內燃機油黏度特性和分類標準

王慧宇 陳延

摘 ?????要：內燃機油的黏度是影響其潤滑性能的重要指標，包括低溫啟動黏度、低溫泵送黏度、運動黏度和高溫高剪切黏度等。介紹了內燃機油的黏度指標和試驗方法，以及我國內燃機油分類標準的情況，解讀了將于2019年7月1日實施的GB/T 14906-2018《內燃機油黏度分類》標準修訂內容。

關 ?鍵 ?詞：內燃機油;黏度;分類;標準

中圖分類號：TE626.3+2 ??????文獻標識碼： 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

內燃機油的黏度是影響其潤滑性能的重要指標，適當的黏度有助于潤滑油順利達到發動機的摩擦表面，并且在高溫和高壓條件下形成并保持油膜。內燃機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，機油可以使發動機開始運轉并成功泵送。高溫黏度包括運動黏度和高溫高剪切黏度。內燃機油應具有較好的黏溫性能，在低溫和高溫下均具有合適的黏度，使發動機能夠得到潤滑。

1 ?SAE內燃機油黏度分類標準的發展

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

最初的規格規定了比重、閃點和燃點、殘炭值和黏度（賽波特黏度），黏度代號按其低溫或高溫黏度要求范圍的平均值，取前兩位數字設置。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法測定 5W、10W和 20W油的-17.8 ℃黏度，高溫黏度采用運動黏度測定98.9 ℃黏度。1974年，在標準中增加了一個附錄，簡要敘述了發動機油泵送黏度的相關定義和試驗過程，但未將低溫泵送性指標放入標準中。1980 年，低溫泵送性指標正式納入標準規范中，此時，現代發動機油黏度分類體系基本形成（表2）。

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

隨著發動機技術的進步，1995年和1999年分別對低溫泵送黏度和低溫啟動黏度（CCS）的測定條件和指標限值進行了修訂，相應試驗溫度降低5℃，不同黏度等級油的指標限值也做了相應調整。

2007年調整了高溫高剪切黏度指標，將 0W-40、5W-40、10W-40黏度等級油的高溫高剪切黏度指標限值由不小于2.9 mPa·s調整為不小于3.5 mPa·s。SAE J300在 2013版和 2015版標準中增加了 16 和12、8黏度等級，并規定了上述三個黏度等級的100 ℃運動黏度和150℃高溫高剪切黏度指標限值?？傊?，自上世紀八九十年代至今，對SAE J300的修訂一直在頻繁進行中。

2 ?我國內燃機油黏度分類標準情況

國際上普遍采用的是美國汽車工程師協會（SAE）的內燃機油黏度分類標準，國內的內燃機油黏度分類標準一直參照SAE黏度分類制定。1994年，我國采用SAE J300-87制定了GB/T 14906-1994《內燃機油黏度分類》，確立了我國內燃機油黏度分類體系。2006年發布的內燃機油產品標準GB 11121-2006《汽油機油》和GB 11122-2006《柴油機油》既要適應SAE J300不斷更新的要求，又要結合國內的實際情況，對產品的黏溫性項目指標的設置采取了分段采標的方式。對于SE、SF級汽油機油和CC、CD級柴油機油的黏度項目指標仍采用1995年以前的標準指標，SG、CF及以上質量等級油品與當時現行的SAE J300標準保持一致。

目前，SAE內燃機油黏度分類標準最新版本為SAE J300-2015，技術指標發生了很大的變化，為適應現代發動機和潤滑技術發展的需要，有必要采用最新的SAE J300標準對GB/T 14906-1994進行修訂。新修訂的國標14906-2018《內燃機油黏度分類》于2018年12月28日批準發布（中華人民共和國國家標準公告2018年第17號），實施日期為2019年7月1日，技術要求與SAE J300-2015相當。

3 ?內燃機油黏度指標含義和試驗方法

3.1 ?低溫啟動黏度

低溫黏度是確定內燃機油啟動性的重要指標，在寒冷的氣候條件下，發動機啟動所需功率小于電機所能提供的功率，發動機才能啟動[1]。純礦物油（單級油）符合牛頓流體的黏度特性，在雙對數坐標紙上，其溫度和黏度呈直線關系，單級油的低溫黏度曾經一直采用外推法確定。

隨著黏度指數改進劑的廣泛應用，內燃機油的黏度不僅與溫度有關，也受剪切速率的影響。在高剪切速率下，高分子聚合物的結構會發生扭曲，甚至被破壞，導致機油黏度損失現象，呈現為非牛頓液體，無法使用外推法獲得低溫黏度。對此，美國進行了方法研究，于1993年正式將冷啟動模擬機法（CCS）引入SAE J300標準中[2]。方法由經多次改進，擴大適用的溫度范圍。冷啟動模擬機含有一對緊密配合的定子和轉子，轉子由直流電機驅動，通過調節流過定子的冷卻劑來維持試驗溫度，考查發油機油在低溫高剪切速率（104～105 s-1）下的流變性[3]，模擬發動機低溫啟動時機油在活塞和汽缸套部位的狀態。目前最新標準為ASTM D5293-17a，測試溫度擴大到-10～-35 ℃。國內現行的方法標準為GB/T 6538-2010《發動機油表觀黏度的測定 冷啟動模擬機法》，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，發動機初始運行階段機油流入油泵并供給充足油壓的能力。內燃機油的低溫泵送性能十分重要。如果機油不能成功泵送，即使達到低溫啟動黏度，發動機仍然會啟動失敗。機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之間的壓頭流入濾網，受機油的臨界屈服應力影響。二是能以足夠的流速連續從濾網進到進口管，這與機油的臨界黏度有關[4]。

低溫泵送黏度采用小型旋轉黏度計（MRV）測定，國內的方法標準有GB/T 9171《發動機油邊界泵送溫度測定法》和 NB/SH/T 0562《低溫下發動機油屈服應力和表現黏度測定法》?，F行標準GB/T 9171-88采用ASTM 3829-79制定，預測內燃機油在0～-40 ℃范圍內的邊界泵送溫度，目前仍用于SE、SF、CC、CD等低質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，仍采用小型旋轉黏度計，將冷卻速率改進為TP-1冷卻循環方式，在剪切應力525 Pa、剪切速率0.4～15 s-1下測定屈服應力和表觀黏度。這是因為1980-1981年冬天，美國和北歐通過ASTM 3829的機油仍出現了大量泵送失敗的問題。研究認為該方法的冷卻循環經過濁點范圍時僅用2 h，形成的蠟結晶顆粒小，黏度低，不能預測某些情況的低溫泵送性。TP-1冷卻循環要求內燃機油在控制速率下至少冷卻45 h，最終達到試驗溫度。在蠟結晶形成區采用低速率冷卻（0.33 ℃/h），可使蠟結晶有足夠的生長時間，從而可以預測ASTM D3829不能預測的泵送失敗。

3.3 ?運動黏度

運動黏度是內燃機油的一項重要指標，運動黏度不僅與某種形式的機油損耗有關，而且經常作為使用者在正常發動機運轉溫度下選油的指導。運動黏度采用GB/T 265《石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算發》測定，目前一些其它自動黏度測定方法也已標準化。

3.4 ?高溫高剪切黏度

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

我國現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的主要修訂內容與GB/T 14906-1994相比，新修訂的標準增加了黏度等級，對指標項目、試驗方法以及指標設置均進行了修訂，并增加了規范性附錄A。

4.1 ?增加黏度等級

隨著各國對汽車排放和節能的要求越來越高，汽車的燃油經濟性備受關注。在發動機運行過程中，燃料燃燒產生的能量只有40%提供了有效動力，其中25%的能量損失在機械件的摩擦中，降低摩擦損失是提高燃油經濟性的有效途徑[5]。在流體潤滑的情況下，摩擦系數隨著黏度的降低而減小。在保證發動機部件正常潤滑的條件下，降低內燃機油黏度可以減少流體動力學阻力，從而減少能源消耗，實現節能的目的[6]。最新的API柴油機油規格FA-4即以降低機油的高溫高剪切黏度來提高發動機燃油經濟性，內燃機油呈現向低黏化發展的趨勢。內燃機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

此次修訂將原標準中“低溫黏度”修改為“低溫啟動黏度”，試驗條件和指標限值均發生變化。近代發動機技術的快速發展，使發動機低溫啟動變得較為容易。因此，修訂標準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年設置了低溫泵送黏度指標，1995年對低溫泵送黏度指標進行修訂。將測試溫度降低5 ℃，指標限值由不大于30 000 mPa·s修改為不大于60 000 mPa·s。GB/T 14906-2018中低溫泵送性指標由 “邊界泵送溫度”修改為“低溫泵送黏度”，指標限值與現行SAE標準一致。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，修訂后的標準均采用NB/SH/T 0562測定（表4）。

4.4 ?修訂運動黏度

低溫黏度等級的運動黏度指標保持不變;20黏度等級油的100 ℃運動黏度下限由“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 ℃運動指標限值（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項目和檢測方法，保證含聚合物的內燃機油在高溫和高剪切條件下可以適應發動機的需要。40黏度等級油根據使用的發動機種類和要求不同，做出兩種規定，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 ?增加規范性附錄A

GB/T 14906-2018在與先進標準接軌，滿足國內高檔油品的研發和使用需求的同時，又要與我國內燃機油產品規格相協調，增加了規范性附錄A，將原GB/T 14906-1994的黏度分類保留，給出了SE、SF質量等級汽油機油和CC、CD質量等級柴油機油以及農用柴油機油的黏度分類。

5 ?結束語

近年來，我國汽車工業的迅速發展和環保法規的不斷加嚴，對發動機潤滑油提出了更高要求。及時修訂內燃機油黏度分類標準，有利于適應現代發動機及潤滑油技術發展的需要，推動我國發動機油的開發和升級。

參考文獻：

[1]Michael L. McMillan.Engine Oil Viscosity Classifications- Past， Present， and Future[C].1977，SAE Paper 770373.

[2]張繼德. 汽車潤滑用油脂[M].北京：中國石化出版社，1992：251-258.

[3]GB/T 6538-2010，發動機油表觀黏度的測定 冷啟動模擬機法[S].

[4]關子杰.內燃機潤滑油應用原理[M].北京：中國石化出版社，2000：76-78.

[5]史程中，賀娜，鐘建勤，等.低黏度機油對汽油發動機燃油經濟性的影響研究[J].汽車工程，2015，37（10）.

[6]許金山，雷凌. 發動機油流變特性對油品燃油經濟性的影響綜述[J].石油商技，2015（6）.

[7]GB/T 14906-94，內燃機油黏度分類[S].

[8]GB/T 14906-2018，內燃機油黏度分類[S].