內(nèi)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。本文介紹了內(nèi)燃機油的黏度指標和試驗方法，以及我國內(nèi)燃機油分類標準的情況，解讀了于2019年7月1日實施的GB/T 14906-2018《內(nèi)燃機油黏度分類》標準修訂內(nèi)容。
1SAE 內(nèi)燃機油黏度分類標準的發(fā)展
由美國汽車工程師協(xié)會（SAE）建立的發(fā)動機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)動機對潤滑油黏溫性能的要求，建立發(fā)動機油黏度和使用性能之間的關(guān)系，最新版本為SAEJ300-2015。
最初的規(guī)格規(guī)定了比重、閃點和燃點、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，取前兩位數(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。
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。
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(fā)動機油泵送黏度的相關(guān)定義和試驗過程，但未將低溫泵送性指標放入標準中。1980年，低溫泵送性指標正式納入標準規(guī)范中，此時，現(xiàn)代發(fā)動機油黏度分類體系基本形成。
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(shè)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(shè)置了高溫高剪切黏度指標。
隨著發(fā)動機技術(shù)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(yīng)試驗溫度降低5℃，不同黏度等級油的指標限值也做了相應(yīng)調(diào)整。2007年調(diào)整了高溫高剪切黏度指標， 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2.9mPa·s 調(diào)整為不小于3.5mPa·s。SAEJ300在2013版和2015版標準中增加了16和12、8黏度等級，并規(guī)定了上述三個黏度等級的100 ℃運動黏度和150℃高溫高剪切黏度指標限值。總之，自上世紀八九十年代至今，對SAEJ300的修訂一直在頻繁進行中。
2我國內(nèi)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(xié)會（SAE）的內(nèi)燃機油黏度分類標準，國內(nèi)的內(nèi)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(nèi)燃機油黏度分類》，確立了我國內(nèi)燃機油黏度分類體系。
2006年發(fā)布的內(nèi)燃機油產(chǎn)品標準GB11121-2006《汽油機油》和GB 11122-2006《柴油機油》既要適應(yīng)SAE J300不斷更新的要求，又要結(jié)合國內(nèi)的實際情況，對產(chǎn)品的黏溫性項目指標的設(shè)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(zhì)量等級油品與當時現(xiàn)行的SAEJ300標準保持一致。
目前，SAE內(nèi)燃機油黏度分類標準最新版本為SAE J300-2015，技術(shù)指標發(fā)生了很大的變化，為適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動機和潤滑技術(shù)發(fā)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(nèi)燃機油黏度分類》于2018年12月28日批準發(fā)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(shù)要求與SAEJ300-2015相當。
3內(nèi)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(nèi)燃機油啟動性的重要指標，在寒冷的氣候條件下，發(fā)動機啟動所需功率小于電機所能提供的功率，發(fā)動機才能啟動。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)改進劑的廣泛應(yīng)用，內(nèi)燃機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。方法經(jīng)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(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由直流電機驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)流過定子的冷卻劑來維持試驗溫度，考察發(fā)油機油在低溫高剪切速率（104~105s-1）下的流變性，模擬發(fā)動機低溫啟動時機油在活塞和汽缸套部位的狀態(tài)。目前最新標準為ASTM D5293-17a，測試溫度擴大到-10~-35 ℃。國內(nèi)現(xiàn)行的方法標準為GB/T6538-2010《發(fā)動機油表觀黏度的測定 冷啟動模擬機法》，采用ASTMD5293-04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)動機初始運行階段機油流入油泵并供給充足油壓的能力。內(nèi)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(fā)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(wǎng)之間的壓頭流入濾網(wǎng)，受機油的臨界屈服應(yīng)力影響。二是能以足夠的流速連續(xù)從濾網(wǎng)進到進口管，這與機油的臨界黏度有關(guān)。
低溫泵送黏度采用小型旋轉(zhuǎn)黏度計（MRV）測定，國內(nèi)的方法標準有GB/T 9171《發(fā)動機油邊界泵送溫度測定法》和 NB/SH/T 0562《低溫下發(fā)動機油屈服應(yīng)力和表現(xiàn)黏度測定法》?，F(xiàn)行標準GB/T 9171-88采用ASTM 3829-79制定，預(yù)測內(nèi)燃機油在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，將冷卻速率改進為TP-1 冷卻循環(huán)方式，在剪切應(yīng)力525 Pa、剪切速率0.4~15s-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的機油仍出現(xiàn)了大量泵送失敗的問題。研究認為該方法的冷卻循環(huán)經(jīng)過濁點范圍時僅用2h，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)燃機油在控制速率下至少冷卻45h，最終達到試驗溫度。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 運動黏度
運動黏度是內(nèi)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(guān)，而且經(jīng)常作為使用者在正常發(fā)動機運轉(zhuǎn)溫度下選油的指導(dǎo)。運動黏度采用GB/T 265《石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度計算法》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(nèi)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106s-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，來預(yù)測在苛刻操作條件下發(fā)動機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/T0618-1995《高溫高剪切條件下潤滑油動力黏度測定法》（參照CECL-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ASTMD5481-96）和SH/T0751-2005《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，新修訂的標準增加了黏度等級，對指標項目、試驗方法以及指標設(shè)置均進行了修訂，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)濟性備受關(guān)注。在發(fā)動機運行過程中，燃料燃燒產(chǎn)生的能量只有40%提供了有效動力，其中25%的能量損失在機械件的摩擦中，降低摩擦損失是提高燃油經(jīng)濟性的有效途徑。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)動機部件正常潤滑的條件下，降低內(nèi)燃機油黏度可以減少流體動力學(xué)阻力，從而減少能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。最新的API柴油機油規(guī)格FA-4即以降低機油的高溫高剪切黏度來提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，內(nèi)燃機油呈現(xiàn)向低黏化發(fā)展的趨勢。內(nèi)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“低溫黏度”修改為“低溫啟動黏度”，試驗條件和指標限值均發(fā)生變化。近代發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展，使發(fā)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。
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，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30000mPa·s 修改為不大于60000mPa·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(xiàn)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。
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5.6mm2/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。
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(nèi)燃機油在高溫和高剪切條件下可以適應(yīng)發(fā)動機的需要。40黏度等級油根據(jù)使用的發(fā)動機種類和要求不同，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3.5mPa·s，15W-40、20W-40、25W-40 和40 等級油要求不小于3.7mPa·s。
4.6 增加規(guī)范性附錄A
GB/T 14906-2018在與先進標準接軌，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)量等級汽油機油和CC、CD質(zhì)量等級柴油機油以及農(nóng)用柴油機油的黏度分類。
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，對發(fā)動機潤滑油提出了更高要求。及時修訂內(nèi)燃機油黏度分類標準，有利于適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動機及潤滑油技術(shù)發(fā)展的需要，推動我國發(fā)動機油的開發(fā)和升級。
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