确保发动机轴承油适当的润滑 缺乏润滑油或油品的流动性差会引发轴承磨损从而导致发动机损坏,导致油品低温泵送失败的两种现象-流动限制和“气缚”,结论是通过对“发动机冷室试验”的研究发现的。,流动限制： 如果油的粘度太大， 就不能从输送管道

6、传送到油泵， 高真空会引起低组分油的挥发， 同时也会将空气夹带到泵中。因此， 将不能泵送足够的油满足发动机的需要。,气缚：发动机在低温下启动时， 机油无法完全被连续地输送到泵入口处，因此半固体状的油在泵送过程中会形成空穴从而使油泵夹带空气。,最早的泵送粘度台架试验-微型旋转粘度计（MRV）,ASTM D 3829 边界泵送粘度 加热条件 80 下恒温2小时 按照冷室台架试验控制冷却程序 测试 屈服应力， SAE J300 规格(1979)105Pa. 边界泵送温度 粘度为30Pa.s时的温度 或通过3个温度下粘度测量结果， 油插入法求得边界泵送温度。,油品低温的高粘度和结蜡导致产生的屈服应力是

7、造成泵送失败的原因。 测试结果与流动限制有好的一致性。 1979年为SAE粘度分级所采用。,泵送失败而导致的故障,1981-1982年冬天， 发动机故障 北美，欧洲及斯堪的纳维亚地区 故障原因 气缚导致的泵送失败 发现油的低温性能对冷却速度较敏感 ASTM D3829方法 大多数导致泵送失败的油品可以通过测试,现场故障车的润滑油,问题润滑油的特点 对冷却速率较敏感 对温度非常敏感 不同的温度范围狭窄到仅2 所有的油均在浊点范围之内 浊点范围-5 到-20 冷却速率是关键,原有的实验方法不能满足对油品低温泵送性能的评估。,需要通过对油品低温物理特性变化的进一步研究发现问题的真相。,制定评估油品低

8、温泵送性的新实验方法。,油品低温“气缚”现象成因的研究,1.认为油品在缓慢降温过程中产生的蜡结晶导致的屈服应力使油品无法流到机油集滤器， 形成“气缚”。,2.认为“气缚”的形成与油品在低温情况下产生的凝胶相关。,油品低温泵送性研究的两个方向：,微型旋转粘度计实验方法的改进-MRV-TP-1,ASTM D4684 (MRV TP-1) 微型旋转粘度计 保持油品预热 控制冷却速率至浊点范围 -5至-8冷却速度0.5 /小时 -8至-20冷却速度0.33 /小时 -20到测试温度2.5 /小时 测试屈服应力 现场故障油， 屈服应力35Pa, 不可接受 测试粘度 粘度值小于30Pa.s,MRV-TP-

9、1的试验精度和偏差: 重复性和再现性,新油表观粘度重复性精度为：,新油表观粘度再现性精度为：,ASTM D 4684 (MRV-TP-1) 发展历史,1985年由ASTM提议 1987年颁布实施 1995年SAE采纳， 试验温度降低5 粘度值小于60Pa(s) 保留屈服应力要求 屈服应力必须小于35Pa.,屈服应力小于35Pa.,SAE J300-2004的冬季油或多级油粘度规格要求,发动机的技术进步使低温启动变得更容易-发动机油的泵送性更为重要。 更严格的屈服应力要求， 以防止因“气缚”引起的泵送性失败。,MRV如此重要，以至于API CJ-4 柴机油在Mack T11(或11A)试验中增加

10、了180小时台架试验后旧油的MRV粘度要求，同时要求屈服应力35Pa,倾点与MRV,倾点是油品最低可流动温度，国际标准中对发动机油的倾点没有限制性要求。原因是：倾点与低温冷启动粘度(CCS)基本无关，与低温泵送粘度(MRV)也不具有直接的相关性(见上图：配方二倾点可以很低，但低温泵送粘度不合格；而配方一倾点不低，但实际的低温泵送粘度非常出色),机油低温凝胶导致“气缚”的理论,什么是凝胶 发动机油是由许多具有不同分子形状的组分所组成,比较而言，石蜡基分子最易在低温下形成结晶和三位网格结构。 在形成网络结构的温度下， 那些预期不形成网格状结构的高粘度分子也会被网格结构所包住。,通过“冷室发动机”的

11、研究， 认为是凝胶导致了“气缚”问题。 在-9+-0.5 下恒温约7小时 缓慢降温到-15 或更低 研究表明凝胶很难预测，也最易导致泵送性问题。因此评估油品低温性能的台架试验应该从凝胶产生的角度重新进行更新。,发动机油低温凝胶特性研究,形成凝胶网格结构的温度比汽车发生故障的温度高5 形成凝胶网格结构的温度范围非常狭窄 在瞬间网格结构形成后， 5 的温度下降使网格结构强化。 凝胶形成后， 在适当的温度与粘度下， 分子会游动到结晶核附近，使粘度急剧增大。 进一步的降温加强了网格结构的形成从而阻止了油品的流动。,开发新的泵送台架试验,需要新的对低温下凝胶更敏感的仪器测试粘度 仪器能预测凝胶的产生 1

12、982年推出了扫描布氏粘度仪技术 （SBF),应用SBF技术得到的粘温关系图,虽然从粘度与温度的关系图可发现发动机油发生凝胶的现象， 还是需要一个测量值来定量凝胶的程度。,凝胶指数的发展,统计分析数据显示， 凝胶指数小于12才能避免凝胶的产生,SBT与早期的ASTM冷室发动机泵送性有非常好的相关性,1990年成为ASTM标准试验， 代号 D 5133 SAE推荐用于新配方机油或基础油或添加剂有重大改变机油的测试 API要求SM及以上质量级别汽机油满足SBT试验要求,影响油品低温泵送性的要素-冷却速度,-0.33 /h,-1 /h,-2 /h,-2.5 /h,-36 /h,与油品低温性能相关的测

13、试方法（低剪切速率）,MRV TP-1(ASTM D4684)与SBT (ASTM D5133),今天， 这两个方法均被包含在发动机油规格中： 屈服应力和凝胶(气缚)： MRV TP-1为SAE粘度分类采用（屈服应力35）。 新气机油国标（GB11121/06)将SBT作为SJ及以上级别的一项发动机台架试验（Bench Test)标准（凝胶指数12）。 粘度（流动限制): SAE J300要求MRV TP-1测试的粘度值=60，000cP.,发动机油低温粘度要求，SAE J300 2004与GB的差别,SAE J300 2004 CCS(ASTM D 5293) MRV PT-1(ASTM D 4684) 60Pa 35,GB 111212006 质量级别SF以下： CCS MRV 质量级别SG及以上级别： CCS MRV PT-1 质量级别SJ及以上级别 CCS MRV PT-1 SBT,GB 11122 2006 CC, CD质量级别: CCS MRV CF质量级别及以上级别： CCS MRV PT-1,标准造成的低端油粘度性能缺陷,附录：什么是精度和偏差之:重复性和再现性