T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油機油》團體標準解讀

石順友,林東豐,趙艷麗,潘正華

(中國石化潤滑油有限公司華南分公司,廣東 廣州 510620)

0 引言

隨著全球汽車產銷量的快速增長、石化能源的逐漸枯竭和環境問題的日益突出,節省能源和降低排放是世界汽車行業面臨的重大挑戰,世界各國都不斷出臺日益嚴格的環保法規和燃油經濟性法規[1]。為應對日益嚴苛的環保法規和燃油經濟性法規要求,各大汽車OEM(原始設備制造商)相繼推出應用大量新技術的新型發動機,以滿足相應法規要求。應用新技術的新型發動機對潤滑油提出了更高的要求,特別是隨著汽油直噴渦輪增壓發動機的不斷普及,對發動機油提出了抗低速早燃(Low Speed Pre-Ignition,LSPI)的性能要求[2-4]。然而,我國現行的汽油機油國家標準發布于2006年,且只包含SL/GF-3級別及以下級別的油品規格[5],嚴重滯后于美國石油協會(American Petroleum Institute,API)、歐洲汽車制造商協會(ACEA)和日本汽車標準組織 (Japan Automobile Standards Organization, JASO)等國外汽油機油標準,無法滿足我國現代新型發動機以及龐大汽車后市場的需求。

為滿足我國汽車原始設備生產商(OEM)和龐大終端市場的實際需求,并規范我國潤滑油生產企業對SP、GF-6規格油品的質量控制,由中國汽車工程學會發起,并聯合汽車OEM、潤滑油和添加劑等生產廠商,歷經近2年時間,于2021年8月26日成功推出T/CSAE221-2021《SP、GF-6汽油機油》中國汽車工程學會團體標準。該標準是在API SP/ILSAC GF-6規格基礎上,緊密結合我國國內汽車OEM的用油需求,吸取API等油品規格開發的成功經驗,在油品性能指標中特別增加了我國自主開發的低速早燃臺架評定試驗,即分別采用江淮1.5 T渦輪增壓缸內汽油直噴發動機(TGDI)發動機和長城1.3 TGDI發動機自主建立的評價汽油機油抑制低速早燃性能臺架試驗。該標準的成功推出以及自主低速早燃臺架評定試驗的成功應用,為我國建立自主汽油機油規格標準奠定了堅實基礎。

文章對T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油機油》中國汽車工程學會團體標準的內容進行解讀。作為相關工作人員在使用此標準時的參考,助力該標準的推廣應用和實施。

1 適用范圍及分類標記

1.1 適用范圍

T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油機油》中國汽車工程學會團體標準規定了以精制礦物油、合成油或精制礦物油與合成油的混合油為基礎油,加入多種功能添加劑調制而成的SP汽油機油和具有節能效果的GF-6汽油機油的技術要求、試驗方法、檢驗規則及標識、包裝、貯存及交貨驗收要求。該標準適用于在汽車四沖程汽油發動機,如轎車、輕型卡車、貨車和客車發動機等。

1.2 分類標記

T/CSAE 221-2021團體標準包括SP、GF-6A和GF-6B 3個油品規格分類。其中,SP汽油機油包含0W-16、0W-20和0W-30等17個黏度等級產品;GF-6A汽油機油包含0W-20、0W-30、5W-20、5W-30和10W-30 5個黏度等級產品;而GF-6B汽油機油僅僅包含0W-16 1個黏度等級產品。因此,本標準基本覆蓋了汽油機油所有可能的應用要求。執行T/CSAE 221-2021的產品標記為:質量等級+黏度等級+產品名稱+標準號,如GF-6A 5W-30汽油機油T/CSAE 221-2021。

2 技術要求及試驗方法

T/CSAE 221-2021團體標準主要通過對油品的黏溫性能、理化性能和使用性能來評價和規范SP、GF-6汽油機油的性能,保證SP、GF-6汽油機油的產品質量穩定,同時明確各個指標的試驗方法。

2.1 黏溫性能要求和試驗方法

T/CSAE 221-2021團體標準中油品的低溫動力黏度、低溫泵送黏度、運動黏度、高溫高剪切黏度等4個基本的理化性能指標參考SAE J300-2015和GB/T 14906-2018標準制定,而傾點則參考GB 11121-2006制定。SP、GF-6汽油機油的黏溫性能要求和試驗方法[6],如表1所示。

表1 SP、GF-6汽油機油的黏溫性能要求和試驗方法

2.2 理化性能要求和試驗方法

T/CSAE 221-2021團體標準對油品的理化性能要求主要規定了SP、GF-6汽油機油的蒸發損失、閃點、泡沫性、高溫抗泡性、過濾性、水分、混溶性和均勻性、堿值、硫酸鹽灰分、機械雜質和橡膠相容性以及硫、磷、氮等元素含量。SP、GF-6汽油機油的理化性能要求和試驗方法[6],如表2所示。

表2 SP、GF-6汽油機油的理化性能要求和試驗方法

表2(續)

2.3 使用性能要求和試驗方法

T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油機油》團體標準主要通過規定SP、GF-6汽油機油需要通過的臺架評定試驗(包括剪切安定性、銹蝕試驗、抗氧化性能、抗磨性能和抗低速早燃性能等)來規范油品的性能。SP、GF-6汽油機油的使用性能要求和試驗方法[6]如表3所示。

表3 SP、GF-6汽油機油使用性能要求和試驗方法

3 SP、GF-6汽油機油的性能特點

T/CSAE 221-2021團體標準關注油品的理化性能和發動機耐久性,理化性能如蒸發損失、泡沫性、元素含量、水分、機械雜質和橡膠相容性等,發動機耐久性如抗氧化性能、發動機清凈性能、油泥控制、磨損保護、腐蝕保護、燃油經濟性和LSPI保護等。T/CSAE 221-2021團體標準引入自主臺架評定抑制LSPI性能是本標準的創新點,也是最大的亮點,填補了國內空白。本文先對油品的抗低速早燃性能進行解析,然后再對理化性能和發動機耐久性進行解析,供讀者參考。

3.1 抗低速早燃性能

低速早燃現象(LSPI)是增壓直噴汽油機在低速大負荷工況區產生的一種偶發性、間歇性的非正常燃燒現象。低速早燃的發生會對發動機結構和運動部件造成嚴重損壞[7-8]。因此,基于低速早燃嚴重的危害性和破壞性,國內OEM在油品使用時都需要對油品的低速早燃性能進行單獨測試。為更好地適應我國小排量直噴渦輪增壓汽油發動機對汽油機油抗低速早燃性能的評價需求,T/CSAE 221-2021團體標準除要求采用程序Ⅸ發動機試驗評價SP、GF-6汽油機油的抗低速早燃性能之外,同時還要求采用我國自主技術中的典型直噴汽油發動機來評價SP、GF-6汽油機油的抗低速早燃性能,以滿足國內汽車OEM在油品準入驗證時對低速早燃的評價需求。

3.1.1 程序Ⅸ臺架試驗

程序Ⅸ臺架試驗采用福特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[9]。T/CSAE 221-2021團體標準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不大于5次,每個循環發生次數不大于8次。

3.1.2 汽油機油低速早燃性能試驗[10]

T/CSAE 221-2021團體標準要求采用長城1.3 TGDI發動機或江淮1.5 TGDI發動機自主建立的臺架試驗評價汽油機油抑制低速早燃的性能,試驗方法名稱為T/CSAE 182《汽油機油低速早燃性能測試方法》,該臺架試驗方法填補了我國潤滑油臺架評價技術領域空白,推動了我國潤滑油臺架評價體系的自主研發。

(1)試驗概況。汽油機油低速早燃(LSPI)性能測試方法開發主要包括工況篩選、發動機清洗流程、測試流程以及數據處理和結果判定四部分(試驗流程如圖1所示)。不同發動機出現LSPI現象的工況不同,通過必要的試驗設計篩選出合理的測試工況,是開發機油LSPI性能評測方法的關鍵。為降低前序試驗的影響,需使用待測機油對測試發動機進行多次機油沖洗,每一次必須更換新的機油和機濾;測試試驗連續4次,每一次需對發動機的狀態評估,確認正常后運轉測試工況,采集并記錄關鍵參數;通過統計學方法分析特征參數,判斷和識別低速早燃事件(PE),將四次結果計算平均值,求得低速早燃事件發生次數(PEPNC)。

(2)試驗條件。T/CSAE 182《汽油機油低速早燃性能測試方法》對試驗的實驗室環境、試驗樣機、傳感器位置和誤差、試驗儀器和設備、試驗用燃料油以及試驗程序都進行了明確規定和說明,試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程

3.1.3 T/CSAE 182與程序Ⅸ臺架試驗的主要差異

T/CSAE 221-2021團體標準要求同時通過程序Ⅸ低速早燃臺架測試和基于長城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試或基于江淮1.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試。程序Ⅸ臺架試驗與T/CSAE 182的主要差異如下:(1)發動機技術不同:程序Ⅸ低速早燃臺架測試采用福特2.0 L Ecoboost發動機,代表北美汽油機技術,而T/CSAE 182采用長城1.3 TGDI發動機或江淮1.5 TGDI發動機,分別由長城汽車和江淮汽車公司自主開發的發動機技術。(2)發動機最高爆發力不同:福特2.0 L Ecoboost發動機最高爆發壓力為4 MPa,而江淮1.5 TGDI發動機、長城1.3 TGDI發動機的最高爆發壓力為7 MPa,最高爆發壓力高于2.0 L Ecoboost發動機。此外,國內小排量的直噴增壓發動機的升功率、升扭矩、熱負荷、功率密度高于福特2.0 L Ecoboost發動機,導致國內小排量的直噴增壓發動機低速早燃發生的頻次更多,破壞性更大。因此,出于安全性考慮,一般國內OEM在使用油品時或進行油品準入時,都要對油品的低速早燃性能進行單獨測試。

3.1.4 基于長城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試

長城1.3 TGDI發動機采用TGDI、DVVT、液壓挺柱和靜音鏈正時系統等發動機技術,長城1.3 TGDI發動機的技術參數如表4所示。

表4 長城1.3 TGDI發動機技術參數

基于長城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試試驗,在發動機沖洗、機油適應性程序后進行循環測試。循環測試條件為(1500±20) r/min、(190±5) N·m,進行共95000次的燃燒循環測試,約125 min。每一完整測試,需獲得4次有效測試循環數據。依次對測試循環的有效性進行判斷,廢棄不合格測試循環數據,并重新測試1次,直至獲得4組合格的測試循環數據或累計做滿8次測試?；陂L城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試試驗的測試工況及邊界控制條件如表5所示,測試流程如圖2所示。

表5 測試工況及邊界條件控制

表5(續)

圖2 基于長城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試流程

基于長城1.3 TGDI發動機的機油LSPI性能測試時,T/CSAE 221-2021團體標準要求發動機油在測試過程中的早燃次數不大于10次。

3.1.5 基于江淮1.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試

江淮1.5 TGDI發動機采用正時鏈條、缸內直噴等主流發動機技術,發動機技術參數如表6所示。

表6 江淮1.5 TGDI發動機技術參數

基于江淮1.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試,按照一定的試驗條件,經過發動機沖洗、升溫過程后開始正式試驗。正式測試在(1500±10) r/min、(240±10) N·m的條件下,按照試驗控制條件(如表7所示),發動機運行2 h,期間采集至少90000次的燃燒循環數據?；诮?.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試的測試流程如圖3所示。

表7 正式試驗控制條件

圖3 基于江淮1.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試流程

基于江淮1.5 TGDI發動機的機油LSPI性能測試時,T/CSAE 221-2021團體標準要求發動機油在測試過程中的早燃次數不大于5次。

3.2 理化性能要求

3.2.1 蒸發損失

蒸發損失是反映發動機油質量的一項重要指標,直接影響發動機油的性能和使用壽命。一般情況下,使用超低黏度發動機油主要有發動機磨損加劇和機油油耗增加兩個方面的風險,且機油油耗增加是因更大的油品蒸發導致。因此,T/CSAE 221-2021團體標準對油品的蒸發損失進行了嚴格要求,要求油品的蒸發損失不大于15.0%(NOACK法)。

3.2.2 閃點

閃點是反映油品安全性的重要指標,對于油品生產、運輸、儲存、使用過程的安全具有重要意義,一般情況下,潤滑油的最高工作溫度應比其閃點低20～30 ℃[11]。T/CSAE 221-2021團體標準要求0W和5W多級油的閃點不低于200 ℃,10W多級油的閃點不低于205 ℃,15W和20W多級油的閃點不低于215 ℃。

3.2.3 機械雜質

機械雜質是反映油品調合工藝純凈程度的重要指標。通常,基礎油的機械雜質都控制在0.005%以下(被認為是無機械雜質),加添加劑后的產品油機械雜質一般增大。T/CSAE 221-2021要求油品的機械雜質不大于0.01%。

3.2.4 硫酸鹽灰分

硫酸鹽灰分是指試樣用硫酸處理后被灼燒碳化所剩的殘渣,是一種無機物。對汽油機油來說,硫酸鹽灰分反映金屬清凈劑等添加劑的加入量,硫酸鹽灰分含量過高會影響汽油發動機顆粒捕集器的使用壽命。發動機油的產品配方不同,硫酸鹽灰分也不一致。但由于油品配方一旦定型,一般不能隨意改動,因此,T/CSAE 221-2021的硫酸鹽灰分指標要求為“報告”。

3.2.5 元素含量

T/CSAE 221-2021對油品的硫、磷和氮元素含量進行了要求。油品中的硫、磷含量過高會造成汽油發動機后處理系統中的催化劑中毒,縮短后處理系統的使用壽命,因此,T/CSAE 221-2021對油品的硫、磷元素進行嚴格控制,指標要求與API SP/ILSAC GF-6一致,為“報告”。氮元素主要來源于油品中的分散劑,可反映油品中分散劑的加入量。但由于油品配方一旦定型,一般不能隨意改動,因此,T/CSAE 221-2021的氮含量指標要求為“報告”。

3.2.6 泡沫性

泡沫特性是指油品生成泡沫的傾向性和泡沫的穩定性,反映油品在有空氣進入的情況下消泡能力的強弱。發動機油在實際使用過程中,由于受震動、攪動、晃動等作用,使得空氣混入發動機油中,以致形成氣泡而使其流動性變差,甚至會形成氣阻、破壞油膜的形成等,造成潤滑變差。因此,T/CSAE 221-2021對油品的泡沫特性以及高溫抗泡性能提出嚴格要求,指標要求與API SP/ILSAC GF-6的一致。

3.2.7 水分

油品中水分的存在對油品性能有較大影響,會促使油品加速氧化變質,破壞油膜的形成,加速有機酸對金屬的腐蝕,使添加劑產生水解而失效等,因此,油品中的水分越少越好。T/CSAE 221-2021要求油品的水分不大于痕跡,即不大于0.03%。

3.2.8 橡膠相容性

橡膠相容性是發動機油的重要性能之一,在發動機運轉過程中,發動機油會與橡膠密封件發生接觸,兩者的長時間接觸可能會導致橡膠件的性能下降乃至失效;也會導致發動機油的顏色變深和性能下降。滿足T/CSAE 221-2021的油品要求通過ASTM D7216 A2橡膠相容性試驗,通過指標與API SP/ILSAC GF-6的一致。

3.3 發動機耐久性

T/CSAE 221-2021團體標準基于API SP和ILSAC GF-6標準開發,對于標準中SP、GF-6汽油機油的大部分發動機耐久性試驗要求均等同采用了API SP和ILSAC GF-6中的技術指標。

3.3.1 低溫清凈分散性能

T/CSAE 221-2021團體標準采用程序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。程序ⅤH試驗采用福特4.6 L排量Ⅴ型8缸汽油發動機。

試驗使用無鉛汽油為燃料,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[12]。

試驗結束后,通過拆解發動機,對油底殼和搖臂罩等部件進行油泥評分,對發動機和活塞裙部進行漆膜評分,并對機油濾網和活塞油環堵塞以及機油濾網殘渣和冷、熱黏環進行評價。T/CSAE 221-2021團體標準中,SP、GF-6汽油機油的通過標準為發動機油油泥平均評分不小于7.6,搖臂罩油泥平均評分不小于7.7,發動機漆膜平均評分不小于8.6,活塞裙部均評分不小于7.6,壓縮環無熱黏環。

3.3.2 高溫抗氧化和清凈分散性

T/CSAE 221-2021團體標準要求通過程序ⅢH臺架試驗評定SP、GF-6汽油機油的抗高溫氧化、增稠、油泥以及漆膜沉積和抗磨損能力。試驗采用克萊斯勒公司的Chrysler Pentastar 3.6 L排量Ⅴ型6缸汽油機,發動機壓縮比為10.2∶1,試驗條件[13]如表8所示。

表8 程序ⅢH的試驗條件

發動機在3900 r/min轉速和機油溫度150 ℃的工況下運轉90 h,每20 h停機檢查機油液位并采集油樣,分析每個油樣的40 ℃的運動黏度并計算黏度增長率。試驗結束后,拆解發動機,對活塞沉積物進行評分。T/CSAE 221-2021團體標準中,SP、GF-6汽油機油的通過指標為40 ℃的運動黏度增長率不大于100%,活塞沉積物評分不小于4.2,無活塞環熱黏環。

3.3.3 閥系磨損保護性能

為考察汽車發動機在怠速工況下,發動機油防止發動機閥系部件尤其是凸輪的磨損,T/CSAE 221-2021團體標準要求通過程序ⅣB試驗來評價SP、GF-6汽油機油的閥系磨損保護性能。程序ⅣB試驗采用的是2010 Toyota 2NRFE水冷、四沖程、直列、1.5 L排量的發動機,試驗條件[14]如表9所示。

表9 程序ⅣB的試驗條件

試驗結束后,通過3D拍照的方法測量氣門挺桿磨損,同時測試試驗完成后油樣中的磨損元素鐵的含量。T/CSAE 221-2021團體標準中,SP、GF-6汽油機油的通過指標為進氣門平均磨損不超過2.7 mm3,鐵含量不大于400 μg/g。

3.3.4 燃油經濟性

T/CSAE 221-2021團體標準中,對GF-6汽油機油有燃油經濟性要求,其中ILSAC GF-6A級別油品要采用采用程序ⅥE臺架試驗評定油品的燃油經濟性,而對于GF-6B級別油品要求采用程序ⅥF臺架試驗來評定發動機油的燃油經濟性,試驗發動機以及通過指標情況如表10所示。

表10 燃油經濟性臺架試驗要求

表10(續)

3.3.5 正時鏈條磨損保護

針對渦輪增壓直噴汽油機(GTDI)在實際使用中出現的正時鏈條磨損問題,T/CSAE 221-2021要求采用程序Ⅹ臺架試驗評定SP、GF-6汽油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。試驗條件[15]如表11所示。

表11 程序Ⅹ試驗條件

T/CSAE 221-2021要求試驗機油在試驗結束后,測試發動機正時鏈條增長不大于0.085%,以控制油品質量,從而有效控制正時鏈條的磨損,進而保護發動機。

4 結束語

T/CSAE 221-2021通過對SP、GF-6汽油機油的黏溫性能、理化性能和發動機耐久性的嚴格規定,有效規范SP、GF-6汽油機油的油品性能,保障SP、GF-6汽油機油的產品質量穩定。T/CSAE 221-2021團隊標準的發布,填補我國汽油機油國家標準在SP、GF-6汽油機油標準上的空白,對我國汽車OEM和終端市場用油具有重要的實際意義。

T/CSAE 221-2021在API SP/ILSAC GF-6的基礎上,結合國內OEM用油的實際需求,增加采用自主建立的評定汽油機油抗低速早燃性能的臺架實驗要求,滿足了國內OEM龐大售后市場的用油需求,實現自主開發臺架試驗的具體應用,對我國自主試驗方法的開發具有重要的引領和推動作用。同時也為我國自主汽油機油標準體系的建立奠定堅實基礎。