北美汽油發動機油規格ILSAC GF-6與ILSAC GF-5對比分析

石順友，潘正華，趙艷麗，石婷

(中國石化潤滑油有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和環境問題的日益突出[1]，綠色節能已經成為全球汽車行業的發展趨勢。面對全球性的資源短缺和氣候變暖，歐美日等汽車工業發達國家都采取積極措施推動和促進本國汽車節能技術發展，降低汽車尾氣排放和提升汽車燃油經濟性水平，以鞏固和提高本國汽車工業的未來國際競爭力。我國也制定并實施了史上最嚴的《第六階段機動車污染物排放標準》(簡稱“國六排放標準”)和《乘用車燃料消耗量限值》標準，并明確到2025年，我國乘用車新車平均燃料消耗量達到4.0 L/100 km的目標。為應對日益嚴苛的節能和環保法規要求，各大汽車OEM(原始設備制造商)采用缸內直噴、渦輪增壓、可變氣門正時、降低摩擦等新技術對汽車發動機進行革新，以提高其燃油經濟性，降低尾氣排放。發動機新技術在提升發動機性能的同時也對發動機潤滑油提出了更高的性能要求，進而促進了發動機油規格的不斷升級[2-4]。

ILSAC發動機油規格體系是當前全球四大具有權威性的發動機油規格體系之一[5]。ILSAC自成立以來，前后推出了GF-1(1992年)、GF-2(1996年)、GF-3(2000年)、GF-4(2004年)、GF-5(2010年)等汽油發動機油規格。為應對日益嚴苛的節能和環保法規要求以及缸內直噴和渦輪增壓器等新發動機技術的廣泛應用帶來的低速早燃和正時鏈條磨損等問題，ILSAC于2020年推出了性能更高的全新一代ILSAC GF-6汽油發動機油規格。

本文主要對ILSAC GF-6汽油機油規格進行介紹，并就ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格進行對比研究分析。

1 ILSAC GF-6規格介紹

ILSAC GF-6規格最早于2012年提出，因開發難度太大而被數次延遲，經過汽車0EM、添加劑和潤滑油等各行業共同努力，歷時8年開發，最終于2019年，API潤滑油標準組以信函投票方式批準采用了ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B兩個新規格，經過12個月過渡期后，ILSAC GF-6規格于2020年5月1日被正式允許使用。

為使OEM能夠推出黏度等級低于SAE 0W-20的發動機油，ILSAC將ILSAC GF-6分為ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B兩個單獨的子類別。ILSAC GF-6A主要用于要求使用SAE XW-20和SAE XW-30傳統黏度等級油品的乘用車發動機，可向下兼容GF-5等規格，即可用于要求使用ILSAC GF-5的或更早規格的車輛發動機。ILSAC GF-6B是全新的發動機油規格，只含一個SAE 0W-16黏度等級，且不可向下兼容，只能用于要求使用低黏度發動機油(SAE 0W-16)的新型乘用車發動機。因此，滿足ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B規格的發放機油不能在車輛發動機上互換使用[6-7]。

由于在市場的實際應用中，發動機油的錯誤使用是OEM和潤滑油供應商面臨的一個重要問題，為了幫助終端用戶避免混淆或誤用，且清晰地區分ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B規格發動機油，API將符合ILSAC GF-6A規格的發動機油標以“星爆”認證標識(如圖1)，而對符合ILSAC GF-6B規格的發動機油，API則引入了新的“盾牌”認證標識(如圖2)。此外，汽車OEM和潤滑油供應商也可以通過用戶手冊和經銷商服務幫助終端用戶區分ILSAC GF-6A或ILSAC GF-6B是否適用于特定車型，以防止ILSAC GF-6B規格的低黏度發動機油被用于不適用的發動機中[8]。

圖1 ILSAC GF-6A的“星爆”認證標識

圖2 ILSAC GF-6B的“盾牌”認證標識

與ILSAC GF-6A相比，ILSAC GF-6B具有更低的高溫高剪切黏度和更好的燃油經濟性，但二者的發動機臺架試驗測試(除燃油經濟性外)的要求一致。ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B的主要區別如表1所示。

2 ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格技術要求[8-9]

ILSAC GF-6和ILSAC GF-5規格的理化性能技術要求和臺架試驗技術要求分別如表2和表3所示。

表2 ILSAC GF-6和ILSAC GF-5規格的理化性能技術要求

表2(續)

表3 ILSAC GF-6和ILSAC GF-5規格的臺架試驗技術要求

表3(續)

3 ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格對比分析

ILSAC GF-6分為ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B兩個子規格，但只ILSAC GF-6A可向下兼容ILSAC GF-5等舊規格。ILSAC GF-6和ILSAC GF-5規格油品的性能對比如圖3所示，發動機臺架試驗評價指標限值對比如表4所示。

表4 ILSAC GF-6與ILSAC GF-5發動機臺架試驗評價指標限值對比

圖3 ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格油品的性能對比

從ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格的技術要求、性能對比圖和臺架指標限值對比可以看出，與ILSAC GF-5規格相比,ILSAC GF-6規格的技術要求更高，性能更全面，特別是在抗氧化、抗磨損、燃油經濟性、低速早燃抑制和正時鏈條磨損保護等方面表現突出，能夠為新一代乘用車發動機提供出色的耐久性保護。下面將從高溫沉積物模擬試驗以及高溫抗氧化、閥系磨損保護、低溫油泥、燃油經濟性等臺架試驗方面，對ILSAC GF-6與ILSAC GF-5規格進行對比研究分析。

3.1 高溫沉積物模擬試驗

在高溫沉積物模擬試驗方面，ILSAC GF-6規格直接刪除了ILSAC GF-5規格中TEOST MHT模擬試驗，而保留了TEOST 33C模擬試驗。刪除TEOST MHT模擬試驗原因，一方面是由于添加劑和潤滑油公司認為TEOST MHT模擬試驗與發動機臺架試驗的對應性較差，而汽車OEM未對此提出異議；另一方面是TEOST MHT模擬試驗的再現性和重復性較差，增加了復合添加劑和油品的開發難度和成本。繼續采用TEOST 33C模擬試驗的原因是由于克萊斯勒汽車公司認為該模擬試驗與渦輪增壓器沉積物有一定的相關性，而堅持TEOST 33C ILSAC GF-6規格繼續進行該項模擬試驗，指標要求與ILSAC GF-5規格保持一致。

3.2 高溫抗氧化和清凈分散性

在高溫抗氧化方面，ILSAC GF-6規格采用MS程序ⅢH替代MS程序ⅢG來評定發動機油的高溫抗氧化性能。MS程序ⅢH替代MS程序ⅢG試驗的發動機參數和評定指標要求如表5。

表5 MS程序ⅢH與MS程序ⅢG臺架試驗工況對比

表5(續)

從表5可以看出，MS程序ⅢH采用了排量更小、轉速更高和壓縮比更大的Chrysler Pentastar Ⅴ6(電噴)發動機，且發動機竄氣加劇、而加油消耗降低，機油的補加量減少。小排量發動機為了達到更好的動力輸出，在獲得相同扭矩的同時單位功率密度升高，造成發動機缸體、活塞等關鍵部位的溫度更高；同時，小排量發動機要達到更高的發動機轉速，要求單位時間內發動機的點火次數更多，增加了活塞、活塞環以及閥系凸輪等的運動頻次，使發動機油面臨更加頻繁的機械剪切，并使發動機油對活塞環和氣缸壁等高溫部位進行冷卻和潤滑的次數增加，易造成機油氧化變質和形成沉積物[10]。此外，更大的壓縮比使氣缸內最大行程容積提高，導致更高的熱效率、缸內壓力和燃燒壓力，使發動機油面臨更高的工作溫度和更大的工作壓力，運行條件更加苛刻。在評定指標上，ILSAC GF-6規格在40 ℃運動黏度增長率和活塞沉積物平均評分兩個指標上更加嚴格。可見，ILSAC GF-6規格對發動機油的高溫抗氧化性能提出了極高要求。

3.3 尾氣處理系統的耐久性

在尾氣處理系統的保護方面，出于對發動機磨損問題的考慮，ILSAC GF-6規格對磷元素的要求與ILSAC GF-5規格一致，在0.06%～0.08%之間。但對磷元素的保持性提出了更高的要求，要求在MS程序ⅢH試驗結束后，油品中磷元素含量不低于新油中的81%，相比ILSAC GF-5的79%，提升了2.5%，提高了對尾氣后處理系統的保護性，延長其使用壽命。

3.4 閥系磨損保護性能

在閥系磨損保護方面，ILSAC GF-6規格采用MS程序ⅣB替代ILASC GF-5規格中的MS程序ⅣA來評定發動機油的閥系磨損保護性能，二者的試驗工況對比如表6。

表6 MS程序ⅣA與MS程序ⅣB臺架試驗工況對比

從表6可以看出，MS程序ⅣB臺架試驗采用了轉速更高、壓縮比更大的2010Toyota 2NR-FE 1.5 L 4缸汽油機，而且試驗時間延長了一倍，達到200 h，提高了試驗的苛刻性。MS程序ⅣB臺架試驗在開發過程中，為獲得更好的評定區分度，對發動機硬件和臺架試驗工況進行了優化[11-12]：

(1)專門為MS程序ⅣB試驗開發了閥系零部件，強化了氣門彈簧載荷，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；

(2)強化發動機竄氣工況，從而在發動機試驗過程中，機油的燃油稀釋率達到8%～16%，機油黏度下降40%～50%；

(3)試驗時間從100 h延長至200 h。

可見，ILSAC GF-6規格要求發動機油在摩擦副硬度減弱、摩擦強度增加、燃油稀釋、油膜變薄和竄氣加劇的苛刻條件下提供足夠的閥系磨損保護性能。

在評價指標上，MS程序ⅣB臺架試驗采用Keyence VR-3000 3D輪廓測量儀來測量挺柱磨損體積(如圖4所示)，且要求進氣門平均磨損不超過2.7 mm3；同時，檢測試驗結束后機油中的鐵元素含量，且要求舊油中的鐵元素含量不大于400 mg/kg，以更加全面地評價發動機油的閥系磨損保護性能。

圖4 MS程序ⅣB臺架試驗測試

3.5 低溫清凈分散性能

在低溫清凈分散性方面，ILSAC GF-6規格采用MS程序ⅤH試驗評定發動機油在發動機中形成低溫油泥和漆膜等沉積物的控制能力，以應對城市道路中開開停停的惡劣工況。MS程序ⅤH試驗采用福特2013款4.6 L V8汽油發動機，單頂置凸輪軸。試驗裝置如圖5。

圖5 MS程序ⅤH試驗裝置

試驗使用無鉛汽油為燃料，采用與MS程序ⅤG相似的循環工況，即在不同的轉速和機油溫度下運轉54個循環工況，每個循環工況4 h，每個循環周期包括3個不同的階段，試驗共運轉216 h。MS程序ⅤH的試驗條件如表7。

表7 MS程序ⅤH臺架試驗條件

從表3可以看出，ILSAC GF-6規格的MS程序ⅤH臺架試驗評價指標中的油泥和漆膜指標相比于ILSAC GF-5規格的MS程序ⅤG試驗的指標要求有所放寬，這是由于MS程序ⅤH的試驗工況更加苛刻，增加了曲軸箱竄氣、消除曲軸箱通風并增加燃油稀釋，因此不能簡單的從評價指標數值上認為ILSAC GF-6規格在低溫清凈分散性上比ILSAC GF-5規格的要求低。同時，在2021年第19版的API 1509文件中，API SN/SN-RC規格已經同時引入MS程序ⅤH和MS程序ⅤG臺架試驗，且規定這兩個臺架試驗可以同等替換，而API SN/SN-RC規格中的MS程序ⅤG的所有評價指標與ILSAC GF-5的一致，MS程序ⅤH的所有評價指標與ILSAC GF-6的一致，這也說明，在低溫清凈分散性方面，ILSAC GF-6規格要求并不比ILSAC GF-5規格的低。

3.6 燃油經濟性

在燃油經濟性方面，為了進一步提高發動機油的節能性能，ILSAC GF-6A規格要求采用MS程序ⅥE臺架試驗替代ILSAC GF-5規格中的MS程序ⅥD來評定發動機油的燃油經濟性。對于全新的ILSAC GF-6B規格，則開發了全新的MS程序ⅥF臺架試驗來評定發動機油的燃油經濟性，三者的對比如表8。

表8 燃油經濟性臺架評定試驗(SAE XW-20和SAE XW-16黏度等級)對比

表8(續)

從表8可以看出，燃油經濟性臺架試驗的工況條件變化不大，都是采用3.6 L排量、壓縮比相同的發動機。在具體試驗條件上，MS程序ⅥE/F與MS程序ⅥD臺架試驗相比，第一階段機油老化循環工況沒有變化，都是16 h，第二階段機油老化循環工況也一樣，但時間延長至109 h，因此，總的油品老化時間為125 h，相當于16.093 km后的燃油經濟性，并減少補油量，對發動機油的燃油經濟性保持能力提出了更高的要求。從燃油經濟性的指標對比可以看出：對于SAE XW-20黏度等級，總體FEI提升46.1%，FEI2提升50%。可見，ILSAC GF-6規格對發動機油的燃油經濟性要求更加嚴格。

3.7 低速早燃抑制

低速早燃現象(LSPI)是增壓直噴汽油機在低速大負荷工況區發生的一種偶發性、間歇性的非正常燃燒現象。發生LSPI時，氣缸內壓力劇增，破壞性要遠強于常規爆震，通常伴隨極高的爆發壓力和強力的爆發震蕩，可能會造成火花塞點火前提前燃燒、敲缸、火花塞燒蝕、氣門擊穿和活塞頂面斷裂(如圖6所示)等現象，對發動機結構和運動部件造成嚴重損壞[13-14]。

圖6 LSPI造成發動機嚴重損壞現象

LSPI現象發生除了與發動機本身的硬件設計有關外，還與燃油質量、燃燒室積炭、缸內熱點分布以及發動機油組成和灰分含量有關。目前無法徹底避免LSPI現象，但通過機油的配方改進可以在一定程度上抑制直噴增壓發動機的低速早燃問題。據研究，發動機油添加劑中鈣元素的含量越高，LSPI傾向性越嚴重，即清凈劑復配時應考慮降低鈣元素含量，通常認為1400 mg/kg是分界點。而鈣鹽是發動機油清凈劑中不可或缺的成分，鈣元素降低的同時會帶來高溫清凈性能的受損，因此需進行清凈劑的替代，通常情況下考慮使用鈣鎂復配類型清凈劑進行配方開發。此外，鉬元素的增加對LSPI發生有抑制作用[10]。

ILSAC GF-6規格采用MS程序Ⅸ臺架試驗評價發動機油的低速早燃抑制能力。該試驗采用福特2012款2.0 L Ecoboost發動機，測試由4個重復周期組成。每次重復周期為175000個點火循環，取前170000個有效循環用于評估早燃事件的數量。每個重復周期包含2個低速高負荷工況，即一個為1500 r/min轉速工況，一個為1750 r/min轉速工況，每次重復周期為4 h，總試驗時間為16 h。ILSAC GF-6規格要求發動機油在程序Ⅸ臺架試驗中4個循環平均發生次數小于5次，每個循環發生次數小于8次。

3.8 正時鏈條磨損保護

針對渦輪增壓直噴(GTDI)汽油機在實際使用中出現的正時鏈條磨損問題，ILSAC GF-6規格采用MS程序Ⅹ臺架試驗評定發動機油的正時鏈條磨損保護性能。該試驗采用福特2.0 L EcoBoost發動機，試驗發動機活塞環與氣缸之間的間隙被增大，以提高竄氣流速，曲軸箱的通風也作了調整，以加劇正時鏈條磨損。測試工況主要集中于中低轉速及負荷，測試時長為216 h，包括54個4 h循環，每個循環由2個階段組成，它們包括了一系列低溫/中溫、輕負荷/中等負荷的混合工況條件，主要是為發動機運轉過程中正時鏈條磨損帶來的正時不準而設置[15]。試驗條件如表9所示。

表9 MS程序Ⅹ試驗條件

ILSAC GF-6規格要求發動機油在試驗結束后，測試發動機正時鏈條增長不大于0.085%。可以有效控制正時鏈條增長，進而保護發動機。

4 結束語

(1)與ILSAC GF-5規格相比，ILSAC GF-6規格在高溫氧化性能、低溫油泥分散性能、閥系磨損保護性能、尾氣后處理系統耐久性以及燃油經濟性等方面都提出了更高的要求，同時，特別針對新一代的直噴渦輪增壓汽油機增加了低速早燃抑制性能及正時鏈條磨損保護的性能要求，能夠滿足最新一代乘用車發動機的潤滑需求。

(2)ILSAC GF-6規格具有更高的燃油經濟性、高溫抗氧化和閥系磨損保護性能，以及出色的低速早燃抑制和正時鏈條磨損保護性能，對基礎油和添加劑提出了更高要求，能夠進一步促進基礎油、發動機油添加劑和油品配方技術的發展。

(3)符合ILSAC GF-6規格的發動機油可以滿足國六排放標準乘用車的潤滑需求，在我國國六排放標準全面實施之際，研發和生產滿足ILSAC GF-6規格的油品，不僅可以為新一代乘用車發動機提供全面的潤滑保護，而且可以幫助汽車OEM通過更為苛刻的燃油經濟性指標，為提高能源效率、減少碳排放做出重要貢獻。