知识贴收藏起来慢慢看 聊聊机油的粘度
讲到粘度,网上大多只提到SAE J300的粘度等级,所以在此我就班门弄斧一下聊一下什么是『粘度』,
什么是粘度?
就是『液体面对流动和剪切的抵抗力』,
如例水,水是低粘度液体,所以它的流动性快,面对剪切力的阻力也非常低(很低,但不是没有,像是跳水,如果姿势不正确落水那一霎那就会好像撞在墙上,骨折或是颈椎断裂也是会发生的)
而机油『面对流动和剪切的抵抗力』就是重要的物理性能,粘度越高,就表示对剪切力的抵抗力越强,机油可以在填补在引擎零件之间避免零件互相摩擦,就是一般人常讲的『油膜的强度』。
但是并非粘度越高就是越好,因为粘度越高,剪切力的抵抗力越强,最明显的现象就是引擎无力,油耗增加,此外粘度越高就表示机油的流动力越低,而流动力也是机油很重要的物理性能,机油除了要快速喷洒、灌注到各个零件之外,也有吸收热量帮助散热的重要任务,流动性太差,就有可能会有机油量不足、散热不佳的问题。
所以流动力和剪切力就变成一种矛盾的存在,而粘度的单位也依照流动力和剪切力分成两种,一种叫运动粘度,就是计算机油的流动力,单位是 1cSt = 1 mm2/s另外一种叫绝对粘度,计算剪切力的,单位是1 mPa·s = 1 cP。
粘度的高低
机油粘度高低是怎么来的?主要是机油分子的大小,分子越大,机油就黏稠;反观越小就越稀。但是矿物油没办法控制分子大小,因为是从原油提炼出来的,分子的大小是大自然都帮你决定好了,而且还是各种大小混在一起,合成油则不一样,那是人类自行生产出来的润滑油,分子大小就可以依照人类的需求专门制造出来。
所以早期(1920-1960)矿物油粘度大多在SAE 20、SAE 30之间,但是合成油可以做到SAE50或是SAE60的高粘度,或者是SAE10的低粘度润滑油。
矿物油一直到等到氢裂解技术大量普及,才开始有优秀的性能表现,
也就是Group II或是Group III的机油。
这张图最上面就是Group IV或是Group V的全合成机油,最下面就是Group I的矿物油,中间就是Group II、Group III(嘉实多宣称Group III是全合成油)。
什么是粘度指数
粘度指数Viscosity Index,简称VI。其实很多人搞不懂VI是什么,常常误解成机油的优劣。高VI值就是好机油,这是对的,也是错的。
VI是指机油粘度的变化量,VI越高,表示粘度变化量越小。
『机油的粘度不是固定的,粘度是会随着温度而变化』
但是工程师却不希望机油粘度会变化,假设一群工程师设计了一颗引擎,这颗引擎最适合粘度是10cSt,那当然希望机油能在早上引擎启动时(冬天寒流来的就零下了)粘度是10cSt,引擎运转5-10分钟后油温升到80-90度时,粘度还是10cSt,大踩油门拉转引擎油温升到110-120度,粘度依然是10cSt,只是这是在做梦,哪有这种机油。
虽然如此,油商还是尽量研发出粘度变化量较低的高VI值机油
一般来说机油粘度变化是成曲线,但是为了方便阅读网站和书籍大多会画成直线,图中的红线的粘度变化量较低,就是高VI值的机油。
但是这可不是说你只要看VI就能挑机油了,前面就说了,VI只是标示粘度的变化量,不代表粘度的高低。像是Mobil 1 5W-50,VI值180,但是40度粘度108cSt,100度粘度有17.5cSt反观Mobil 1 0W-40,VI值186,他的40度粘度70.8cSt,100度粘度12.9cSt。
选错粘度就麻烦了,所以你还是要先选择合适的机油粘度,然后再看VI值。
复级机油的出现
前面提到,油商一直在提高机油VI值,降低机油的粘度变化量,在这之前,换机油可是大事,换机油不像现在是看里程数更换,而是看天气、月份更换,夏天的时候要SAE30、SAE40的机油,冬天的话就要赶快换成SAE20。
在1950年代,终于出现了粘度指数改进剂(Viscosity Index improvers),这改变了机油科技这里抱怨一下,中油翻译成增黏剂,这错很大。
而机油开始出现复级机油,SAE甚至修改了粘度等级,至于SAE的复级机油标示我就不多说了。
那么复级机油的优势在哪?就是VI值大幅提升,粘度变化量降低,
就以这张图来说,10W30的机油,在华氏-20度的温度粘度可以和SAE10的粘度相近,高温来到华氏近200度时粘度又和SAE30相近。
因为复级机油对于温度的高适应力,很快的1960年代复级机油就成为市场主流,但是粘度指数改进剂有个严重问题,那就是它会让机油的剪切抵抗力下降,1960-1970年车商开始通报多起引擎损坏的案例。
对此美国SAE开始对剪切力订出下限,要求机油对抗剪切力不能过低,这就是很多人朗朗上口的HTHS,High Temperature High Shear。
这标准经过多次修改,测试温度也从100度改为150度高温,现在最新规范是ASTM D4683-17(2017年版本)
而欧洲的ACEA更严格,它要求A3/B3、A3/B4的不论粘度高低HTHS必须是3.5mPa·s,A5/B5也要有2.9mPa·s所以到了现在,不用担心机油剪切力不足的问题了(除非你去买来路不明的油品)
此外粘度指数改进剂还有一个问题,它并非真的改变粘度,而是只有减缓粘度变化的速度,假如你加了一桶20W50的机油在引擎里,跑个30分钟可能变成SAE40的粘度,再跑个两小时又可能变成SAE30的粘度,因为有可能这罐机油就是SAE30靠添加改进剂变成20W50,
只是骑了两小时后打回原形,这时候你就要小心SAE30的粘度是否符合引擎的需求,如果不行?还是赶快熄火休息吧。
虽然如此,粘度指数改进剂还是让机油能多运转2小时,这就是改进剂的价值。
但是根本上提高机油性能,还是要靠优质基础油,但是合成油成本太高,就出现折衷的-半合成油或者靠氢裂解技术改变矿物油分子结构的Group III机油,做出以前矿物油做不到的5W或是60等级的机油(但是还是要加一点粘度指数改进剂)
大概就是这样,不算完整,只能算是有感而发碎碎念的东西。
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