超低黏度汽油发动机油规格JASO GLV-1浅析

石顺友，王明明

(1.中国石化润滑油有限公司华南分公司，广东 广州 510620；2.华航环境发展有限公司，北京 100071)

0 引言

为防止全球变暖和减少能源消耗，各大汽车原始设备制造商(OEM)不断利用各种先进技术对发动机进行改进，以减少排放，提高燃油经济性，而采用低黏度的发动机油是提高汽车燃油经济性的有效手段之一[1-3]。

作为汽车工业强国，日本十分重视国际汽车标准和各国汽车标准的研究，并不断建立自己的标准。从1980年起，日本汽车行业就与油品行业紧密合作，开始不断地建立和发展其润滑油标准，并不断开发具有自己特色的油品台架评定试验方法，如2000年10月日本颁布了重负荷柴油发动机油标准JASO DH-1，并发展到DH-2以及DH-2F规格，且于2017年开发了世界上第一个重负荷柴油机油燃油经济性台架评定试验方法JASO M362：2017，为日本汽车工业的持续良好发展奠定了坚实基础[4-5]。

对于汽油发动机油标准，日本汽车OEM当前采用国际润滑油标准咨询委员会(ILSAC)和美国石油学会(API)标准作为汽车汽油发动机润滑油的全球标准。但是，通过日本汽车OEM的努力，成功开发了SAE 0W-12和SAE 0W-8超低黏度发动机油燃油经济性的评定试验方法，并进行了标准化，使日本处于行业领先地位，对其整个汽车工业的发展起到了积极的促进作用。

1 JASO GLV-1的建立背景和开发历程

1.1 建立背景

在JASO GLV-1规格制定之前，日本汽车OEM采用ILSAC和API标准作为其汽车汽油发动机润滑油的全球标准。尽管ILSAC GF-6B性能标准适用于现有的SAE 0W-16低黏度油品[6]，但是，这些标准中的燃油经济性评定方法使用的是美国汽车公司的发动机，无法评定SAE J300发动机油黏度分类标准[7](见图1)中的超低黏度发动机油，例如SAE 0W-12和0W-8。因此无法建立SAE 0W-12和0W-8超低黏度油品的质量标准。

图1 SAE J300发动机油黏度分类

另一方面，为提高燃油经济性，日本汽车OEM一直积极开展低黏度发动机油的开发，并采用低黏度发动机油作为汽车的装填和售后服务用油，而发动机油在汽车的维保过程中是要求进行定期更换的，故需要相应的质量标准来保证售后市场中的油品质量，以确保终端用户的用油安全，因此，市场对低黏度油品的标准化有着强烈的需求[8]。

基于以上原因，日本汽车制造商协会(JAMA)和日本石油协会(PAJ)成立了JASO下一代发动机油工作组(Next Generation Engine Oil Task Force，简称TF)，负责研究适用于SAE 0W-12和0W-8超低黏度发动机油燃料经济性的评定方法，并着手制定相应的标准。

1.2 开发历程

2017年4月，由PAJ和JAMA成立的JASO下一代汽油发动机机油开发工作组(TF)，开始开发适用于超低黏度汽油发动机油(SAE 0W-12和SAE 0W-8)的燃油经济性评定方法，并进行循环测试，且于2019年3月完成了采用丰田Toyota 2ZR-FXE发动机的点燃法燃油经济性评定方法(JASO M366：2019，Firing Fuel Economy Test Procedure)和采用日产MR20DD发动机的扭矩法燃油经济性评定方法(JASO M365：2019，Motored Fuel Economy Test Procedure)。同时，TF还调制了超低黏度发动机油(SAE 0W-12和SAE 0W-8)的油样，在ILSAC GF-5/GF-6以及API SN的相关模拟评定和发动机台架上进行了高温氧化、低温油泥等性能测试，以确认其性能优于ILSAC GF-5/API SN级油品。通过测试后，制定了SAE 0W-12和SAE 0W-8超低黏度汽油发动机油质量规格(JASO M364：2019，Automotive Gasoline Engine Oil Standard)，并成立了专门的机构(见图2)以确保标准的有效执行。JASO M364：2019规格于2019年4月生效，并于2019年10月引入了市场[8-9]。

图2 JASO发动机油标准执行组织

2 JASO GLV-1的技术要求

超低黏度汽油发动机油JASO GLV-1规格(JASO M364：2019)的理化性能要求和台架试验要求[8]分别见表1与表2。

表1 JASO GLV-1的理化性能要求

表1(续)

表2 JASO GLV-1的台架试验要求

3 JASO GLV-1的性能特点

3.1 燃油经济性[10-11]

通过发动机点燃法燃油经济性试验或扭矩法燃油经济性试验评定超低黏度汽油发动机油JASO GLV-1的燃油经济性。试验中使用的基准油、冲洗油、参比油和示范油的属性见表3，参比油和示范油的理化指标见表4，其中JASO BC基准油为不含黏度指数改进剂和减摩剂的合成油。

表3 基准油、冲洗油、参比油和示范油属性

表4 参比油和示范油理化指标

3.1.1 点燃法燃油经济性试验(JASO M366)

点燃法燃油经济性试验使用符合JIS K2202质量要求的2号常规市售汽油，试验发动机采用Toyota 2ZR-FXE，新发动机或更换了零部件的发动机要按规定程序先磨合50 h。发动机技术参数见表5，试验条件见表6。

表5 Toyota 2ZR-FXE发动机技术参数

表5(续)

表6 点燃法燃油经济性试验条件

点燃法燃油经济性试验按规定程序测定JASO BC基准油和试验油的有关数据，然后计算出燃油经济性改善率，试验程序见图3。示范油和参比油的试验结果见图4，试验结果为4个不同实验室进行每个油品8～12个平行试验的平均值。

图3 发动机点燃法燃油经济性试验程序

图4 发动机点燃法燃油经济性试验

从参比油和示范油的试验结果可以看出，采用有机型减摩剂的节能型油品GE216，相比于基准油JASO BC的燃油提高率为0.6%；GE208与GE216相比只是黏度等级的不同，是一款0W-8的油品，相比于基准油JASO BC的燃油提高率为1.0%左右，试验显示降低油品黏度可以提高燃油经济性。此外，GE308是使用了钼型摩擦改进剂配方体系的油品，试验结果显示比GE208油品具有更好的燃油经济性。试验结果也说明，0W-8超低黏度油品具有出色的燃油经济性特性。

JASO GLV-1规格中，油品燃油经济性提高率要求不低于1.1%。

3.1.2 扭矩法燃油经济性试验(JASO M365)

扭矩法燃油经济性台架试验采用日产的MR20DD发动机，新发动机或更换了零部件的发动机要按规定程序先磨合100 h，发动机技术参数见表7，试验条件见表8。

表7 MR20DD发动机技术参数

表8 扭矩法燃油经济性试验条件

表8(续)

按规定程序测量JASO BC基准油和试验油的有关数据计算出扭矩下降率和实际车辆针对日本国内模式的低、中、高燃油经济性改善率。扭矩法燃油经济性试验流程见图5。

图5 扭矩法燃油经济性试验程序

参比油和示范油相比于基准油JASO BC的测试结果见图6，试验结果为每个油品在6个不同的实验室中进行8～15个平行试验的平均值。

图6 参比油和示范油的试验结果

从图6中的试验结果可以看出，不同的油品类型和油品黏度均表现出不同燃油经济性。通过将GE108A和GE116与GE208和GE216进行比较，可以确定SAE 0W-8油比SAE 0W-16油具有更好的燃油经济性。采用高钼含量摩擦改进剂调制的GE308和GE408油品，与节能油品GE216相比，可以显著提高燃油经济性，说明钼型摩擦改进剂可以有效提高油品的燃油经济性。将SAE 0W-8和SAE 0W-16与基准油JASO BC进行比较，黏度较低的SAE 0W-8表现出较好的燃油经济性。同黏度等级油品比较可以看出，添加高浓度钼元素添加剂的GE108A和GE116分别比GE208和GE216具有更好的燃油经济性。考虑到实验室之间的数据差异，JASO GLV-1规格中，通过扭矩法评定油品燃油经济性时，对于SAE 0W-8油品要求节能率不低于2.0%，对于SAE 0W-12油品要求节能率不低于1.7%。

3.2 发动机的可靠性

使用超低黏度发动机油可以提高整车的燃油经济性，然而，过低的黏度会使油膜厚度和强度不足而导致发动机零件磨损增多，影响发动机的使用寿命[12]。因此，对于超低黏度SAE 0W-8和SAE 0W-12的发动机油而言，如何确保发动机的可靠性和耐久性非常关键。因此，JASO GLV-1规格对油品的性能进行了严格要求，以保障发动机在使用超低黏度发动机油时的可靠性和耐久性。

3.2.1 抗磨性能

有效的抗磨保护是超低黏度发动机油主要面临的挑战。为考察汽车发动机在怠速工况下，发动机油防止发动机阀系部件尤其是凸轮的磨损，通过MS程序ⅣA试验或MS程序ⅣB试验来评价油品的抗磨性能。

(1)MS程序ⅣA试验

MS程序ⅣA试验采用日产KA24E型2.4 L排量直列4缸汽油机，使用无铅汽油，发动机转速在800～1500 r/min，机油温度在49～59 ℃，运转100个循环工况，每个工况1 h，试验总运转100 h[13]。试验装置见图7。

图7 MS程序ⅣA试验装置

试验结束后，拆卸发动机，取出凸轮轴，在每个凸轮的7个不同位置测量磨损值，然后取平均值作为试验结果。同时在试验进行的第25 h、50 h、75 h、100 h采集发动机中的机油油样，测试所采油样的40 ℃运动黏度、燃油稀释和油样中的磨损元素(铁和铜)含量，以监测发动机有无异常磨损。油品通过指标为平均凸轮磨损(每个凸轮7个测量点平均值)不大于90 μm，与GF-5/SN规格要求一致。

(2)MS程序ⅣB试验

MS程序ⅣB试验是全新开发的发动机测试台架，采用的是2010 Toyota 2NRFE水冷、四冲程、直列、1.5 L排量的发动机，试验装置见图8[8]，试验条件见表9。

图8 MS程序ⅣB试验装置

表9 MS程序ⅣB试验条件

试验结束后通过3D拍照的方法测量气门挺杆磨损，同时测试试验完成后油样中的磨损元素铁含量。油品通过指标为进气门平均磨损不超过2.7 mm3，铁含量不超过400 μg/g，与GF-6B规格要求一致。

3.2.2 高温抗氧化

超低黏度汽油发动机油的抗高温氧化、增稠、油泥以及漆膜沉积和抗磨损能力通过MS程序ⅢH台架试验评定。试验采用克莱斯勒公司生产的2014年度型PentaStar 3.6 L排量Ⅴ型6缸汽油机，试验条件见表10[14]。

表10 MS程序ⅢH试验条件

发动机在3900 r/min转速和机油温度150 ℃的工况下运转90 h，每20 h停机检查机油液位并采集油样，分析每个油样的40 ℃的运动黏度并计算黏度增长率。试验结束后，拆解发动机，对活塞沉积物进行评分。通过指标为40 ℃的运动黏度增加率不大于150%，且活塞沉积物等级WPD为3.7以上，与GF-6B规格要求一致。

3.2.3 低温油泥控制

通过MS程序ⅤH试验评定超低黏度发动机油在发动机中形成低温油泥和漆膜等沉积物的控制能力，以应对城市道路中开开停停的恶劣工况。MS程序ⅤH试验采用福特4.6 L排量Ⅴ型8缸汽油发动机，试验装置见图9。

图9 MS程序ⅤH试验装置

试验使用无铅汽油为燃料，在不同的转速和机油温度下运转54个循环工况。每个循环工况4 h，每个循环周期包括3个不同的阶段，试验共运转216 h。MS程序ⅤH试验条件见表11[15]。

表11 MS程序ⅤH台架试验条件

试验结束后，通过拆解发动机，对油底壳和摇臂罩等部件进行油泥评分、对发动机和活塞裙部进行漆膜评分、并对机油滤网和活塞油环堵塞以及机油滤网残渣和冷、热黏环进行评价。油品的通过标准为发动机油油泥平均评分不小于7.6，摇臂罩油泥平均评分不小于7.7，发动机漆膜平均评分不小于8.6，活塞裙部平均评分不小于7.6，压缩环无热黏环，与GF-6B规格要求一致。

3.2.4 磷保持性

鉴于发动机的磨损保护问题，JASO GLV-1油品规定磷元素的含量为0.06%～0.08%，但发动机油中磷元素的蒸发可能会对尾气处理系统中的催化剂产生不利影响，故同时对磷的保持性提出了测试要求，以减少离开发动机进入尾气后处理系统中的磷含量。JASO GLV-1油品磷的保持性评定通过MS程序ⅢHB台架试验来确定。通过ICP对MS程序ⅢHB试验结束后的废油中的磷含量进行测定，并由以下公式计算出磷的保持性：

Pret%=[w(Mi)/w(MEOT)]×[w(PEOT)/w(Pi)]

JASO GLV-1规格要求油品在程序ⅢHB试验结束后，废油中的磷含量不低于新油磷含量的81%。

3.2.5 老化油的低温黏度

低温泵送性差将导致润滑油难以被送到各润滑部位,从而造成零部件磨损，故发动机油的低温流动性能是评价发动机油使用性能的重要指标。针对日益苛刻的发动机工况，为避免出现在用发动机油泵送失败的现象，通过ROBO试验或MS程序ⅢHA试验评定老化油的低温黏度。油品的低温泵送性能要求为ROBO试验或MS程序ⅢHA试验结束后旧油的低温泵送黏度不大于60000 mPa·s。

3.2.6 正时链条磨损保护

燃烧产生的污染物进入润滑系统中，尤其是在直喷发动机中，润滑油从油底壳泵送到正时链条时可能会产生沉积并引起正时链条的磨损[3]。为考察直喷汽油发动机的燃烧烟炱进入发动机油后，对正时链条磨损的影响，JASO GLV-1标准要求油品通过MS程序X台架试验。该试验采用福特2.0T EcoBoost四缸涡轮增压直喷汽油发动机，试验装置见图10，试验条件见表12[16]。

图10 MS程序X试验装置

表12 MS程序X试验条件

MS程序X试验总运行216 h，54个循环，每个循环4 h，包括两个阶段：①阶段1：过浓燃烧，冷却液低温，PCV(曲轴箱强制通风装置)低温；②阶段2：均质燃烧，冷却液正常温度，PCV正常温度。试验结束后，正时链条伸长量要求小于0.085%，与GF-6B规格要求一致。

3.2.7 蒸发损失

蒸发损失是反映发动机油质量的一项重要指标,直接影响发动机油的性能和使用寿命。一般情况下，使用超低黏度发动机油主要有发动机磨损加剧和机油油耗增加两个方面的风险，且机油油耗增加是因更大的油品蒸发导致[17]。因此，JASO GLV-1规格对油品的蒸发损失进行了严格要求，要求油品的蒸发损失不大于15.0%(NOACK法)。

3.2.8 橡胶相容性

橡胶相容性是发动机油的重要性能之一，在发动机运转过程中，发动机油会与橡胶密封件发生接触，两者的长时间接触可能会导致橡胶件的性能下降乃至失效；也会导致发动机油的颜色变深和性能下降。满足JASO GLV-1规格的油品要求通过ASTM D7216 A2橡胶相容性试验，通过指标与ILSAC GF-5/SN一致。

4 结束语

(1)JASO GLV-1规格是针对SAE 0W-8和SAE 0W-12超低黏度汽油机油的规格，其燃油经济性评定采用日本OEM开发的台架试验，而发动机耐久性评定则采用了美国MS程序系列台架试验，试验通过标准部分是ILSAC GF-5的指标，部分为ILSAC GF-6的指标，其他一些理化性能要求与ILSAC GF-5相同。

(2)低黏化是发动机油发展的趋势，JASO GLV-1规格将超低黏度发动机油的性能进行了标准化，保证了低黏度发动机油的质量以确保终端客户的用油安全，适应了行业的发展趋势，并使日本处于行业的领先地位。满足JASO GLV-1规格的油品具有优异的综合产品性能，在为发动机提供优异燃油经济性的同时可为发动机提供良好的可靠性和耐久性保护。

(3)汽车产业是我国国民经济的重要支柱产业，已由高速增长转向高质量发展阶段，然而作为有汽车“血液”之称的发动机油，其质量规格还始终处于滞后并同等采用API规格的状态，至今仍未建立我国自主的发动机油规格。日本汽车发动机油规格的建立是润滑油规格自主化的成功典范，我们可以借鉴日本的成功经验，除需国家的支持外，国内各相关行业应通力协作，尽快建立我国汽车发动机油的自主规格，以进一步促进我国汽车工业的良好发展。