北美汽油发动机油规格ILSAC GF-6与ILSAC GF-5对比分析

石顺友，潘正华，赵艳丽，石婷

(中国石化润滑油有限公司华南分公司，广东 广州 510620)

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭和环境问题的日益突出[1]，绿色节能已经成为全球汽车行业的发展趋势。面对全球性的资源短缺和气候变暖，欧美日等汽车工业发达国家都采取积极措施推动和促进本国汽车节能技术发展，降低汽车尾气排放和提升汽车燃油经济性水平，以巩固和提高本国汽车工业的未来国际竞争力。我国也制定并实施了史上最严的《第六阶段机动车污染物排放标准》(简称“国六排放标准”)和《乘用车燃料消耗量限值》标准，并明确到2025年，我国乘用车新车平均燃料消耗量达到4.0 L/100 km的目标。为应对日益严苛的节能和环保法规要求，各大汽车OEM(原始设备制造商)采用缸内直喷、涡轮增压、可变气门正时、降低摩擦等新技术对汽车发动机进行革新，以提高其燃油经济性，降低尾气排放。发动机新技术在提升发动机性能的同时也对发动机润滑油提出了更高的性能要求，进而促进了发动机油规格的不断升级[2-4]。

ILSAC发动机油规格体系是当前全球四大具有权威性的发动机油规格体系之一[5]。ILSAC自成立以来，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)等汽油发动机油规格。为应对日益严苛的节能和环保法规要求以及缸内直喷和涡轮增压器等新发动机技术的广泛应用带来的低速早燃和正时链条磨损等问题，ILSAC于2020年推出了性能更高的全新一代ILSAC GF-6汽油发动机油规格。

本文主要对ILSAC GF-6汽油机油规格进行介绍，并就ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格进行对比研究分析。

1 ILSAC GF-6规格介绍

ILSAC GF-6规格最早于2012年提出，因开发难度太大而被数次延迟，经过汽车0EM、添加剂和润滑油等各行业共同努力，历时8年开发，最终于2019年，API润滑油标准组以信函投票方式批准采用了ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B两个新规格，经过12个月过渡期后，ILSAC GF-6规格于2020年5月1日被正式允许使用。

为使OEM能够推出黏度等级低于SAE 0W-20的发动机油，ILSAC将ILSAC GF-6分为ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B两个单独的子类别。ILSAC GF-6A主要用于要求使用SAE XW-20和SAE XW-30传统黏度等级油品的乘用车发动机，可向下兼容GF-5等规格，即可用于要求使用ILSAC GF-5的或更早规格的车辆发动机。ILSAC GF-6B是全新的发动机油规格，只含一个SAE 0W-16黏度等级，且不可向下兼容，只能用于要求使用低黏度发动机油(SAE 0W-16)的新型乘用车发动机。因此，满足ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B规格的发放机油不能在车辆发动机上互换使用[6-7]。

由于在市场的实际应用中，发动机油的错误使用是OEM和润滑油供应商面临的一个重要问题，为了帮助终端用户避免混淆或误用，且清晰地区分ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B规格发动机油，API将符合ILSAC GF-6A规格的发动机油标以“星爆”认证标识(如图1)，而对符合ILSAC GF-6B规格的发动机油，API则引入了新的“盾牌”认证标识(如图2)。此外，汽车OEM和润滑油供应商也可以通过用户手册和经销商服务帮助终端用户区分ILSAC GF-6A或ILSAC GF-6B是否适用于特定车型，以防止ILSAC GF-6B规格的低黏度发动机油被用于不适用的发动机中[8]。

图1 ILSAC GF-6A的“星爆”认证标识

图2 ILSAC GF-6B的“盾牌”认证标识

与ILSAC GF-6A相比，ILSAC GF-6B具有更低的高温高剪切黏度和更好的燃油经济性，但二者的发动机台架试验测试(除燃油经济性外)的要求一致。ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B的主要区别如表1所示。

2 ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格技术要求[8-9]

ILSAC GF-6和ILSAC GF-5规格的理化性能技术要求和台架试验技术要求分别如表2和表3所示。

表2 ILSAC GF-6和ILSAC GF-5规格的理化性能技术要求

表2(续)

表3 ILSAC GF-6和ILSAC GF-5规格的台架试验技术要求

表3(续)

3 ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格对比分析

ILSAC GF-6分为ILSAC GF-6A和ILSAC GF-6B两个子规格，但只ILSAC GF-6A可向下兼容ILSAC GF-5等旧规格。ILSAC GF-6和ILSAC GF-5规格油品的性能对比如图3所示，发动机台架试验评价指标限值对比如表4所示。

表4 ILSAC GF-6与ILSAC GF-5发动机台架试验评价指标限值对比

图3 ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格油品的性能对比

从ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格的技术要求、性能对比图和台架指标限值对比可以看出，与ILSAC GF-5规格相比,ILSAC GF-6规格的技术要求更高，性能更全面，特别是在抗氧化、抗磨损、燃油经济性、低速早燃抑制和正时链条磨损保护等方面表现突出，能够为新一代乘用车发动机提供出色的耐久性保护。下面将从高温沉积物模拟试验以及高温抗氧化、阀系磨损保护、低温油泥、燃油经济性等台架试验方面，对ILSAC GF-6与ILSAC GF-5规格进行对比研究分析。

3.1 高温沉积物模拟试验

在高温沉积物模拟试验方面，ILSAC GF-6规格直接删除了ILSAC GF-5规格中TEOST MHT模拟试验，而保留了TEOST 33C模拟试验。删除TEOST MHT模拟试验原因，一方面是由于添加剂和润滑油公司认为TEOST MHT模拟试验与发动机台架试验的对应性较差，而汽车OEM未对此提出异议；另一方面是TEOST MHT模拟试验的再现性和重复性较差，增加了复合添加剂和油品的开发难度和成本。继续采用TEOST 33C模拟试验的原因是由于克莱斯勒汽车公司认为该模拟试验与涡轮增压器沉积物有一定的相关性，而坚持TEOST 33C ILSAC GF-6规格继续进行该项模拟试验，指标要求与ILSAC GF-5规格保持一致。

3.2 高温抗氧化和清净分散性

在高温抗氧化方面，ILSAC GF-6规格采用MS程序ⅢH替代MS程序ⅢG来评定发动机油的高温抗氧化性能。MS程序ⅢH替代MS程序ⅢG试验的发动机参数和评定指标要求如表5。

表5 MS程序ⅢH与MS程序ⅢG台架试验工况对比

表5(续)

从表5可以看出，MS程序ⅢH采用了排量更小、转速更高和压缩比更大的Chrysler Pentastar Ⅴ6(电喷)发动机，且发动机窜气加剧、而加油消耗降低，机油的补加量减少。小排量发动机为了达到更好的动力输出，在获得相同扭矩的同时单位功率密度升高，造成发动机缸体、活塞等关键部位的温度更高；同时，小排量发动机要达到更高的发动机转速，要求单位时间内发动机的点火次数更多，增加了活塞、活塞环以及阀系凸轮等的运动频次，使发动机油面临更加频繁的机械剪切，并使发动机油对活塞环和气缸壁等高温部位进行冷却和润滑的次数增加，易造成机油氧化变质和形成沉积物[10]。此外，更大的压缩比使气缸内最大行程容积提高，导致更高的热效率、缸内压力和燃烧压力，使发动机油面临更高的工作温度和更大的工作压力，运行条件更加苛刻。在评定指标上，ILSAC GF-6规格在40 ℃运动黏度增长率和活塞沉积物平均评分两个指标上更加严格。可见，ILSAC GF-6规格对发动机油的高温抗氧化性能提出了极高要求。

3.3 尾气处理系统的耐久性

在尾气处理系统的保护方面，出于对发动机磨损问题的考虑，ILSAC GF-6规格对磷元素的要求与ILSAC GF-5规格一致，在0.06%～0.08%之间。但对磷元素的保持性提出了更高的要求，要求在MS程序ⅢH试验结束后，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%，提高了对尾气后处理系统的保护性，延长其使用寿命。

3.4 阀系磨损保护性能

在阀系磨损保护方面，ILSAC GF-6规格采用MS程序ⅣB替代ILASC GF-5规格中的MS程序ⅣA来评定发动机油的阀系磨损保护性能，二者的试验工况对比如表6。

表6 MS程序ⅣA与MS程序ⅣB台架试验工况对比

从表6可以看出，MS程序ⅣB台架试验采用了转速更高、压缩比更大的2010Toyota 2NR-FE 1.5 L 4缸汽油机，而且试验时间延长了一倍，达到200 h，提高了试验的苛刻性。MS程序ⅣB台架试验在开发过程中，为获得更好的评定区分度，对发动机硬件和台架试验工况进行了优化[11-12]：

(1)专门为MS程序ⅣB试验开发了阀系零部件，强化了气门弹簧载荷，降低了凸轮的硬度，并通过改变凸轮的轮廓来降低油膜厚度；

(2)强化发动机窜气工况，从而在发动机试验过程中，机油的燃油稀释率达到8%～16%，机油黏度下降40%～50%；

(3)试验时间从100 h延长至200 h。

可见，ILSAC GF-6规格要求发动机油在摩擦副硬度减弱、摩擦强度增加、燃油稀释、油膜变薄和窜气加剧的苛刻条件下提供足够的阀系磨损保护性能。

在评价指标上，MS程序ⅣB台架试验采用Keyence VR-3000 3D轮廓测量仪来测量挺柱磨损体积(如图4所示)，且要求进气门平均磨损不超过2.7 mm3；同时，检测试验结束后机油中的铁元素含量，且要求旧油中的铁元素含量不大于400 mg/kg，以更加全面地评价发动机油的阀系磨损保护性能。

图4 MS程序ⅣB台架试验测试

3.5 低温清净分散性能

在低温清净分散性方面，ILSAC GF-6规格采用MS程序ⅤH试验评定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2013款4.6 L V8汽油发动机，单顶置凸轮轴。试验装置如图5。

图5 MS程序ⅤH试验装置

试验使用无铅汽油为燃料，采用与MS程序ⅤG相似的循环工况，即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的试验条件如表7。

表7 MS程序ⅤH台架试验条件

从表3可以看出，ILSAC GF-6规格的MS程序ⅤH台架试验评价指标中的油泥和漆膜指标相比于ILSAC GF-5规格的MS程序ⅤG试验的指标要求有所放宽，这是由于MS程序ⅤH的试验工况更加苛刻，增加了曲轴箱窜气、消除曲轴箱通风并增加燃油稀释，因此不能简单的从评价指标数值上认为ILSAC GF-6规格在低温清净分散性上比ILSAC GF-5规格的要求低。同时，在2021年第19版的API 1509文件中，API SN/SN-RC规格已经同时引入MS程序ⅤH和MS程序ⅤG台架试验，且规定这两个台架试验可以同等替换，而API SN/SN-RC规格中的MS程序ⅤG的所有评价指标与ILSAC GF-5的一致，MS程序ⅤH的所有评价指标与ILSAC GF-6的一致，这也说明，在低温清净分散性方面，ILSAC GF-6规格要求并不比ILSAC GF-5规格的低。

3.6 燃油经济性

在燃油经济性方面，为了进一步提高发动机油的节能性能，ILSAC GF-6A规格要求采用MS程序ⅥE台架试验替代ILSAC GF-5规格中的MS程序ⅥD来评定发动机油的燃油经济性。对于全新的ILSAC GF-6B规格，则开发了全新的MS程序ⅥF台架试验来评定发动机油的燃油经济性，三者的对比如表8。

表8 燃油经济性台架评定试验(SAE XW-20和SAE XW-16黏度等级)对比

表8(续)

从表8可以看出，燃油经济性台架试验的工况条件变化不大，都是采用3.6 L排量、压缩比相同的发动机。在具体试验条件上，MS程序ⅥE/F与MS程序ⅥD台架试验相比，第一阶段机油老化循环工况没有变化，都是16 h，第二阶段机油老化循环工况也一样，但时间延长至109 h，因此，总的油品老化时间为125 h，相当于16.093 km后的燃油经济性，并减少补油量，对发动机油的燃油经济性保持能力提出了更高的要求。从燃油经济性的指标对比可以看出：对于SAE XW-20黏度等级，总体FEI提升46.1%，FEI2提升50%。可见，ILSAC GF-6规格对发动机油的燃油经济性要求更加严格。

3.7 低速早燃抑制

低速早燃现象(LSPI)是增压直喷汽油机在低速大负荷工况区发生的一种偶发性、间歇性的非正常燃烧现象。发生LSPI时，气缸内压力剧增，破坏性要远强于常规爆震，通常伴随极高的爆发压力和强力的爆发震荡，可能会造成火花塞点火前提前燃烧、敲缸、火花塞烧蚀、气门击穿和活塞顶面断裂(如图6所示)等现象，对发动机结构和运动部件造成严重损坏[13-14]。

图6 LSPI造成发动机严重损坏现象

LSPI现象发生除了与发动机本身的硬件设计有关外，还与燃油质量、燃烧室积炭、缸内热点分布以及发动机油组成和灰分含量有关。目前无法彻底避免LSPI现象，但通过机油的配方改进可以在一定程度上抑制直喷增压发动机的低速早燃问题。据研究，发动机油添加剂中钙元素的含量越高，LSPI倾向性越严重，即清净剂复配时应考虑降低钙元素含量，通常认为1400 mg/kg是分界点。而钙盐是发动机油清净剂中不可或缺的成分，钙元素降低的同时会带来高温清净性能的受损，因此需进行清净剂的替代，通常情况下考虑使用钙镁复配类型清净剂进行配方开发。此外，钼元素的增加对LSPI发生有抑制作用[10]。

ILSAC GF-6规格采用MS程序Ⅸ台架试验评价发动机油的低速早燃抑制能力。该试验采用福特2012款2.0 L Ecoboost发动机，测试由4个重复周期组成。每次重复周期为175000个点火循环，取前170000个有效循环用于评估早燃事件的数量。每个重复周期包含2个低速高负荷工况，即一个为1500 r/min转速工况，一个为1750 r/min转速工况，每次重复周期为4 h，总试验时间为16 h。ILSAC GF-6规格要求发动机油在程序Ⅸ台架试验中4个循环平均发生次数小于5次，每个循环发生次数小于8次。

3.8 正时链条磨损保护

针对涡轮增压直喷(GTDI)汽油机在实际使用中出现的正时链条磨损问题，ILSAC GF-6规格采用MS程序Ⅹ台架试验评定发动机油的正时链条磨损保护性能。该试验采用福特2.0 L EcoBoost发动机，试验发动机活塞环与气缸之间的间隙被增大，以提高窜气流速，曲轴箱的通风也作了调整，以加剧正时链条磨损。测试工况主要集中于中低转速及负荷，测试时长为216 h，包括54个4 h循环，每个循环由2个阶段组成，它们包括了一系列低温/中温、轻负荷/中等负荷的混合工况条件，主要是为发动机运转过程中正时链条磨损带来的正时不准而设置[15]。试验条件如表9所示。

表9 MS程序Ⅹ试验条件

ILSAC GF-6规格要求发动机油在试验结束后，测试发动机正时链条增长不大于0.085%。可以有效控制正时链条增长，进而保护发动机。

4 结束语

(1)与ILSAC GF-5规格相比，ILSAC GF-6规格在高温氧化性能、低温油泥分散性能、阀系磨损保护性能、尾气后处理系统耐久性以及燃油经济性等方面都提出了更高的要求，同时，特别针对新一代的直喷涡轮增压汽油机增加了低速早燃抑制性能及正时链条磨损保护的性能要求，能够满足最新一代乘用车发动机的润滑需求。

(2)ILSAC GF-6规格具有更高的燃油经济性、高温抗氧化和阀系磨损保护性能，以及出色的低速早燃抑制和正时链条磨损保护性能，对基础油和添加剂提出了更高要求，能够进一步促进基础油、发动机油添加剂和油品配方技术的发展。

(3)符合ILSAC GF-6规格的发动机油可以满足国六排放标准乘用车的润滑需求，在我国国六排放标准全面实施之际，研发和生产满足ILSAC GF-6规格的油品，不仅可以为新一代乘用车发动机提供全面的润滑保护，而且可以帮助汽车OEM通过更为苛刻的燃油经济性指标，为提高能源效率、减少碳排放做出重要贡献。