內(nèi)燃機(jī)油黏度特性和分類標(biāo)準(zhǔn)

王慧宇 陳延

摘 ?????要：內(nèi)燃機(jī)油的黏度是影響其潤滑性能的重要指標(biāo)，包括低溫啟動黏度、低溫泵送黏度、運(yùn)動黏度和高溫高剪切黏度等。介紹了內(nèi)燃機(jī)油的黏度指標(biāo)和試驗方法，以及我國內(nèi)燃機(jī)油分類標(biāo)準(zhǔn)的情況，解讀了將于2019年7月1日實(shí)施的GB/T 14906-2018《內(nèi)燃機(jī)油黏度分類》標(biāo)準(zhǔn)修訂內(nèi)容。

關(guān) ?鍵 ?詞：內(nèi)燃機(jī)油;黏度;分類;標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：TE626.3+2 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1330-04

Abstract： The viscosity characteristics are essential indexes for internal combustion engine oils， such as low-temperature cranking viscosity， low-temperature pumping viscosity， low-shear-rate kinematic viscosity and high-shear-rate viscosity. In this paper， the viscosity indexes of internal combustion engine oils were introduced as well as the test methods. The national standards and the revised contents of GB/T 14906-2018 were interpreted.

Key words： Engine oils; Viscosity; Classification; Standard

內(nèi)燃機(jī)油的黏度是影響其潤滑性能的重要指標(biāo)，適當(dāng)?shù)酿ざ扔兄跐櫥晚樌_(dá)到發(fā)動機(jī)的摩擦表面，并且在高溫和高壓條件下形成并保持油膜。內(nèi)燃機(jī)油低溫黏度包括低溫啟動黏度和低溫泵送黏度，確保在低溫啟動時，機(jī)油可以使發(fā)動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并成功泵送。高溫黏度包括運(yùn)動黏度和高溫高剪切黏度。內(nèi)燃機(jī)油應(yīng)具有較好的黏溫性能，在低溫和高溫下均具有合適的黏度，使發(fā)動機(jī)能夠得到潤滑。

1 ?SAE內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

由美國汽車工程師協(xié)會（SAE）建立的發(fā)動機(jī)油黏度分類體系始于1911年，經(jīng)歷了 20 多次的修訂，圍繞發(fā)動機(jī)對潤滑油黏溫性能的要求，建立發(fā)動機(jī)油黏度和使用性能之間的關(guān)系，最新版本為SAE J300-2015。

最初的規(guī)格規(guī)定了比重、閃點(diǎn)和燃點(diǎn)、殘?zhí)恐岛宛ざ龋ㄙ惒ㄌ仞ざ龋?，黏度代號按其低溫或高溫黏度要求范圍的平均值，取前兩位?shù)字設(shè)置。1926 年，第一個基于賽波特黏度的 SAE 黏度分類面世，它定義了130 ℉（54.4 ℃）和 210 ℉（98.9 ℃）的六個黏度級別，以數(shù)字 10、20、30、40、50、60表示。隨后，在 1933年，引入了0 ℉（-17.8 ℃）下10W和20W低溫黏度級別，同時還增加了70級別[1]。

1950年，10、60和70級別被廢止，低溫范圍增加5W級別。盡管這一分類仍是基于賽波特黏度，但 SAE黏度分類已開始接近現(xiàn)今的分類（表1）。

1962 年，SAE 黏度分類正式冠以 SAE J300，并采用冷啟動模擬機(jī)法測定 5W、10W和 20W油的-17.8 ℃黏度，高溫黏度采用運(yùn)動黏度測定98.9 ℃黏度。1974年，在標(biāo)準(zhǔn)中增加了一個附錄，簡要敘述了發(fā)動機(jī)油泵送黏度的相關(guān)定義和試驗過程，但未將低溫泵送性指標(biāo)放入標(biāo)準(zhǔn)中。1980 年，低溫泵送性指標(biāo)正式納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，此時，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)油黏度分類體系基本形成（表2）。

上世紀(jì)80年代主要的工作是低溫黏度指標(biāo)研究，先后在1980年和1989年設(shè)置低溫啟動黏度指標(biāo)和邊界泵送溫度指標(biāo)，低溫泵送黏度指標(biāo)。而后1993年設(shè)置了高溫高剪切黏度指標(biāo)。

隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，1995年和1999年分別對低溫泵送黏度和低溫啟動黏度（CCS）的測定條件和指標(biāo)限值進(jìn)行了修訂，相應(yīng)試驗溫度降低5℃，不同黏度等級油的指標(biāo)限值也做了相應(yīng)調(diào)整。

2007年調(diào)整了高溫高剪切黏度指標(biāo)，將 0W-40、5W-40、10W-40黏度等級油的高溫高剪切黏度指標(biāo)限值由不小于2.9 mPa·s調(diào)整為不小于3.5 mPa·s。SAE J300在 2013版和 2015版標(biāo)準(zhǔn)中增加了 16 和12、8黏度等級，并規(guī)定了上述三個黏度等級的100 ℃運(yùn)動黏度和150℃高溫高剪切黏度指標(biāo)限值?？傊陨鲜兰o(jì)八九十年代至今，對SAE J300的修訂一直在頻繁進(jìn)行中。

2 ?我國內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)情況

國際上普遍采用的是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）的內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)一直參照SAE黏度分類制定。1994年，我國采用SAE J300-87制定了GB/T 14906-1994《內(nèi)燃機(jī)油黏度分類》，確立了我國內(nèi)燃機(jī)油黏度分類體系。2006年發(fā)布的內(nèi)燃機(jī)油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 11121-2006《汽油機(jī)油》和GB 11122-2006《柴油機(jī)油》既要適應(yīng)SAE J300不斷更新的要求，又要結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，對產(chǎn)品的黏溫性項目指標(biāo)的設(shè)置采取了分段采標(biāo)的方式。對于SE、SF級汽油機(jī)油和CC、CD級柴油機(jī)油的黏度項目指標(biāo)仍采用1995年以前的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，SG、CF及以上質(zhì)量等級油品與當(dāng)時現(xiàn)行的SAE J300標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

目前，SAE內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)最新版本為SAE J300-2015，技術(shù)指標(biāo)發(fā)生了很大的變化，為適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動機(jī)和潤滑技術(shù)發(fā)展的需要，有必要采用最新的SAE J300標(biāo)準(zhǔn)對GB/T 14906-1994進(jìn)行修訂。新修訂的國標(biāo)14906-2018《內(nèi)燃機(jī)油黏度分類》于2018年12月28日批準(zhǔn)發(fā)布（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)公告2018年第17號），實(shí)施日期為2019年7月1日，技術(shù)要求與SAE J300-2015相當(dāng)。

3 ?內(nèi)燃機(jī)油黏度指標(biāo)含義和試驗方法

3.1 ?低溫啟動黏度

低溫黏度是確定內(nèi)燃機(jī)油啟動性的重要指標(biāo)，在寒冷的氣候條件下，發(fā)動機(jī)啟動所需功率小于電機(jī)所能提供的功率，發(fā)動機(jī)才能啟動[1]。純礦物油（單級油）符合牛頓流體的黏度特性，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，其溫度和黏度呈直線關(guān)系，單級油的低溫黏度曾經(jīng)一直采用外推法確定。

隨著黏度指數(shù)改進(jìn)劑的廣泛應(yīng)用，內(nèi)燃機(jī)油的黏度不僅與溫度有關(guān)，也受剪切速率的影響。在高剪切速率下，高分子聚合物的結(jié)構(gòu)會發(fā)生扭曲，甚至被破壞，導(dǎo)致機(jī)油黏度損失現(xiàn)象，呈現(xiàn)為非牛頓液體，無法使用外推法獲得低溫黏度。對此，美國進(jìn)行了方法研究，于1993年正式將冷啟動模擬機(jī)法（CCS）引入SAE J300標(biāo)準(zhǔn)中[2]。方法由經(jīng)多次改進(jìn)，擴(kuò)大適用的溫度范圍。冷啟動模擬機(jī)含有一對緊密配合的定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由直流電機(jī)驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)流過定子的冷卻劑來維持試驗溫度，考查發(fā)油機(jī)油在低溫高剪切速率（104～105 s-1）下的流變性[3]，模擬發(fā)動機(jī)低溫啟動時機(jī)油在活塞和汽缸套部位的狀態(tài)。目前最新標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D5293-17a，測試溫度擴(kuò)大到-10～-35 ℃。國內(nèi)現(xiàn)行的方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6538-2010《發(fā)動機(jī)油表觀黏度的測定 冷啟動模擬機(jī)法》，采用ASTM D5293-04制定。

3.2 ?低溫泵送黏度

低溫泵送黏度是測定在低溫條件下，發(fā)動機(jī)初始運(yùn)行階段機(jī)油流入油泵并供給充足油壓的能力。內(nèi)燃機(jī)油的低溫泵送性能十分重要。如果機(jī)油不能成功泵送，即使達(dá)到低溫啟動黏度，發(fā)動機(jī)仍然會啟動失敗。機(jī)油泵順利泵送需要滿足2個條件，一是油需依靠油面和濾網(wǎng)之間的壓頭流入濾網(wǎng)，受機(jī)油的臨界屈服應(yīng)力影響。二是能以足夠的流速連續(xù)從濾網(wǎng)進(jìn)到進(jìn)口管，這與機(jī)油的臨界黏度有關(guān)[4]。

低溫泵送黏度采用小型旋轉(zhuǎn)黏度計（MRV）測定，國內(nèi)的方法標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 9171《發(fā)動機(jī)油邊界泵送溫度測定法》和 NB/SH/T 0562《低溫下發(fā)動機(jī)油屈服應(yīng)力和表現(xiàn)黏度測定法》?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9171-88采用ASTM 3829-79制定，預(yù)測內(nèi)燃機(jī)油在0～-40 ℃范圍內(nèi)的邊界泵送溫度，目前仍用于SE、SF、CC、CD等低質(zhì)量等級油品低溫啟動性的測定。

NB/SH/T 0562-2013采用ASTM D4684-08制定，仍采用小型旋轉(zhuǎn)黏度計，將冷卻速率改進(jìn)為TP-1冷卻循環(huán)方式，在剪切應(yīng)力525 Pa、剪切速率0.4～15 s-1下測定屈服應(yīng)力和表觀黏度。這是因為1980-1981年冬天，美國和北歐通過ASTM 3829的機(jī)油仍出現(xiàn)了大量泵送失敗的問題。研究認(rèn)為該方法的冷卻循環(huán)經(jīng)過濁點(diǎn)范圍時僅用2 h，形成的蠟結(jié)晶顆粒小，黏度低，不能預(yù)測某些情況的低溫泵送性。TP-1冷卻循環(huán)要求內(nèi)燃機(jī)油在控制速率下至少冷卻45 h，最終達(dá)到試驗溫度。在蠟結(jié)晶形成區(qū)采用低速率冷卻（0.33 ℃/h），可使蠟結(jié)晶有足夠的生長時間，從而可以預(yù)測ASTM D3829不能預(yù)測的泵送失敗。

3.3 ?運(yùn)動黏度

運(yùn)動黏度是內(nèi)燃機(jī)油的一項重要指標(biāo)，運(yùn)動黏度不僅與某種形式的機(jī)油損耗有關(guān)，而且經(jīng)常作為使用者在正常發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下選油的指導(dǎo)。運(yùn)動黏度采用GB/T 265《石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度測定法和動力黏度計算發(fā)》測定，目前一些其它自動黏度測定方法也已標(biāo)準(zhǔn)化。

3.4 ?高溫高剪切黏度

內(nèi)燃機(jī)在工作過程中，軸承處會受到很高的沖擊載荷，軸承處潤滑油的溫度高達(dá)140 ℃以上，并受到106 s-1高速率的剪切。有必要設(shè)置高溫高剪切黏度項目聚指標(biāo)，來預(yù)測在苛刻操作條件下發(fā)動機(jī)高剪切部位的有效黏度。

我國現(xiàn)行的高溫高剪切黏度測定方法有SH/T 0618-1995《高溫高剪切條件下潤滑油動力黏度測定法》（參照CEC L-36-T-84制定）、SH/T 0703-2001《潤滑油在高溫高剪切速率條件下表觀黏度測定法（多重毛細(xì)管黏度計法）》（等效采用ASTM D5481-96）和SH/T 0751-2005《高溫高剪切條件下黏度測定法（錐形塞黏度計法）》（修改采用ASTM D4741-00）。

4 ?GB/T 14906-2018的主要修訂內(nèi)容與GB/T 14906-1994相比，新修訂的標(biāo)準(zhǔn)增加了黏度等級，對指標(biāo)項目、試驗方法以及指標(biāo)設(shè)置均進(jìn)行了修訂，并增加了規(guī)范性附錄A。

4.1 ?增加黏度等級

隨著各國對汽車排放和節(jié)能的要求越來越高，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性備受關(guān)注。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，燃料燃燒產(chǎn)生的能量只有40%提供了有效動力，其中25%的能量損失在機(jī)械件的摩擦中，降低摩擦損失是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效途徑[5]。在流體潤滑的情況下，摩擦系數(shù)隨著黏度的降低而減小。在保證發(fā)動機(jī)部件正常潤滑的條件下，降低內(nèi)燃機(jī)油黏度可以減少流體動力學(xué)阻力，從而減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[6]。最新的API柴油機(jī)油規(guī)格FA-4即以降低機(jī)油的高溫高剪切黏度來提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，內(nèi)燃機(jī)油呈現(xiàn)向低黏化發(fā)展的趨勢。內(nèi)燃機(jī)油黏度分類中也增加了8、12、16黏度等級。

4.2 ?修訂低溫啟動黏度

此次修訂將原標(biāo)準(zhǔn)中“低溫黏度”修改為“低溫啟動黏度”，試驗條件和指標(biāo)限值均發(fā)生變化。近代發(fā)動機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使發(fā)動機(jī)低溫啟動變得較為容易。因此，修訂標(biāo)準(zhǔn)將低溫啟動黏度的測定溫度降低了5 ℃，不同黏度等級油品的指標(biāo)限值也不同程度的增加（表3）。

4.3 ?修訂低溫泵送黏度

SAE J300在1989年設(shè)置了低溫泵送黏度指標(biāo)，1995年對低溫泵送黏度指標(biāo)進(jìn)行修訂。將測試溫度降低5 ℃，指標(biāo)限值由不大于30 000 mPa·s修改為不大于60 000 mPa·s。GB/T 14906-2018中低溫泵送性指標(biāo)由 “邊界泵送溫度”修改為“低溫泵送黏度”，指標(biāo)限值與現(xiàn)行SAE標(biāo)準(zhǔn)一致。GB/T 14906-1994中0、20和25 W級油采用GB/T 9171測定，5、10和15 W級油采用SH/T 0562測定，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)均采用NB/SH/T 0562測定（表4）。

4.4 ?修訂運(yùn)動黏度

低溫黏度等級的運(yùn)動黏度指標(biāo)保持不變;20黏度等級油的100 ℃運(yùn)動黏度下限由“不小于5.6 mm2/s”修改為“不小于6.9 mm2/s”;增加8、12、16三個黏度等級的100 ℃運(yùn)動指標(biāo)限值（表5）。

4.5 ?增加高溫高剪切黏度

對于高溫黏度等級，GB/T 14906-2018增加了高溫高剪切黏度指標(biāo)項目和檢測方法，保證含聚合物的內(nèi)燃機(jī)油在高溫和高剪切條件下可以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的需要。40黏度等級油根據(jù)使用的發(fā)動機(jī)種類和要求不同，做出兩種規(guī)定，0W-40、5W-40和10W-40等級油的高溫高剪切黏度要求不小于3.5 mPa·s，15W-40、20W-40、25W-40和40等級油要求不小于3.7 mPa·s（表6）。

4.6 ?增加規(guī)范性附錄A

GB/T 14906-2018在與先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌，滿足國內(nèi)高檔油品的研發(fā)和使用需求的同時，又要與我國內(nèi)燃機(jī)油產(chǎn)品規(guī)格相協(xié)調(diào)，增加了規(guī)范性附錄A，將原GB/T 14906-1994的黏度分類保留，給出了SE、SF質(zhì)量等級汽油機(jī)油和CC、CD質(zhì)量等級柴油機(jī)油以及農(nóng)用柴油機(jī)油的黏度分類。

5 ?結(jié)束語

近年來，我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和環(huán)保法規(guī)的不斷加嚴(yán)，對發(fā)動機(jī)潤滑油提出了更高要求。及時修訂內(nèi)燃機(jī)油黏度分類標(biāo)準(zhǔn)，有利于適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動機(jī)及潤滑油技術(shù)發(fā)展的需要，推動我國發(fā)動機(jī)油的開發(fā)和升級。

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