ILSAC GF-6汽油机油规格解读及其变化分析

清华大学苏州汽车研究院（吴江）

ILSAC是国际润滑剂标准化及认证委员会（International Lubricant Standardization and Approval Committee） 的缩写，是美国汽车制造商协会（AAMA）和日本汽车制造商协会（JAMA）联合一些大的润滑油和添加剂公司共同成立的对润滑油产品规格进行认证的机构，其认证委托美国石油学会（API）发布[1]。

随着全球汽车保有量的快速增长、石化能源的逐渐枯竭和环境问题的日益突出[2]，世界汽车行业面临着未来燃料短缺和现行排放法规加严的双重压力。在OEM（原始设备制造商）应对油耗法规和排放要求的同时，汽车用户对汽车性能的期待也越来越高。为迎接挑战，OEM对发动机硬件和控制系统不断升级，如发动机小型化、直喷技术、增加涡轮增压、摩擦优化以及后处理和燃烧技术改进。新技术的应用在提升发动机性能的同时也对润滑油提出了新的挑战，进而引发了诸如沉积物加剧、低速早燃、正时链条保护等新的问题，因此汽车OEM对润滑油的性能提出了更高的要求，所有这些变化都需要发动机油提供更加全面、更加充足的硬件保护性能。通过采用更低黏度润滑油来提升发动机和整车的燃油经济性也成为行业和最新汽机油规格开发所关注的重点。

为了满足日趋严格的汽车排放和油耗法规，汽车发动机技术不断发展，涡轮增压直喷汽油发动机（GTDI）技术因其具有减少排放和降低油耗双重优势，已经逐步成为国际汽油发动机技术路线的主流。为应对新技术对润滑油的需求和挑战，在国际润滑剂标准化及认证委员会推动及国际汽车OEM的帮助下，新一代ILSAC GF-6规格开发完成并施行。本文对GF-6汽油机油规格对油品的质量要求进行了介绍，并与GF-5规格进行了对比，分析解读了新规格质量要求的主要变化及对应台架试验的变化和技术特点，展望了GF-6规格对润滑油行业的影响与挑战。

2011年11月，ILSAC 首次提出GF-6 规格[3]。历经八年的开发，包括四个发动机测试方法的更新和三个新测试方法的引入。最终2019年API的润滑油标准组以信函投票方式批准采用了两个新的ILSAC GF-6规格：GF-6A和GF-6B，经历12个月的强制等待期后，2020年5月1日 GF-6产品标识正式允许使用。GF-6A、GF-6B标识分别见图1、图2。

ILSAC GF-6规格油品性能要求

目前ILSAC已经制订了汽油机油的GF－1、GF－2、GF－3、GF－4、GF－5、GF-6六个规格，GF－6规格首次分为GF－6A和GF－6B 两个不同的子规格，其中GF－6A 与ILSAC以往的规格兼容，黏度级别包括 SAE XW-20和XW-30，而GF-6B是一个全新的规格，只针对黏度级别为SAE XW-16的低黏度汽机油，GF-6B的油将不与以往的ILSAC规格兼容[4]。

GF-6规格对汽油机油的质量要求见表1（所有指标如无明确说明，则GF-6A、GF-6B规格均需满足该指标）。

表1 ILSAC GF-6规格对汽油机油质量要求

表1 ILSAC GF-6规格对汽油机油质量要求

表1 ILSAC GF-6规格对汽油机油质量要求

ILSAC GF-6规格质量要求变化分析

ILSAC汽油机油规格的发展与发动机新技术、节能环保以及耐久性要求密切相关。GF-6A作为与ILSAC以往的规格相兼容的新一代汽机油规格，与GF-5规格相比，老规格已有的性能得到了全面的提升，同时增加了低速早燃抑制能力要求和正时链条保护要求。GF-6A与GF-5规格质量要求差异见表2。

从表2可以看出，GF-6A相对于GF-5规格，质量要求变化主要有以下几个方面。

提升了机油的剪切稳定性要求

GF-6A规格与GF-5规格均采用了程序VIII台架试验用于评价机油防止铜铅轴瓦腐蚀的性能和剪切稳定性，但在剪切稳定性指标要求方面GF-6A规格对XW-20黏度级别要求有所加严，XW-20黏度级别剪切稳定性要求相对于GF-5提升了23.2%。

更高的高温抗氧化性能和清净性能要求

GF-6A/B规格引入了程序ⅢH台架试验代替程序ⅢG台架试验，程序IIIH台架试验与程序ⅢG台架试验工况对比见表3。

从表3可以看出，新台架试验发动机转速、扭矩和压缩比有明显的提高，同时发动机窜气加剧，机油消耗量降低，机油补充加入量大幅降低，机油工况更加苛刻，这些变化也反映了发动机小型化和高功率的发展趋势。通过对比表3 GF-5程序IIIG与GF-6 程序IIIH台架试验质量指标可以直观地看出，在台架试验工况加严的条件下，GF－6规格在40 ℃黏度增长率和平均活塞沉积物评分两个指标上进行了加严。

更高阀系保护性能要求

在阀系抗磨保护方面，ILSAC GF-6引入了全新的程序IVB台架试验用以替代已经使用了20年的程序IVA台架试验，程序IVB台架试验与程序IVA台架试验工况对比见表4。

从表4可以看出，程序IVB发动机台架试验，发动机压缩比增加，转速更高，试验时间延长；在程序VIB开发过程中，为了使其具有较好的磨损区分度，发动机硬件和台架工况进行了以下调整[6]：

◇专门为程序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，

◇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%，

◇试验时间从100 h延长至200 h。

程序IVB台架试验评价指标包括发动机平均进气挺柱体积损失，该指标测试方法取消了传统2D形貌仪测试方法，改用Keyence VR-3000 3D轮廓测量仪来测量挺柱磨损体积，该方法相比于前者可更全面地分析磨损程度，具有更高的精度和再现性；设置了试验结束后机油中Fe元素评价指标，可以更加全面地评价机油低温抗磨性能。由此可见，GF-6引入程序IVB台架试验后，要求机油在燃油稀释、油膜变薄、摩擦强度增加、摩擦副抗磨性能弱化和机油衰变加速的苛刻条件下提供足够的抗磨性能。

低温清净分散性能

在机油低温清净分散性能评价方面GF-6规格引入了新的程序VH台架试验方法代替程序VG台架试验方法，新方法采用2013款4.6 L V8 发动机，与老款发动机在技术路线上一致，前者主要是更新了先进的电控系统，因此在试验条件设定方面，程序VH采取了与程序VG相似的循环工况。从表3 分析可知，GF-6 的程序VH台架试验油泥和漆膜评分等指标相对于GF-5 程序VG的要求有所降低，这是因为程序VH台架试验增加了曲轴箱窜气、消除曲轴箱通风并增加燃油稀释，因此不能直接认为GF-6规格比GF-5规格在低温清净分散性能要求上有所降低，同时最新API SN/SN-RC规格已经同时引入程序VH和程序VG台架试验，且规定2个台架试验相互之间同等替换，而API SN/SN-RC规格的程序VG台架试验的所有考核指标限值与GF-5一致，对程序VH的所有指标限值与GF-6一致，因此可以认为GF-6规格与GF-5规格对机油低温清净分散性能的要求基本是相同的。

更加优异的燃油经济性能

为了进一步提升汽油机油的燃油经济性性能，GF-6规格引入程序ⅥE/F台架试验，该台架试验采用通用2012款Malibu 3.6L LY7 V6发动机，其试验条件与程序ⅥD台架试验相比，第一阶段机油老化循环工况和没有变化，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,对润滑油燃油经济性保持能力提出了更高的要求。从GF-5程序VID台架与GF-6程序VIE台架试验考核指标对比可以看出：SAE XW-20总体FEI提升46.1%，FEI2提升50%；SAE XW-30总体FEI提升 63.1%，FEI2提 升 66.7%；SAE 10 W-30总 体FEI提 升86.7%，FEI2提升116.7%。因此GF-6规格对机油的燃油经济性要求有了很大提高。

表2 GF-6A与GF-5规格主要质量要求差异

表3 GF-5 程序IIIG与程序GF-6 IIIH台架试验工况对比[5]

表4 GF-5 程序IVA与程序GF-6 IVB台架试验工况对比[5]

增加GTDI发动机低速早燃抑制性能

GF-6标准引入了程序IX台架试验用于评价发动机油低速早燃抑制能力。低速早燃现象（LSPI）是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。发生早燃时，缸内峰值压力甚至可以超过100 bar（10 MPa），对发动机危害极大，极端条件下可瞬间损坏发动机。发动机发生低速早燃时曲轴转角与气缸压力变化如图3所示。

研究发现润滑油与低速早燃的发生有一定相关性，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[7]。2011年福特公司与美国西南研究院合作，在福特2012款2.0 L Ecoboost发动机上开展过低速早燃（LSPI）的研究，随后开发了程序IX台架试验。测试由4个重复周期组成。每次重复周期为175 000个点火循环，取前170 000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1 500 r/min 转速工况，一个为1 750 r/min 转速工况，每次重复周期为4 h，总试验时间为16 h。通过气缸内压力传感器记录每个点火循环的峰值压力和燃料的质量燃烧率超过2%时的曲轴转角（燃料的质量燃烧率根据压力升高计算出）。采用统计方法来寻找峰值压力和燃料的质量燃烧率超过2%时异常值，当这两个条件都满足时，即被视为一次低速早燃事件。GF-6规格要求机油在程序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。

增加正时链条保护要求

针对汽油涡轮增压直喷（GTDI）发动机实际使用中出现的正时链条不理想的磨损问题，GF-6规格新增程序X台架试验，要求机油通过适当的配方优化对正时链条的保护性能。正时链条为氮化碳表面涂层的静音链条(三链板)[8]，同时来自燃烧室的废气中含有烟炱及未燃烧的汽油会混入到发动机润滑油中，破坏润滑油油膜，降低润滑油抗磨性能，使正时链条的润滑条件更加恶劣。程序X台架试验采用福特2012版Ecoboost 2.0 L发动机，试验发动机的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。试验时长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。

结束语

综合来看，新一代ILSAC GF-6规格对油品的剪切稳定性、高温抗氧化性能、高温清净性能、阀系磨损保护、燃油经济性都提出了更高的要求，同时基于目前汽车行业技术发展和OEM需求增加了低速早燃抑制和正时链条保护的要求，体现出了润滑油在帮助提升发动机性能方面发挥的重要作用。从另一个角度看，新一代ILSAC GF-6规格的开发和施行也将推动基础油、油品添加剂技术以及油品配方的更新换代。总之，新一代ILSAC GF-6规格将为润滑油和添加剂公司带来新的机遇与挑战，同时为新一代汽车发动机提供更高更全面的保护。