韋夏 周朝軍 鐘濤 趙艷紅
上汽通用五菱技術中心
隨著車輛的排放要求愈加嚴格，燃油消耗法規不斷加嚴，乘用車向著降低污染物排放、提高燃油經濟性的路線發展。發動機將采用小型化、輕量化設計[1，2]。而發動機技術的發展對潤滑油的各項性能提出了更高要求。具體體現在以下方面：
◇渦輪增壓直噴發動機在低轉速和高負載的情況下容易發生低速早 燃 (Low-speed pre-ignition，LSPI)，因此對潤滑油改善低速早燃提出了要求；
◇小型發動機技術帶來新的鏈條耐久和氣門閥系磨損問題，要求潤滑產品提供更強的磨損保護性能；
◇更低的油耗限值，要求潤滑產品提升燃油經濟性；
◇為了更好兼容后處理系統中裝配的汽油機顆粒捕捉器(Gasoline Particulate Filter，GPF)，要求潤滑油中的灰分更低，以免堵塞捕集器通道。
為了適應新的發動機硬件技術和節能排放法規的要求，發動機油的性能和規格也在不斷升級。
美國石油學會(American Petroleum Institute, API) 于 2020 年5月1日發布最新規格SP/GF-6，該規格更加注重低速早燃現象的控制、對正時鏈條的磨損保護，并且在抗氧化性能、分散性能和燃油經濟性能方面相比SN/GF-5規格要求更為嚴格，要求提升燃油效率的同時加強對發動機的全方位保護[3，4]。SP/GF-6規格與SN/GF-5規格相比的主要差異見表1。
表1 SP/GF-6發動機油規格與SN/GF-5發動機油規格差異
為滿足國VI排放背景下的乘用車市場需求，配套油品關注綜合使用性能的同時，要求具有較低的硫磷元素和硫酸鹽灰分。此前五菱發動機油品以SN/GF-5 5W-30為主，為進一步提高綜合使用性能并滿足國VI排放法規要求，本文采用體系內供應商的一款低硫磷低硫酸鹽灰分SP/GF-6A 5W-30發動機油在五菱發動機及汽車上分別開展了發動機耐久試驗和行車試驗，通過定期取樣，分析油品質量變化情況，以考察油品的實際使用性能。
為了考察SP/GF-6A 5W-30發動機油的實際使用性能，采用試驗油品在五菱N15T發動機開展了發動機耐久試驗，并在2輛裝配有五菱N15系列發動機的國VI車輛進行了行車試驗。試驗結果表明，所應用SP/GF-6A 5W-30發動機油綜合性能表現優異，具有良好的抗氧化性能、清凈性能、抗磨損性能，能夠滿足五菱N15系列發動機的使用要求。
試驗油品
試驗油品采用SP/GF-6A 5W-30發動機油，其主要理化指標見表2。
表2 試驗油品典型數據
由表2可見，試驗油品SP/GF-6A 5W-30具有良好的低溫性能和較低的硫酸鹽灰分水平。
發動機耐久性試驗
該試驗規范由通用汽車（GM）內燃機測試統一委員會和內燃機集團創建和認可，主要用來測試發動機基本結構的耐久特性。
試驗發動機
試驗發動機為五菱N15T發動機，總計測試2輪發動機耐久性測試。試驗燃油為市售92號燃油。
試驗工況
第一輪發動機進行650 h GED耐久試驗，第二輪發動機進行800 h發動機耐久性試驗。發動機耐久一個循環包含以下幾個工況：怠速、最小速度、油門全開加速循環，一個循環的時間正好為1 h，根據匹配不同車型選擇總試驗循環數。在整個試驗過程中油底殼內機油溫度控制在整車最大溫度- 17 ℃± 6 ℃ 。如果使用了機油冷卻器，那么機油溫度控制器的控制點應該選在機油入口/油道位置。
取樣及試驗周期
根據發動機測試程序情況，每100循環后更換油品，每次換油需使用測試油清洗發動機，同時取舊油200 mL進行油品分析。其間，對工況、燃油、機油的各種狀況進行記錄。
行車試驗
試驗車輛
試驗車輛為2輛五菱汽車，分別裝配N15A自然吸氣發動機（編號為1號車）發動機參數見表3，N15T渦輪增壓發動機（編號為2號車），發動機參數見表4。1號車試驗前已累計行駛約10 000 km，2號車試驗前已累計行駛約24 000 km。按照車輛常規保養周期，均已進行過2～3次保養。
表3 五菱N15A發動機參數
表4 五菱N15T發動機參數
試驗工況
測試目標為進行12 000 km行車試驗。1號車為針對動力總成開展的動力總成可靠性試驗并搭載發動機油測試，2號車為專項常規可靠性試驗。動力總成可靠性試驗是在試驗道路上進行的，通過駕駛工況強化，且具有一定的加速系數，驗證汽車動力總成可靠性的試驗，包含壞路、城市路、直線路、高速路、長途行駛、砂子路、破道路等不同的試驗路況。常規可靠性試驗為模擬整車行駛的全部工況進行道路試驗，包含壞路、方坑、高速、制動、涉水、長途、城市、蛇行、ABS等等行駛工況，對整車可靠性進行驗證的試驗規范。
試驗準備、取樣和補油
按行車試驗規范要求對發動機進行清洗和裝填、取樣和補油。
試驗前，使用試驗發動機油對每臺試驗車輛進行沖洗，每次沖洗更換發動機油、機油濾清器。沖洗流程為：首先將發動機油從排油口排出，并移除機油濾清器，持續放油30 min；
第二步安裝新的機油濾清器；
第三步加注新的發動機油至刻度線；
第四步啟動發動機，怠速5 min；
停止發動機，靜置不少于10 min直至發動機中的機油流入油底殼，取下機油尺，確認機油液位位于刻度線H，如未到，補加機油至刻度線H，記錄油位和里程表距離。
取樣前，將試驗車移至水平處，怠速運轉5 min；
停止發動機，靜置不少于10 min直至發動機中的機油流入油底殼，檢查機油尺液位；
一次性抽取200 mL試樣油樣（盡量從液位中部位置?。?，裝入指定容器并做好標記。檢查機油尺液位并記錄，當液位低于刻度線L時，補加機油至刻度線H，并記錄補加機油數量。
依次按照規定要求在更換新油后到達行駛里程5 000 km、9 000 km、12 000 km時，取舊油進行油品分析。
換油指標
國標GB/T 8028—2010《汽油機油換油指標》相關要求在乘用車行業具有豐富的應用經驗，在不同質量級別汽油機油產品測試過程中體現出良好的指導意義，參照該標準，并結合國五、國六發動機油研發經驗及前期行車試驗經驗制定了換油指標，具體見表5。
表5 行車試驗換油指標
耐久試驗
根據通用汽車《全球發動機耐久性試驗》，發動機維護間隔為100 h，需要更換機油、更換機油濾清器等零件，并對機油取樣分析。油取樣分析結果的極限參考國標GB/T 8028—2010《汽油機油換油指標》相關要求。
運動黏度
發動機油運動黏度變化是反映油品油膜強度、氧化衰變程度的重要指標之一，反映了油品氧化程度、添加劑消耗等情況。
試驗油品100 ℃運動黏度變化率隨試驗時間的變化見圖1。
圖1 試驗油品運動黏度變化率隨試驗時間的變化
從圖1中可以看出，隨著耐久試驗進行，運動黏度變化率有上升的趨勢。這是因為油品老化導致相應的氧化產物增加，致使試驗油品黏度升高。在試驗周期內，運動黏度變化率均在換油指標要求的范圍內。綜合油品酸值和堿值情況判斷，油品抗氧化性能和清凈性能良好，個別時間點黏度指標卡邊不影響油品正常使用。
燃油稀釋
發動機運轉過程中，會有部分燃料竄入機油油底殼，污染發動機油，造成油品黏度降低，劣化加劇。一般來說，直噴發動機相較于非直噴發動機會造成更多的燃油稀釋。試驗油品的汽油含量隨試驗時間的變化見圖2。
圖2 試驗油品汽油含量隨試驗時間的變化
從圖2中可以看出，試驗油品燃油稀釋水平較低，遠小于5%的換油指標限值，表明活塞缸壁密封性、發動機運行狀態良好。
閃點
閃點可以一定程度衡量油品燃油稀釋水平。潤滑油品中混入燃油會導致閃點下降，影響油品的潤滑性能。試驗油品閃點隨試驗時間的變化見圖3。
圖3 試驗油品閃點隨試驗時間的變化
從圖3中可以看出，試驗油品閃點呈上升趨勢，表明無明顯燃油稀釋；
所有油樣閉口閃點均滿足換油指標中大于100 ℃的要求，符合使用安全性需求。
堿值與酸值差值
堿值與酸值的差值變化反映了油品氧化衰變和油品中清凈劑的消耗情況，用以衡量油品抗氧化性能和酸中和能力。試驗油品的堿值與酸值差值隨試驗時間的變化見圖4。
圖4 試驗油品堿值與酸值差值隨試驗時間的變化
從圖4中可以看出，整個試驗過程中堿值和酸值的差值均保持在換油指標0.5 mg KOH/g以上。隨著耐久試驗進行，堿值與酸值的差值有所降低，但在耐久試驗結束時仍有余量，說明油品有較好的抗氧化性能和堿值保持性能。
氧化值和硝化值
發動機油在發動機運轉過程中，在一定條件下發生氧化，會形成氧化物、硝化物等酸性物質，嚴重時會腐蝕發動機部件，影響油品使用性能。由于氧化反應生成的含有羰基類的氧化產物在紅外光譜1 720 cm-1處的吸收值稱為氧化值，由于燃燒竄氣形成的硝酸酯類的硝化物在紅外光譜1 630 cm-1處的吸收峰稱為硝化值。通過氧化值和硝化值來考察發動機油的氧化程度。試驗油品氧化值和硝化值隨試驗時間的變化見圖5。
從圖5中可以看出，試驗油品的氧化值和硝化值隨著試驗進行有所增加，結合在國五和國六發動機測試研究中積累的經驗，機油氧化值硝化值數值均在0.3 A/0.1 mm以內，表明油品具有較好的抗氧化性能[5，6]。可綜合其他氧化性能指標如正戊烷不溶物等作進一步評價。
正戊烷不溶物
正戊烷不溶物反映油品使用過程中產生的油不溶物或不溶膠質的水平，在用油正戊烷不溶物的增加，將造成油品黏度增大，流動性變差，而油品中的不溶物聚集成團也容易堵塞油路，造成潤滑不良等嚴重后果。試驗油品正戊烷不溶物質量分數隨試驗時間的變化見圖6。
圖5 氧化值和硝化值數據隨試驗時間的變化
從圖6中可以看出，試驗油品的正戊烷不溶物質量分數均不大于0.2%，遠低于1.5%的換油指標，說明試驗油品有優異的清凈分散性和氧化安定性。
水分含量
發動機油中的水主要來源于燃燒產物生產的水汽、缸套老化滲透等。發動機油中水分過多會破壞油膜形成，引起機油乳化，嚴重時造成發動機銹蝕磨損。試驗油品水分含量均在0.03%以下，遠低于0.2%的換油指標，表明設備狀態良好，試驗油品可以為發動機提供有效的潤滑保護。
磨損金屬元素含量
鐵、銅、鋁等金屬元素的含量變化，代表發動機在行車試驗過程中不同摩擦副的磨損情況，是評價發動機內磨損狀態的簡潔有效的方式。耐久試驗中鐵元素、銅元素和鋁元素含量變化情況見圖7、圖8。
圖6 正戊烷不溶物質量分數隨試驗時間的變化
圖7 磨損金屬元素含量隨試驗時間的變化（第一輪耐久試驗）
從圖7、圖8中可以看出，磨損元素鐵、銅（增加值）、鋁也都在較低的水平，低于換油指標，說明發動機并未出現異常磨損，油品能夠給發動機提供持久可靠的保護。
行車試驗
運動黏度
行車試驗100 ℃運動黏度變化率趨勢見圖9。
圖8 磨損金屬元素含量隨試驗時間的變化（第二輪耐久試驗）
圖9 試驗油品運動黏度變化率隨行駛里程的變化趨勢
在全程12 000 km的行車試驗中，100 ℃運動黏度變化率均在換油指標的限值區間內，滿足使用要求。
燃油稀釋
試驗油品汽油含量隨行駛里程的變化趨勢見圖10。
圖10 試驗油品汽油含量隨行駛里程的變化趨勢
從圖10中可以看出，1號車燃油稀釋水平略高于2號車，主要是因為1號車采用了增壓直噴發動機技術。從整體來看，行車試驗過程中試驗油品的汽油含量均小于換油指標的要求，即未發生異常明顯的燃油稀釋現象。
閃點
行車試驗中，所有油樣閉口閃點均大于116 ℃，滿足換油指標要求，符合使用安全性需求。
堿值與酸值差值
試驗油品的堿值與酸值差值隨行駛里程的變化趨勢見圖11。
圖11 試驗油品堿值與酸值差值隨行駛里程的變化趨勢
從圖11中可以看出，隨著行駛里程增加，堿值與酸值差值減小，整個試驗過程中堿值和酸值的差值能夠大于0.5 mg KOH/g的換油指標，說明油品有比較好的抗氧化性能和堿值儲備，能夠滿足當前車輛在測試周期內的使用需求。
氧化值和硝化值
行車試驗中試驗油品氧化值和硝化值變化趨勢見圖12。
圖12 試驗油品氧化值和硝化值隨行駛里程的變化趨勢
從圖12中可以看出，隨著行駛里程增加，試驗油品的氧化值和硝化值呈現上升趨勢，數值均在0.3 A/0.1mm以內，說明油品具有較好的抗氧化性能。
正戊烷不溶物
正戊烷不溶物含量隨行駛里程的變化趨勢見圖13。
圖13 正戊烷不溶物質量分數隨行駛里程的變化趨勢
從圖13中可以看出，試驗油品的正戊烷不溶物質量分數均遠低于換油指標的要求，表明油品有較好的清凈分散性和氧化安定性。
水分含量
在行車試驗過程中，試驗油品的水分含量均為痕跡水平，表明試驗油品沒有受到乳化等影響，能夠為發動機提供有效的潤滑保護。
磨損金屬元素含量
行車試驗中，鐵、銅（增加值）、鋁含量隨行駛里程的變化趨勢見圖14～圖16。
圖14 鐵含量隨行駛里程的變化趨勢
圖15 銅含量（增加值）隨行駛里程的變化趨勢
圖16 鋁元素含量隨行駛里程的變化趨勢
從圖14～圖16可以看出，磨損元素鐵、銅、鋁都在極低的水平，說明發動機并未出現異常磨損，試驗油品具有較好的磨損防護性能。
采用SP/GF-6A 5W-30發動機油通過了五菱N15T發動機兩輪GED耐久測試，且通過了N15A和N15T兩款發動機不同工況的道路測試，油品綜合性能保持出色，全程運行順利無異常，滿足實際使用工況下的使用要求，并在抗氧化、抗磨損方面具有出色表現。在國VI發動機技術提升對油品抗氧化和抗磨損提出更苛刻挑戰的情況下，SP/GF-6A 5W-30發動機油仍然在抗氧化和抗磨損性能方面表現出了優異性能，能夠滿足五菱現有主流國VI發動機平臺的使用需求。
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