润滑剂的粘度调节剂对汽车汽油发动机活塞组件的润滑雾化的影响

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!

文|见山

编辑|见山

前言

在内燃机中，活塞总成和曲轴箱中的气体循环中存在着润滑剂液滴，通常被称为油雾化。这种油雾化对发动机性能具有重要的影响，尤其是涉及到上部活塞组件的润滑剂供应、机油消耗和润滑剂的降解等方面。其中，液滴的主要来源被认为是活塞组件中的漏气气流引起的油剪切和吹穿现象。

为了模拟顶部活塞环间隙处最恶劣的流动条件下高速气体与润滑膜的相互作用，已经开发了一种实验台。这个实验台的设计旨在探究液滴形成、运动和沉积的机理，以及其对发动机性能的影响。通过模拟真实工作条件下的流动情况，可以更好地理解和解决润滑剂液滴引起的问题，并为改进活塞组件的设计和优化润滑系统提供依据。

基础油分子量和粘度

不同分子量和粘度的PAO在一系列油流速下的雾化趋势。在低流速下，分子量和粘度较低的基础油更容易产生液滴。随着分子量和粘度的降低，从轧制机制转变为底切机制，流速更高。

这可以归因于低粘度油表现出较低的抗剪切性：在剪切下，油更快地从文丘里管中去除，并且在相同条件下不会像高粘度油那样积聚。

油的雾化倾向随平均分子量的变化。这些测试的入口油流速为3毫升/分钟，其中形成了最大比例的雾状液滴。雾化趋势随分子量呈反比线性变化。

这些油在20°C时的动态粘度随分子量的变化而变化，为3.35次方。因此，雾化趋势随20°C时动态粘度的变化可以用三阶多项式来描述。随着动态粘度的降低，雾化倾向大大增加。

由于比例是体积的，因此在这些分布中明显占很大比例的喷雾包含在相对较少的液滴中。每个分布中都有大量的雾状液滴，特别是在主要雾区。PAO 2和PAO 6具有相当的特征直径，约为34μm。

PAO 8具有更大的特征直径，约为63μm，与先前发现的较高粘度的油产生更大的液滴一致。PAO 4的分布不同，但原因尚不清楚。

粘度相似但API组不同的油的雾化趋势变化，同样在3毫升/分钟的进油流速下。包括全配方参考油进行比较。

精炼油（I-III）之间的雾化趋势无显著差异。IV组油PAO表现出明显的更大雾化趋势。这可能是由于精制烃（略微支链的线性链）和PAO之间的分子结构差异引起的，PAO主要是具有星型结构的癸烷的三聚体和四聚体。

含有单一商业添加剂的 III 组 SAE 5W 润滑剂在 3 ml/min 的进油流速下的雾化趋势。包括商用全配方润滑油 FF 和基础油参考 Gp III。在相同条件下，全配方润滑剂形成液滴的倾向远低于其基础油。

含有粘度调节剂VM的混合物与完全配制的润滑剂相当，表明VM在减少雾化趋势方面具有主导作用。洗涤剂 2 Det 2 和有机硅消泡剂 AF 显著增加了雾化倾向。洗涤剂1Det 1或分散剂Disp对基础油的雾化倾向没有显著影响。一些添加剂改变了粘度，但粘度与图中的雾化趋势没有显著相关性。

详细考虑粘度调节剂

由于第一阶段黏度调节剂的主导影响，比较了1种类型，其分子结构、分子量、链长等各不相同。使用了四种线性聚合物和三种星形聚合物。其中三种线性是烯烃共聚物（OCP），乙烯和丙烯的共聚物，分子量在一个数量级上变化。

第四种是聚苯乙烯-共异戊二烯，其链长比最大的OCP聚合物长。其中两种星形聚合物是固定的星形结构，一种是异戊二烯，一种是异戊二烯-共苯乙烯。第三个是胶束苯乙烯-共异戊二烯，其中臂通过其端基的结合形成星形结构。

具有以下属性：数均分子量—使用凝胶渗透色谱（GPC）测量。单体比例—根据制造商描述估算。平均单体重量—根据化学结构和单体比例计算得出。每个单体的链长—根据化学结构和单体比例计算。

纠缠分子量—由Ferry给出的线性固体聚合物。臂数—根据制造商的专利文献估算。手臂分子量—根据数均分子量和臂数计算。链长—根据每个单体的数均分子量、平均分子量和链长计算得出。

每种聚合物配制了三种共混物使用了两种 API III 类基础油：一种 KV100（100 °C 时的标称运动粘度）= 4cSt，另一种 KV100 = 8cSt。从中，生产出两种KV100 = 12cSt的混合物，每种基础油一种。

第三种混合物KV100 = 8cSt由4cSt基础油生产。不同的聚合物需要不同的浓度才能达到相同的粘度。粘度调节剂通常包含在发动机油中，浓度为7%wt至10%wt。然而，在大多数配方中，这些是在基础油中稀释的聚合物浓缩物。

浓缩物通常含有6%wt至15%wt的聚合物，即VM聚合物浓度约为0.4%wt至1.5%wt。在可能的情况下，聚合物浓度在此范围内。粘度指数（VI）使用ASTM D2270计算。

表征了共混物的缠结特性、分子大小和粘弹性。纠缠性质以两种方式计算：首先，根据费里和格雷斯利开发的理论。纠缠分子量，对于纯、固体和线性聚合物几乎被“稀释”，直到聚合物的浓度与实际混合物中的浓度相同。

当本体共混物中聚合物的体积浓度接近聚合物的自浓度时，c分子≈c，单个分子的占据体积开始重叠，即更多的相互作用和纠缠：混合物被认为是半稀释的。

C分子也可以描述聚合物分子卷曲，即更高的C分子是指在可比条件下相对于具有类似分子结构的另一种聚合物的更大程度的卷曲。

使用平行板流变仪上的振荡测试序列表征每种共混物的线性粘弹性。在线性粘弹性中，胡克定律适用，其中对应变的响应是线性的，并且在相同条件下不会发生周期间的变化。

使用恒定频率并稳定增加振幅，所有混合物的粘弹性响应在至少5%应变下都是线性的。因此，在随后的测试中，振荡剪切的频率增加，最大应变恒定为5%，增加剪切速率，直到弹性模量大于粘性模量，即固体性能开始占主导地位。记录了此时的剪切应力。

聚合物和共混物的表征

只有少数共混物是半稀的（即缠结密度>0.1），通常是高浓度的线性聚合物共混物。星形聚合物的纠缠密度比线性聚合物低一个数量级，即没有明显的分子间相互作用。

在发动机温度下，较大的流体动力学体积可能会导致更多混合物中的半稀相互作用。聚合物1和2，高分子量线性OCP，具有相似的流体动力学体积，但聚合物1具有更高的自浓度，表明卷绕更紧密。

聚合物3是一种低分子量OCP，相对于其他OCP具有极小的流体动力学体积和极高的自浓度。这表明要么是极高的卷曲，要么是分子足够短以至于不会明显卷绕。后者更有可能，表明聚合物3分子进一步扩展的潜力较低。

聚合物4是一种高分子量的丁苯乙烯，产生线性聚合物中最低的缠结密度。增稠效果高，因此浓度相对较低。

大水动力体积和低自浓度表明低卷曲。较大的苯乙烯侧基似乎阻碍了卷取。因此，该分子的延伸潜力低于类似链长的OCP<55>。

聚合物5至7，星形聚合物，表现出不同的行为。流体动力学体积高于线性聚合物。由于致密的分子核心和手臂的盘绕，自我集中度极高。

然而，由于手臂固定在核心中或物理吸引（聚合物6），弯曲和伸展受到阻碍，因此与手臂分子量的相关性比总分子量更强。

聚合物混合物在低入口流速（3 ml/min）、“滚动”或雾化条件下的雾化趋势和液滴分布特性。聚合物混合物在较高入口流速（9 ml/min）下（即“底切”或吹通条件）下的液滴形成参数和液滴分布特征。

3 ml分钟时的液滴形成趋势和液滴尺寸分布−1用于聚合物 1，一种高分子量 OCP。在所有条件下，液滴形成趋势均显著降低。

行为与聚合物浓度和粘度无关。雾状液滴的比例相对较高，为27.8-60.7%，使用较高粘度基础油（73 μm和40-54 μm）的混合物中特征液滴直径增加。

聚合物2（一种高分子量OCP）的结果。液滴形成倾向在 1 ml min 时降低 5.2–3.3%−1无花果。 与6cSt基础油（0.12%）相比，雾气和气溶胶的比例（5.8-60.7%）大大降低。向底切的过渡发生在较低的流速下。在高流速下，液滴形成趋势随聚合物浓度的增加而增加。

在所有条件下（540 μm）的特征喷雾液滴直径均大于8cSt基础油（460 μm）。8cSt 基础油中的雾气被抑制，12cSt 基础油的 8cSt 混合物中抑制气溶胶。在最高聚合物浓度下，特征雾滴直径更大，分别为63 μm和40 μm。

结论

开发了一种实验装置来生成和表征油雾流，这些油雾流被认为代表了在汽车发动机顶部活塞环间隙产生的油雾流。重要的是，对于特定的油粘度，这涉及将入口油流速限制在临界值以下，以确保形成产生较小液滴尺寸的滚动液滴。

4种API第四类基础油PAO形成雾气的趋势随平均分子量的增加呈线性下降趋势，随动态粘度的增加呈三阶多项式减小。

不同API组（I-III）和相似粘度的精炼矿物油的雾化倾向没有显著差异，尽管它们的分子量分布不同。然而，具有相似粘度的API组IV聚α烯烃显示出产生液滴的明显更大的倾向，可能是由于其分子结构不同。

完全配制的润滑剂的雾化倾向低于配制它的基础油。当商业添加剂单独添加到基础油中时，粘度调节剂被证明是导致雾化趋势降低的主要因素。

对不同粘度调节剂结构的详细考虑表明，聚合物分子对润滑剂粘弹性的影响是导致这种情况的机制。

特别是，高分子量线性聚合物具有最大的减少液滴形成的趋势：比星形聚合物更是如此。

对聚合物分子的分析表明，粘弹性响应受分子延伸能力的影响：这由自浓缩和流体动力学体积表示。

这项研究的结果表明，汽车发动机润滑油配方中基础油和功能添加剂的选择过程还需要考虑形成油雾的趋势以及完全配制的润滑油的所有其他功能和行为。