ILSAC GF-6汽油機(jī)油規(guī)格解讀及其變化分析

清華大學(xué)蘇州汽車研究院（吳江）

ILSAC是國際潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及認(rèn)證委員會(huì)（International Lubricant Standardization and Approval Committee） 的縮寫，是美國汽車制造商協(xié)會(huì)（AAMA）和日本汽車制造商協(xié)會(huì)（JAMA）聯(lián)合一些大的潤滑油和添加劑公司共同成立的對(duì)潤滑油產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行認(rèn)證的機(jī)構(gòu)，其認(rèn)證委托美國石油學(xué)會(huì)（API）發(fā)布[1]。

隨著全球汽車保有量的快速增長、石化能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益突出[2]，世界汽車行業(yè)面臨著未來燃料短缺和現(xiàn)行排放法規(guī)加嚴(yán)的雙重壓力。在OEM（原始設(shè)備制造商）應(yīng)對(duì)油耗法規(guī)和排放要求的同時(shí)，汽車用戶對(duì)汽車性能的期待也越來越高。為迎接挑戰(zhàn)，OEM對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件和控制系統(tǒng)不斷升級(jí)，如發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、直噴技術(shù)、增加渦輪增壓、摩擦優(yōu)化以及后處理和燃燒技術(shù)改進(jìn)。新技術(shù)的應(yīng)用在提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)也對(duì)潤滑油提出了新的挑戰(zhàn)，進(jìn)而引發(fā)了諸如沉積物加劇、低速早燃、正時(shí)鏈條保護(hù)等新的問題，因此汽車OEM對(duì)潤滑油的性能提出了更高的要求，所有這些變化都需要發(fā)動(dòng)機(jī)油提供更加全面、更加充足的硬件保護(hù)性能。通過采用更低黏度潤滑油來提升發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的燃油經(jīng)濟(jì)性也成為行業(yè)和最新汽機(jī)油規(guī)格開發(fā)所關(guān)注的重點(diǎn)。

為了滿足日趨嚴(yán)格的汽車排放和油耗法規(guī)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，渦輪增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（GTDI）技術(shù)因其具有減少排放和降低油耗雙重優(yōu)勢，已經(jīng)逐步成為國際汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線的主流。為應(yīng)對(duì)新技術(shù)對(duì)潤滑油的需求和挑戰(zhàn)，在國際潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及認(rèn)證委員會(huì)推動(dòng)及國際汽車OEM的幫助下，新一代ILSAC GF-6規(guī)格開發(fā)完成并施行。本文對(duì)GF-6汽油機(jī)油規(guī)格對(duì)油品的質(zhì)量要求進(jìn)行了介紹，并與GF-5規(guī)格進(jìn)行了對(duì)比，分析解讀了新規(guī)格質(zhì)量要求的主要變化及對(duì)應(yīng)臺(tái)架試驗(yàn)的變化和技術(shù)特點(diǎn)，展望了GF-6規(guī)格對(duì)潤滑油行業(yè)的影響與挑戰(zhàn)。

2011年11月，ILSAC 首次提出GF-6 規(guī)格[3]。歷經(jīng)八年的開發(fā)，包括四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測試方法的更新和三個(gè)新測試方法的引入。最終2019年API的潤滑油標(biāo)準(zhǔn)組以信函投票方式批準(zhǔn)采用了兩個(gè)新的ILSAC GF-6規(guī)格：GF-6A和GF-6B，經(jīng)歷12個(gè)月的強(qiáng)制等待期后，2020年5月1日 GF-6產(chǎn)品標(biāo)識(shí)正式允許使用。GF-6A、GF-6B標(biāo)識(shí)分別見圖1、圖2。

ILSAC GF-6規(guī)格油品性能要求

目前ILSAC已經(jīng)制訂了汽油機(jī)油的GF－1、GF－2、GF－3、GF－4、GF－5、GF-6六個(gè)規(guī)格，GF－6規(guī)格首次分為GF－6A和GF－6B 兩個(gè)不同的子規(guī)格，其中GF－6A 與ILSAC以往的規(guī)格兼容，黏度級(jí)別包括 SAE XW-20和XW-30，而GF-6B是一個(gè)全新的規(guī)格，只針對(duì)黏度級(jí)別為SAE XW-16的低黏度汽機(jī)油，GF-6B的油將不與以往的ILSAC規(guī)格兼容[4]。

GF-6規(guī)格對(duì)汽油機(jī)油的質(zhì)量要求見表1（所有指標(biāo)如無明確說明，則GF-6A、GF-6B規(guī)格均需滿足該指標(biāo)）。

表1 ILSAC GF-6規(guī)格對(duì)汽油機(jī)油質(zhì)量要求

表1 ILSAC GF-6規(guī)格對(duì)汽油機(jī)油質(zhì)量要求

表1 ILSAC GF-6規(guī)格對(duì)汽油機(jī)油質(zhì)量要求

ILSAC GF-6規(guī)格質(zhì)量要求變化分析

ILSAC汽油機(jī)油規(guī)格的發(fā)展與發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)、節(jié)能環(huán)保以及耐久性要求密切相關(guān)。GF-6A作為與ILSAC以往的規(guī)格相兼容的新一代汽機(jī)油規(guī)格，與GF-5規(guī)格相比，老規(guī)格已有的性能得到了全面的提升，同時(shí)增加了低速早燃抑制能力要求和正時(shí)鏈條保護(hù)要求。GF-6A與GF-5規(guī)格質(zhì)量要求差異見表2。

從表2可以看出，GF-6A相對(duì)于GF-5規(guī)格，質(zhì)量要求變化主要有以下幾個(gè)方面。

提升了機(jī)油的剪切穩(wěn)定性要求

GF-6A規(guī)格與GF-5規(guī)格均采用了程序VIII臺(tái)架試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)機(jī)油防止銅鉛軸瓦腐蝕的性能和剪切穩(wěn)定性，但在剪切穩(wěn)定性指標(biāo)要求方面GF-6A規(guī)格對(duì)XW-20黏度級(jí)別要求有所加嚴(yán)，XW-20黏度級(jí)別剪切穩(wěn)定性要求相對(duì)于GF-5提升了23.2%。

更高的高溫抗氧化性能和清凈性能要求

GF-6A/B規(guī)格引入了程序ⅢH臺(tái)架試驗(yàn)代替程序ⅢG臺(tái)架試驗(yàn)，程序IIIH臺(tái)架試驗(yàn)與程序ⅢG臺(tái)架試驗(yàn)工況對(duì)比見表3。

從表3可以看出，新臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和壓縮比有明顯的提高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣加劇，機(jī)油消耗量降低，機(jī)油補(bǔ)充加入量大幅降低，機(jī)油工況更加苛刻，這些變化也反映了發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和高功率的發(fā)展趨勢。通過對(duì)比表3 GF-5程序IIIG與GF-6 程序IIIH臺(tái)架試驗(yàn)質(zhì)量指標(biāo)可以直觀地看出，在臺(tái)架試驗(yàn)工況加嚴(yán)的條件下，GF－6規(guī)格在40 ℃黏度增長率和平均活塞沉積物評(píng)分兩個(gè)指標(biāo)上進(jìn)行了加嚴(yán)。

更高閥系保護(hù)性能要求

在閥系抗磨保護(hù)方面，ILSAC GF-6引入了全新的程序IVB臺(tái)架試驗(yàn)用以替代已經(jīng)使用了20年的程序IVA臺(tái)架試驗(yàn)，程序IVB臺(tái)架試驗(yàn)與程序IVA臺(tái)架試驗(yàn)工況對(duì)比見表4。

從表4可以看出，程序IVB發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比增加，轉(zhuǎn)速更高，試驗(yàn)時(shí)間延長；在程序VIB開發(fā)過程中，為了使其具有較好的磨損區(qū)分度，發(fā)動(dòng)機(jī)硬件和臺(tái)架工況進(jìn)行了以下調(diào)整[6]：

◇專門為程序IVB試驗(yàn)開發(fā)了閥系零部件，強(qiáng)化了氣門彈簧載荷，降低了凸輪的硬度，并通過改變凸輪的輪廓來降低油膜厚度，

◇強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣工況，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，機(jī)油的燃油稀釋率達(dá)到8%～16%，機(jī)油黏度下降40%～50%，

◇試驗(yàn)時(shí)間從100 h延長至200 h。

程序IVB臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括發(fā)動(dòng)機(jī)平均進(jìn)氣挺柱體積損失，該指標(biāo)測試方法取消了傳統(tǒng)2D形貌儀測試方法，改用Keyence VR-3000 3D輪廓測量儀來測量挺柱磨損體積，該方法相比于前者可更全面地分析磨損程度，具有更高的精度和再現(xiàn)性；設(shè)置了試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)油中Fe元素評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以更加全面地評(píng)價(jià)機(jī)油低溫抗磨性能。由此可見，GF-6引入程序IVB臺(tái)架試驗(yàn)后，要求機(jī)油在燃油稀釋、油膜變薄、摩擦強(qiáng)度增加、摩擦副抗磨性能弱化和機(jī)油衰變加速的苛刻條件下提供足夠的抗磨性能。

低溫清凈分散性能

在機(jī)油低溫清凈分散性能評(píng)價(jià)方面GF-6規(guī)格引入了新的程序VH臺(tái)架試驗(yàn)方法代替程序VG臺(tái)架試驗(yàn)方法，新方法采用2013款4.6 L V8 發(fā)動(dòng)機(jī)，與老款發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)路線上一致，前者主要是更新了先進(jìn)的電控系統(tǒng)，因此在試驗(yàn)條件設(shè)定方面，程序VH采取了與程序VG相似的循環(huán)工況。從表3 分析可知，GF-6 的程序VH臺(tái)架試驗(yàn)油泥和漆膜評(píng)分等指標(biāo)相對(duì)于GF-5 程序VG的要求有所降低，這是因?yàn)槌绦騐H臺(tái)架試驗(yàn)增加了曲軸箱竄氣、消除曲軸箱通風(fēng)并增加燃油稀釋，因此不能直接認(rèn)為GF-6規(guī)格比GF-5規(guī)格在低溫清凈分散性能要求上有所降低，同時(shí)最新API SN/SN-RC規(guī)格已經(jīng)同時(shí)引入程序VH和程序VG臺(tái)架試驗(yàn)，且規(guī)定2個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)相互之間同等替換，而API SN/SN-RC規(guī)格的程序VG臺(tái)架試驗(yàn)的所有考核指標(biāo)限值與GF-5一致，對(duì)程序VH的所有指標(biāo)限值與GF-6一致，因此可以認(rèn)為GF-6規(guī)格與GF-5規(guī)格對(duì)機(jī)油低溫清凈分散性能的要求基本是相同的。

更加優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性能

為了進(jìn)一步提升汽油機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性性能，GF-6規(guī)格引入程序ⅥE/F臺(tái)架試驗(yàn)，該臺(tái)架試驗(yàn)采用通用2012款Malibu 3.6L LY7 V6發(fā)動(dòng)機(jī)，其試驗(yàn)條件與程序ⅥD臺(tái)架試驗(yàn)相比，第一階段機(jī)油老化循環(huán)工況和沒有變化，都是16 h，第二階段機(jī)油老化循環(huán)工況也一樣，但時(shí)間延長至109 h，因此總的老化時(shí)間為125 h，相當(dāng)于16.093 km后的燃油經(jīng)濟(jì)性，并減少補(bǔ)油量,對(duì)潤滑油燃油經(jīng)濟(jì)性保持能力提出了更高的要求。從GF-5程序VID臺(tái)架與GF-6程序VIE臺(tái)架試驗(yàn)考核指標(biāo)對(duì)比可以看出：SAE XW-20總體FEI提升46.1%，F(xiàn)EI2提升50%；SAE XW-30總體FEI提升 63.1%，F(xiàn)EI2提 升 66.7%；SAE 10 W-30總 體FEI提 升86.7%，F(xiàn)EI2提升116.7%。因此GF-6規(guī)格對(duì)機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性要求有了很大提高。

表2 GF-6A與GF-5規(guī)格主要質(zhì)量要求差異

表3 GF-5 程序IIIG與程序GF-6 IIIH臺(tái)架試驗(yàn)工況對(duì)比[5]

表4 GF-5 程序IVA與程序GF-6 IVB臺(tái)架試驗(yàn)工況對(duì)比[5]

增加GTDI發(fā)動(dòng)機(jī)低速早燃抑制性能

GF-6標(biāo)準(zhǔn)引入了程序IX臺(tái)架試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)油低速早燃抑制能力。低速早燃現(xiàn)象（LSPI）是汽油機(jī)在低速大負(fù)荷工況區(qū)發(fā)生的一種偶發(fā)性、間歇性的非正常燃燒現(xiàn)象。發(fā)生早燃時(shí)，缸內(nèi)峰值壓力甚至可以超過100 bar（10 MPa），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)危害極大，極端條件下可瞬間損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生低速早燃時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角與氣缸壓力變化如圖3所示。

研究發(fā)現(xiàn)潤滑油與低速早燃的發(fā)生有一定相關(guān)性，通過機(jī)油的配方改進(jìn)可以在一定程度上抑制直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低速早燃問題[7]。2011年福特公司與美國西南研究院合作，在福特2012款2.0 L Ecoboost發(fā)動(dòng)機(jī)上開展過低速早燃（LSPI）的研究，隨后開發(fā)了程序IX臺(tái)架試驗(yàn)。測試由4個(gè)重復(fù)周期組成。每次重復(fù)周期為175 000個(gè)點(diǎn)火循環(huán)，取前170 000個(gè)有效循環(huán)用于評(píng)估早燃事件的數(shù)量。每個(gè)重復(fù)周期包含2個(gè)低速高負(fù)荷工況，即一個(gè)為1 500 r/min 轉(zhuǎn)速工況，一個(gè)為1 750 r/min 轉(zhuǎn)速工況，每次重復(fù)周期為4 h，總試驗(yàn)時(shí)間為16 h。通過氣缸內(nèi)壓力傳感器記錄每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)的峰值壓力和燃料的質(zhì)量燃燒率超過2%時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角（燃料的質(zhì)量燃燒率根據(jù)壓力升高計(jì)算出）。采用統(tǒng)計(jì)方法來尋找峰值壓力和燃料的質(zhì)量燃燒率超過2%時(shí)異常值，當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足時(shí)，即被視為一次低速早燃事件。GF-6規(guī)格要求機(jī)油在程序IX臺(tái)架試驗(yàn)中4個(gè)循環(huán)平均發(fā)生次數(shù)小于5次，每個(gè)循環(huán)發(fā)生次數(shù)小于8次。

增加正時(shí)鏈條保護(hù)要求

針對(duì)汽油渦輪增壓直噴（GTDI）發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用中出現(xiàn)的正時(shí)鏈條不理想的磨損問題，GF-6規(guī)格新增程序X臺(tái)架試驗(yàn)，要求機(jī)油通過適當(dāng)?shù)呐浞絻?yōu)化對(duì)正時(shí)鏈條的保護(hù)性能。正時(shí)鏈條為氮化碳表面涂層的靜音鏈條(三鏈板)[8]，同時(shí)來自燃燒室的廢氣中含有煙炱及未燃燒的汽油會(huì)混入到發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中，破壞潤滑油油膜，降低潤滑油抗磨性能，使正時(shí)鏈條的潤滑條件更加惡劣。程序X臺(tái)架試驗(yàn)采用福特2012版Ecoboost 2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)與氣缸之間的間隙被增大，以提高竄氣流速，曲軸箱的通風(fēng)也作了調(diào)整，以加劇正時(shí)鏈條磨損。試驗(yàn)時(shí)長216 h，包括54個(gè)4 h循環(huán)，每個(gè)循環(huán)由2個(gè)階段組成，它們包括了一系列低溫/中溫、輕負(fù)荷/中等負(fù)荷的混合工況條件。

結(jié)束語

綜合來看，新一代ILSAC GF-6規(guī)格對(duì)油品的剪切穩(wěn)定性、高溫抗氧化性能、高溫清凈性能、閥系磨損保護(hù)、燃油經(jīng)濟(jì)性都提出了更高的要求，同時(shí)基于目前汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展和OEM需求增加了低速早燃抑制和正時(shí)鏈條保護(hù)的要求，體現(xiàn)出了潤滑油在幫助提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面發(fā)揮的重要作用。從另一個(gè)角度看，新一代ILSAC GF-6規(guī)格的開發(fā)和施行也將推動(dòng)基礎(chǔ)油、油品添加劑技術(shù)以及油品配方的更新?lián)Q代?？傊?，新一代ILSAC GF-6規(guī)格將為潤滑油和添加劑公司帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，同時(shí)為新一代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供更高更全面的保護(hù)。