内燃机油黏度特性和分类标准

王慧宇 陈延

摘      要：内燃机油的黏度是影响其润滑性能的重要指标，包括低温启动黏度、低温泵送黏度、运动黏度和高温高剪切黏度等。介绍了内燃机油的黏度指标和试验方法，以及我国内燃机油分类标准的情况，解读了将于2019年7月1日实施的GB/T 14906-2018《内燃机油黏度分类》标准修订内容。

关  键  词：内燃机油;黏度;分类;标准

中图分类号：TE626.3+2       文献标识码： A       文章编号： 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

内燃机油的黏度是影响其润滑性能的重要指标，适当的黏度有助于润滑油顺利达到发动机的摩擦表面，并且在高温和高压条件下形成并保持油膜。内燃机油低温黏度包括低温启动黏度和低温泵送黏度，确保在低温启动时，机油可以使发动机开始运转并成功泵送。高温黏度包括运动黏度和高温高剪切黏度。内燃机油应具有较好的黏温性能，在低温和高温下均具有合适的黏度，使发动机能够得到润滑。

1  SAE内燃机油黏度分类标准的发展

由美国汽车工程师协会（SAE）建立的发动机油黏度分类体系始于1911年，经历了 20 多次的修订，围绕发动机对润滑油黏温性能的要求，建立发动机油黏度和使用性能之间的关系，最新版本为SAE J300-2015。

最初的规格规定了比重、闪点和燃点、残炭值和黏度（赛波特黏度），黏度代号按其低温或高温黏度要求范围的平均值，取前两位数字设置。1926 年，第一个基于赛波特黏度的 SAE 黏度分类面世，它定义了130 ℉（54.4 ℃）和 210 ℉（98.9 ℃）的六个黏度级别，以数字 10、20、30、40、50、60表示。随后，在 1933年，引入了0 ℉（-17.8 ℃）下10W和20W低温黏度级别，同时还增加了70级别[1]。

1950年，10、60和70级别被废止，低温范围增加5W级别。尽管这一分类仍是基于赛波特黏度，但 SAE黏度分类已开始接近现今的分类（表1）。

1962 年，SAE 黏度分类正式冠以 SAE J300，并采用冷启动模拟机法测定 5W、10W和 20W油的-17.8 ℃黏度，高温黏度采用运动黏度测定98.9 ℃黏度。1974年，在标准中增加了一个附录，简要叙述了发动机油泵送黏度的相关定义和试验过程，但未将低温泵送性指标放入标准中。1980 年，低温泵送性指标正式纳入标准规范中，此时，现代发动机油黏度分类体系基本形成（表2）。

上世纪80年代主要的工作是低温黏度指标研究，先后在1980年和1989年设置低温启动黏度指标和边界泵送温度指标，低温泵送黏度指标。而后1993年设置了高温高剪切黏度指标。

随着发动机技术的进步，1995年和1999年分别对低温泵送黏度和低温启动黏度（CCS）的测定条件和指标限值进行了修订，相应试验温度降低5℃，不同黏度等级油的指标限值也做了相应调整。

2007年调整了高温高剪切黏度指标，将 0W-40、5W-40、10W-40黏度等级油的高温高剪切黏度指标限值由不小于2.9 mPa·s调整为不小于3.5 mPa·s。SAE J300在 2013版和 2015版标准中增加了 16 和12、8黏度等级，并规定了上述三个黏度等级的100 ℃运动黏度和150℃高温高剪切黏度指标限值。总之，自上世纪八九十年代至今，对SAE J300的修订一直在频繁進行中。

2  我国内燃机油黏度分类标准情况

国际上普遍采用的是美国汽车工程师协会（SAE）的内燃机油黏度分类标准，国内的内燃机油黏度分类标准一直参照SAE黏度分类制定。1994年，我国采用SAE J300-87制定了GB/T 14906-1994《内燃机油黏度分类》，确立了我国内燃机油黏度分类体系。2006年发布的内燃机油产品标准GB 11121-2006《汽油机油》和GB 11122-2006《柴油机油》既要适应SAE J300不断更新的要求，又要结合国内的实际情况，对产品的黏温性项目指标的设置采取了分段采标的方式。对于SE、SF级汽油机油和CC、CD级柴油机油的黏度项目指标仍采用1995年以前的标准指标，SG、CF及以上质量等级油品与当时现行的SAE J300标准保持一致。

目前，SAE内燃机油黏度分类标准最新版本为SAE J300-2015，技术指标发生了很大的变化，为适应现代发动机和润滑技术发展的需要，有必要采用最新的SAE J300标准对GB/T 14906-1994进行修订。新修订的国标14906-2018《内燃机油黏度分类》于2018年12月28日批准发布（中华人民共和国国家标准公告2018年第17号），实施日期为2019年7月1日，技术要求与SAE J300-2015相当。

3  内燃机油黏度指标含义和试验方法

3.1  低温启动黏度

低温黏度是确定内燃机油启动性的重要指标，在寒冷的气候条件下，发动机启动所需功率小于电机所能提供的功率，发动机才能启动[1]。纯矿物油（单级油）符合牛顿流体的黏度特性，在双对数坐标纸上，其温度和黏度呈直线关系，单级油的低温黏度曾经一直采用外推法确定。

随着黏度指数改进剂的广泛应用，内燃机油的黏度不仅与温度有关，也受剪切速率的影响。在高剪切速率下，高分子聚合物的结构会发生扭曲，甚至被破坏，导致机油黏度损失现象，呈现为非牛顿液体，无法使用外推法获得低温黏度。对此，美国进行了方法研究，于1993年正式将冷启动模拟机法（CCS）引入SAE J300标准中[2]。方法由经多次改进，扩大适用的温度范围。冷启动模拟机含有一对紧密配合的定子和转子，转子由直流电机驱动，通过调节流过定子的冷却剂来维持试验温度，考查发油机油在低温高剪切速率（104～105 s-1）下的流变性[3]，模拟发动机低温启动时机油在活塞和汽缸套部位的状态。目前最新标准为ASTM D5293-17a，测试温度扩大到-10～-35 ℃。国内现行的方法标准为GB/T 6538-2010《发动机油表观黏度的测定 冷启动模拟机法》，采用ASTM D5293-04制定。

3.2  低温泵送黏度

低温泵送黏度是测定在低温条件下，发动机初始运行阶段机油流入油泵并供给充足油压的能力。内燃机油的低温泵送性能十分重要。如果机油不能成功泵送，即使达到低温启动黏度，发动机仍然会启动失败。机油泵顺利泵送需要满足2个条件，一是油需依靠油面和滤网之间的压头流入滤网，受机油的临界屈服应力影响。二是能以足够的流速连续从滤网进到进口管，这与机油的临界黏度有关[4]。

低温泵送黏度采用小型旋转黏度计（MRV）测定，国内的方法标准有GB/T 9171《发动机油边界泵送温度测定法》和 NB/SH/T 0562《低温下发动机油屈服应力和表现黏度测定法》。现行标准GB/T 9171-88采用ASTM 3829-79制定，预测内燃机油在0～-40 ℃范围内的边界泵送温度，目前仍用于SE、SF、CC、CD等低质量等级油品低温启动性的测定。

NB/SH/T 0562-2013采用ASTM D4684-08制定，仍采用小型旋转黏度计，将冷却速率改进为TP-1冷却循环方式，在剪切应力525 Pa、剪切速率0.4～15 s-1下测定屈服应力和表观黏度。这是因为1980-1981年冬天，美国和北欧通过ASTM 3829的机油仍出现了大量泵送失败的问题。研究认为该方法的冷却循环经过浊点范围时仅用2 h，形成的蜡结晶颗粒小，黏度低，不能预测某些情况的低温泵送性。TP-1冷却循环要求内燃机油在控制速率下至少冷却45 h，最终达到试验温度。在蜡结晶形成区采用低速率冷却（0.33 ℃/h），可使蜡结晶有足够的生长时间，从而可以预测ASTM D3829不能预测的泵送失败。

3.3  运动黏度

运动黏度是内燃机油的一项重要指标，运动黏度不仅与某种形式的机油损耗有关，而且经常作为使用者在正常发动机运转温度下选油的指导。运动黏度采用GB/T 265《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算发》测定，目前一些其它自动黏度测定方法也已标准化。

3.4  高温高剪切黏度

内燃机在工作过程中，轴承处会受到很高的冲击载荷，轴承处润滑油的温度高达140 ℃以上，并受到106 s-1高速率的剪切。有必要设置高温高剪切黏度項目聚指标，来预测在苛刻操作条件下发动机高剪切部位的有效黏度。

我国现行的高温高剪切黏度测定方法有SH/T 0618-1995《高温高剪切条件下润滑油动力黏度测定法》（参照CEC L-36-T-84制定）、SH/T 0703-2001《润滑油在高温高剪切速率条件下表观黏度测定法（多重毛细管黏度计法）》（等效采用ASTM D5481-96）和SH/T 0751-2005《高温高剪切条件下黏度测定法（锥形塞黏度计法）》（修改采用ASTM D4741-00）。

4  GB/T 14906-2018的主要修订内容与GB/T 14906-1994相比，新修订的标准增加了黏度等级，对指标项目、试验方法以及指标设置均进行了修订，并增加了规范性附录A。

4.1  增加黏度等级

随着各国对汽车排放和节能的要求越来越高，汽车的燃油经济性备受关注。在发动机运行过程中，燃料燃烧产生的能量只有40%提供了有效动力，其中25%的能量损失在机械件的摩擦中，降低摩擦损失是提高燃油经济性的有效途径[5]。在流体润滑的情况下，摩擦系数随着黏度的降低而减小。在保证发动机部件正常润滑的条件下，降低内燃机油黏度可以减少流体动力学阻力，从而减少能源消耗，实现节能的目的[6]。最新的API柴油机油规格FA-4即以降低机油的高温高剪切黏度来提高发动机燃油经济性，内燃机油呈现向低黏化发展的趋势。内燃机油黏度分类中也增加了8、12、16黏度等级。

4.2  修订低温启动黏度

此次修订将原标准中“低温黏度”修改为“低温启动黏度”，试验条件和指标限值均发生变化。近代发动机技术的快速发展，使发动机低温启动变得较为容易。因此，修订标准将低温启动黏度的测定温度降低了5 ℃，不同黏度等级油品的指标限值也不同程度的增加（表3）。

4.3  修订低温泵送黏度

SAE J300在1989年设置了低温泵送黏度指标，1995年对低温泵送黏度指标进行修订。将测试温度降低5 ℃，指标限值由不大于30 000 mPa·s修改为不大于60 000 mPa·s。GB/T 14906-2018中低温泵送性指标由 “边界泵送温度”修改为“低温泵送黏度”，指标限值与现行SAE标准一致。GB/T 14906-1994中0、20和25 W级油采用GB/T 9171测定，5、10和15 W级油采用SH/T 0562测定，修订后的标准均采用NB/SH/T 0562测定（表4）。

4.4  修订运动黏度

低温黏度等级的运动黏度指标保持不变;20黏度等级油的100 ℃运动黏度下限由“不小于5.6 mm2/s”修改为“不小于6.9 mm2/s”;增加8、12、16三个黏度等级的100 ℃运动指标限值（表5）。

4.5  增加高温高剪切黏度

对于高温黏度等级，GB/T 14906-2018增加了高温高剪切黏度指标项目和检测方法，保证含聚合物的内燃机油在高温和高剪切条件下可以适应发动机的需要。40黏度等级油根据使用的发动机种类和要求不同，做出兩种规定，0W-40、5W-40和10W-40等级油的高温高剪切黏度要求不小于3.5 mPa·s，15W-40、20W-40、25W-40和40等级油要求不小于3.7 mPa·s（表6）。

4.6  增加规范性附录A

GB/T 14906-2018在与先进标准接轨，满足国内高档油品的研发和使用需求的同时，又要与我国内燃机油产品规格相协调，增加了规范性附录A，将原GB/T 14906-1994的黏度分类保留，给出了SE、SF质量等级汽油机油和CC、CD质量等级柴油机油以及农用柴油机油的黏度分类。

5  结束语

近年来，我国汽车工业的迅速发展和环保法规的不断加严，对发动机润滑油提出了更高要求。及时修订内燃机油黏度分类标准，有利于适应现代发动机及润滑油技术发展的需要，推动我国发动机油的开发和升级。

参考文献：

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

[2]张继德. 汽车润滑用油脂[M].北京：中国石化出版社，1992：251-258.

[3]GB/T 6538-2010，发动机油表观黏度的测定 冷启动模拟机法[S].

[4]关子杰.内燃机润滑油应用原理[M].北京：中国石化出版社，2000：76-78.

[5]史程中，贺娜，钟建勤，等.低黏度机油对汽油发动机燃油经济性的影响研究[J].汽车工程，2015，37（10）.

[6]许金山，雷凌. 发动机油流变特性对油品燃油经济性的影响综述[J].石油商技，2015（6）.

[7]GB/T 14906-94，内燃机油黏度分类[S].

[8]GB/T 14906-2018，内燃机油黏度分类[S].