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润滑油的发展历史以及演变过程

类型:车界动态  日期:2019/2/24 14:20:19  全纳车网  :
  

核心提示:润滑油的发展历史以及演变过程

“润滑”一词,要解决的是经典力学的摩擦问题,如今我们拥有相对论与量子力学,但几千年来的生活也未能摆脱摩擦的束缚。所以实际上,润滑油的起源和路边停得到处都是的轮子没有两样,人类在文明的起始就已经点亮了这一路天赋树。

    01    从植物油到矿物质油

    至少在公元前17世纪,古埃及就出现了使用橄榄油来搬运巨石的记载,而到了公元前14世纪,人类甚至能用动物的油脂对战车轮轴进行润滑,但受限于对食物的需求,一直到中世纪才能稳定的从动植物当中提取润滑物质。近代文明的爆发始于第一次工业革命,而现代意义上的润滑油,也跟随着石油产量的井喷得到新生。

    PeterKalm

    1747年,31岁的冒险家PeterKalm接受了瑞典皇家科学院的一项任务:旅行至北美进行冒险,并带回有助于瑞典农业发展的作物。不过第二年他所绘制的一幅地图却使他以另一种方式被铭记。地图里的地方,后来被称为油泉之春。1859年EdwinL.Drake在这里建立起第一口商业油井,有趣的是这口油井在一个多月以后就被明火点燃毁坏,Drake不得不进行重建,在今天看来,那却是人类文明史上的一道火光。

    EdwinL.Drake

    Drake的油井打开了石油纪元,加速了人类使用矿物油的进程,然而当时的产品看似优越,却富有争议:未经处理的原油不能展现出卓越的润滑性能,甚至无法与大多数动物脂肪产品相比。

    美国,宾夕法尼亚州,油泉之春

    彼时一个准备进入卡尔斯鲁厄大学的德国少年,在26年后成为了转折点。作为意义上第一台汽油机汽车的发明者,KarlBenZ开始了汽车市场病毒式的扩张。繁荣的汽车业对润滑的需求也一样繁荣。这个阶段溶剂精制的基础油成为了最好的选择,加上各厂商的积极改良,矿物油最终占领了全世界——事实上这段时间里,诞生了许多知名的机油厂商,比如耳熟能详的壳牌、埃克森美孚、嘉实多,比如BP、Motul、胜牌等等等等。

    意义上的第一台汽车来自奔驰,当时整个行业未有健全的标准,设计师们时有苏东坡时有李清照,不同润滑油之间风格迥异。全球化的进程中厂商之间没有统一的标准,就得付出极大代价。于是从1911年开始,SAE(美国汽车工程师协会)着手解决这个问题,并发布了SAEJ300,今天我们能使用各种级别的润滑油来应对不同的车型、天气、地区,都始于这里。

    02    SAE如何对机油分级?

    当时润滑油能够承受的最高工作温度也就在100℃左右,而润滑油的粘度特性随温度升高却是下降的,环境温度过高会导致润滑油过稀,无法形成有效的油膜对零部件进行润滑保护。因此,选定100℃作为基准温度对润滑油的粘度进行测试,具有一定的参考意义。

    粘度又是怎么测试的呢?工程师们使用的是粘度计,让润滑油流经特定的管道,测试所需时间,量化这个过程的参数就叫做运动粘度。对于普通人而言这个参数不易理解,而且实际上粘度差别不大时,润滑油区别也未必有那么大,所以SAE最终对其进行了分级。

    粘度与温度的关系

    粘度计

    SAE分级

    SAE30的性能由于覆盖了大部分区域的需求,成为当时接受度最广的级别。而粘度更高或者更低的润滑油,就更多的被用来处理极端工况,比如赛车发动机的温度更高,就得用上SAE40、SAE50的润滑油了。

    1930年之前,润滑油只能满足汽车行驶1500km左右的里程,不够耐用的问题促使厂商们加速添加剂的研发进程,这个阶段工程师们发现了锌与磷可以作为耐磨剂的核心,钙与镁则是清洁剂和耐酸剂的关键等等,添加剂极大的延长了润滑油的寿命,并在1940年前后得到了商业化,但这还不够。

    从植物油到矿物质油

    一战和二战期间,飞机数量的井喷对发动机的转速、负荷提出了更高的要求,战争结束后这些要求就被放到了汽车上,最明显的体现就是豪华轿车的性能已能与战前的赛车比肩,这也意味着民用市场对SAE50的需求开始增加。遗憾的是,SAE50高温时刚好有足够的粘度去应付高性能发动机,环境温度一低则显得过于粘稠。此时,不论是工程师还是消费者,都已经认识到了一个问题:现有的分级制度不足以描述已有机油产品的低温性能。

    二战当中塑料行业附着于石油化工飞速发展,工程师们也是在这时发现了高分子材料的潜力:粘度强化剂可以在温度升高的时候减缓机油粘度下降的趋势。比如SAE30的润滑油经过改造,不仅能在保证自身低温性能的同时,还能在高温环境达到SAE50的粘度。为了区别润滑油是否进行了这种处理,1952年SAE开始对这种机油进行复合分级,Winteriscoming,“W”得以出现。

    SAE30的润滑油,由于可以满足-10℃以上的环境,也被等效为SAE20W30,假如经过改造使其达到了SAE50的标准,那么就成为了SAE20W50。这种分级制度很快就为行业所接受,而战前最受欢迎的SAE30,战后已然变成了SAE20W50了。

    早期这种复合级别的机油也存在缺陷:粘度强化剂很容易被氧化成有害物质。面对这个事实,人们找到的第一个答案是全合成机油,可是当时其价格往往是普通机油的三倍以上,难以推广。

    03   SAE符合级别是如何完善的?

    随着复合级别机油的流行,SAE意识到了J300的局限:复合级别与单级别的机油相比,在高温高压的条件下粘度属性非常不同,一些复合级别的机油在高温下容易失效。于是1970至1975年间,SAE对J300进行了修订,新增了150℃超高温测试。至于后来润滑油技术的不断进步,也不停的在推动的这个标准的变动,过往的种种严谨,才能够使得今天的我们有更好的依据。

    如今,SAEJ300将不含粘度强化剂的机油认定为单级别机油,并定义了6个冬季级别和5个夏季级别,这两类级别的测试方法、使用的单位都不一样,所以像0W40以及5W40这样的复合级别产品,就必须同时通过两种级别的测试。

    在夏季级别的测试当中,为了保证机油存有余力应对温度变高而粘度变稀的过程,较高的牌号是消费者的优选。

但如前所说,级别是以一定粘度范围来划定的,比如下面四个品牌的机油,尽管级别相同,都是0W40或者5W40,但相比来说3M的粘度就要明显高一些,S牌和C牌则不相上下。这有点像考试,95~100分都算A+,而100分相比95分还是有点不一样。

    高温机油粘度表现

    低温环境下粘度如果过高,反而会造成发动机冷启时,机油流动性较差,不能及时对零部件进行润滑,所以粘度较低的级别更好。图里就可以看到,5W40由于冬季级别标号值较大,四个品牌的粘度都要高于自家的0W40产品。而当确定级别时,低温流动性一样有所区别,0W40与5W40的全合成产品里,3M优于其他几款产品,而5W40的半合成产品,S牌以微弱的优势领先。

    低温机油粘度表现

    60年代前,除了SAE的粘度分级外,并无有效的标准对机油质量进行管控:将石蜡从原油提炼出来并不只有一种方法,炼制出的基础油成分也不太一样,比如有的微粒溶解度更高不容易产生杂质,有的芳香烃成分比较多就容易挥发、氧化等等。美国石油组织(API)也因此开始尝试建立一种规范,这就是今天API分级系统的前身。

    04    API(美国石油组织)分级制度又是什么?

    就汽油机而言,API把1960年之前的机油定义为“SB”,但当时还存在着一种更高的等级,叫做“APIServiceMS”,1968年以后则分别被修改成今天我们所称呼的“APISC”,或者“SD”。

    这个标准从出现到今天已经修订、废除了很多版本,如今只剩1996年的SJ、2000年的SL、2004年的SM以及2010年最新、要求最高的SN了。

    基础油根据不同的生产工艺,更是被分成了几大类:溶剂精制的一类基础油实际上包含了芳香烃偏高、偏低的两个子类,这种基础油的粘度系数都很低,而且硫含量高,并不环保;二类基础油则进行了加氢处理,与一类相比更加纯净、稳定,几乎不含硫成分;加氢异构化的三类基础油本质依然是矿物油,比较优异的产品也可以与合成机油相媲美,不过也有很多不足。


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