SP/GF-6A 5W-30发动机油对五菱N15系列发动机的适用性研究

韦夏 周朝军 钟涛 赵艳红

上汽通用五菱技术中心

随着车辆的排放要求愈加严格，燃油消耗法规不断加严，乘用车向着降低污染物排放、提高燃油经济性的路线发展。发动机将采用小型化、轻量化设计[1，2]。而发动机技术的发展对润滑油的各项性能提出了更高要求。具体体现在以下方面：

◇涡轮增压直喷发动机在低转速和高负载的情况下容易发生低速早 燃 (Low-speed pre-ignition，LSPI)，因此对润滑油改善低速早燃提出了要求；

◇小型发动机技术带来新的链条耐久和气门阀系磨损问题，要求润滑产品提供更强的磨损保护性能；

◇更低的油耗限值，要求润滑产品提升燃油经济性；

◇为了更好兼容后处理系统中装配的汽油机颗粒捕捉器(Gasoline Particulate Filter，GPF)，要求润滑油中的灰分更低，以免堵塞捕集器通道。

为了适应新的发动机硬件技术和节能排放法规的要求，发动机油的性能和规格也在不断升级。

美国石油学会(American Petroleum Institute, API) 于 2020 年5月1日发布最新规格SP/GF-6，该规格更加注重低速早燃现象的控制、对正时链条的磨损保护，并且在抗氧化性能、分散性能和燃油经济性能方面相比SN/GF-5规格要求更为严格，要求提升燃油效率的同时加强对发动机的全方位保护[3，4]。SP/GF-6规格与SN/GF-5规格相比的主要差异见表1。

表1 SP/GF-6发动机油规格与SN/GF-5发动机油规格差异

为满足国VI排放背景下的乘用车市场需求，配套油品关注综合使用性能的同时，要求具有较低的硫磷元素和硫酸盐灰分。此前五菱发动机油品以SN/GF-5 5W-30为主，为进一步提高综合使用性能并满足国VI排放法规要求，本文采用体系内供应商的一款低硫磷低硫酸盐灰分SP/GF-6A 5W-30发动机油在五菱发动机及汽车上分别开展了发动机耐久试验和行车试验，通过定期取样，分析油品质量变化情况，以考察油品的实际使用性能。

为了考察SP/GF-6A 5W-30发动机油的实际使用性能，采用试验油品在五菱N15T发动机开展了发动机耐久试验，并在2辆装配有五菱N15系列发动机的国VI车辆进行了行车试验。试验结果表明，所应用SP/GF-6A 5W-30发动机油综合性能表现优异，具有良好的抗氧化性能、清净性能、抗磨损性能，能够满足五菱N15系列发动机的使用要求。

试验部分

试验油品

试验油品采用SP/GF-6A 5W-30发动机油，其主要理化指标见表2。

表2 试验油品典型数据

由表2可见，试验油品SP/GF-6A 5W-30具有良好的低温性能和较低的硫酸盐灰分水平。

发动机耐久性试验

该试验规范由通用汽车（GM）内燃机测试统一委员会和内燃机集团创建和认可，主要用来测试发动机基本结构的耐久特性。

试验发动机

试验发动机为五菱N15T发动机，总计测试2轮发动机耐久性测试。试验燃油为市售92号燃油。

试验工况

第一轮发动机进行650 h GED耐久试验，第二轮发动机进行800 h发动机耐久性试验。发动机耐久一个循环包含以下几个工况：怠速、最小速度、油门全开加速循环，一个循环的时间正好为1 h，根据匹配不同车型选择总试验循环数。在整个试验过程中油底壳内机油温度控制在整车最大温度- 17 ℃± 6 ℃ 。如果使用了机油冷却器，那么机油温度控制器的控制点应该选在机油入口/油道位置。

取样及试验周期

根据发动机测试程序情况，每100循环后更换油品，每次换油需使用测试油清洗发动机，同时取旧油200 mL进行油品分析。其间，对工况、燃油、机油的各种状况进行记录。

行车试验

试验车辆

试验车辆为2辆五菱汽车，分别装配N15A自然吸气发动机（编号为1号车）发动机参数见表3，N15T涡轮增压发动机（编号为2号车），发动机参数见表4。1号车试验前已累计行驶约10 000 km，2号车试验前已累计行驶约24 000 km。按照车辆常规保养周期，均已进行过2～3次保养。

表3 五菱N15A发动机参数

表4 五菱N15T发动机参数

试验工况

测试目标为进行12 000 km行车试验。1号车为针对动力总成开展的动力总成可靠性试验并搭载发动机油测试，2号车为专项常规可靠性试验。动力总成可靠性试验是在试验道路上进行的，通过驾驶工况强化，且具有一定的加速系数，验证汽车动力总成可靠性的试验，包含坏路、城市路、直线路、高速路、长途行驶、砂子路、破道路等不同的试验路况。常规可靠性试验为模拟整车行驶的全部工况进行道路试验，包含坏路、方坑、高速、制动、涉水、长途、城市、蛇行、ABS等等行驶工况，对整车可靠性进行验证的试验规范。

试验准备、取样和补油

按行车试验规范要求对发动机进行清洗和装填、取样和补油。

试验前，使用试验发动机油对每台试验车辆进行冲洗，每次冲洗更换发动机油、机油滤清器。冲洗流程为：首先将发动机油从排油口排出，并移除机油滤清器，持续放油30 min；第二步安装新的机油滤清器；第三步加注新的发动机油至刻度线；第四步启动发动机，怠速5 min；停止发动机，静置不少于10 min直至发动机中的机油流入油底壳，取下机油尺，确认机油液位位于刻度线H，如未到，补加机油至刻度线H，记录油位和里程表距离。

取样前，将试验车移至水平处，怠速运转5 min；停止发动机，静置不少于10 min直至发动机中的机油流入油底壳，检查机油尺液位；一次性抽取200 mL试样油样（尽量从液位中部位置取），装入指定容器并做好标记。检查机油尺液位并记录，当液位低于刻度线L时，补加机油至刻度线H，并记录补加机油数量。

依次按照规定要求在更换新油后到达行驶里程5 000 km、9 000 km、12 000 km时，取旧油进行油品分析。

换油指标

国标GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》相关要求在乘用车行业具有丰富的应用经验，在不同质量级别汽油机油产品测试过程中体现出良好的指导意义，参照该标准，并结合国五、国六发动机油研发经验及前期行车试验经验制定了换油指标，具体见表5。

表5 行车试验换油指标

结果与讨论

耐久试验

根据通用汽车《全球发动机耐久性试验》，发动机维护间隔为100 h，需要更换机油、更换机油滤清器等零件，并对机油取样分析。油取样分析结果的极限参考国标GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》相关要求。

运动黏度

发动机油运动黏度变化是反映油品油膜强度、氧化衰变程度的重要指标之一，反映了油品氧化程度、添加剂消耗等情况。

试验油品100 ℃运动黏度变化率随试验时间的变化见图1。

图1 试验油品运动黏度变化率随试验时间的变化

从图1中可以看出，随着耐久试验进行，运动黏度变化率有上升的趋势。这是因为油品老化导致相应的氧化产物增加，致使试验油品黏度升高。在试验周期内，运动黏度变化率均在换油指标要求的范围内。综合油品酸值和碱值情况判断，油品抗氧化性能和清净性能良好，个别时间点黏度指标卡边不影响油品正常使用。

燃油稀释

发动机运转过程中，会有部分燃料窜入机油油底壳，污染发动机油，造成油品黏度降低，劣化加剧。一般来说，直喷发动机相较于非直喷发动机会造成更多的燃油稀释。试验油品的汽油含量随试验时间的变化见图2。

图2 试验油品汽油含量随试验时间的变化

从图2中可以看出，试验油品燃油稀释水平较低，远小于5%的换油指标限值，表明活塞缸壁密封性、发动机运行状态良好。

闪点

闪点可以一定程度衡量油品燃油稀释水平。润滑油品中混入燃油会导致闪点下降，影响油品的润滑性能。试验油品闪点随试验时间的变化见图3。

图3 试验油品闪点随试验时间的变化

从图3中可以看出，试验油品闪点呈上升趋势，表明无明显燃油稀释；所有油样闭口闪点均满足换油指标中大于100 ℃的要求，符合使用安全性需求。

碱值与酸值差值

碱值与酸值的差值变化反映了油品氧化衰变和油品中清净剂的消耗情况，用以衡量油品抗氧化性能和酸中和能力。试验油品的碱值与酸值差值随试验时间的变化见图4。

图4 试验油品碱值与酸值差值随试验时间的变化

从图4中可以看出，整个试验过程中碱值和酸值的差值均保持在换油指标0.5 mg KOH/g以上。随着耐久试验进行，碱值与酸值的差值有所降低，但在耐久试验结束时仍有余量，说明油品有较好的抗氧化性能和碱值保持性能。

氧化值和硝化值

发动机油在发动机运转过程中，在一定条件下发生氧化，会形成氧化物、硝化物等酸性物质，严重时会腐蚀发动机部件，影响油品使用性能。由于氧化反应生成的含有羰基类的氧化产物在红外光谱1 720 cm-1处的吸收值称为氧化值，由于燃烧窜气形成的硝酸酯类的硝化物在红外光谱1 630 cm-1处的吸收峰称为硝化值。通过氧化值和硝化值来考察发动机油的氧化程度。试验油品氧化值和硝化值随试验时间的变化见图5。

从图5中可以看出，试验油品的氧化值和硝化值随着试验进行有所增加，结合在国五和国六发动机测试研究中积累的经验，机油氧化值硝化值数值均在0.3 A/0.1 mm以内，表明油品具有较好的抗氧化性能[5，6]。可综合其他氧化性能指标如正戊烷不溶物等作进一步评价。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物反映油品使用过程中产生的油不溶物或不溶胶质的水平，在用油正戊烷不溶物的增加，将造成油品黏度增大，流动性变差，而油品中的不溶物聚集成团也容易堵塞油路，造成润滑不良等严重后果。试验油品正戊烷不溶物质量分数随试验时间的变化见图6。

图5 氧化值和硝化值数据随试验时间的变化

从图6中可以看出，试验油品的正戊烷不溶物质量分数均不大于0.2%，远低于1.5%的换油指标，说明试验油品有优异的清净分散性和氧化安定性。

水分含量

发动机油中的水主要来源于燃烧产物生产的水汽、缸套老化渗透等。发动机油中水分过多会破坏油膜形成，引起机油乳化，严重时造成发动机锈蚀磨损。试验油品水分含量均在0.03%以下，远低于0.2%的换油指标，表明设备状态良好，试验油品可以为发动机提供有效的润滑保护。

磨损金属元素含量

铁、铜、铝等金属元素的含量变化，代表发动机在行车试验过程中不同摩擦副的磨损情况，是评价发动机内磨损状态的简洁有效的方式。耐久试验中铁元素、铜元素和铝元素含量变化情况见图7、图8。

图6 正戊烷不溶物质量分数随试验时间的变化

图7 磨损金属元素含量随试验时间的变化（第一轮耐久试验）

从图7、图8中可以看出，磨损元素铁、铜（增加值）、铝也都在较低的水平，低于换油指标，说明发动机并未出现异常磨损，油品能够给发动机提供持久可靠的保护。

行车试验

运动黏度

行车试验100 ℃运动黏度变化率趋势见图9。

图8 磨损金属元素含量随试验时间的变化（第二轮耐久试验）

图9 试验油品运动黏度变化率随行驶里程的变化趋势

在全程12 000 km的行车试验中，100 ℃运动黏度变化率均在换油指标的限值区间内，满足使用要求。

燃油稀释

试验油品汽油含量随行驶里程的变化趋势见图10。

图10 试验油品汽油含量随行驶里程的变化趋势

从图10中可以看出，1号车燃油稀释水平略高于2号车，主要是因为1号车采用了增压直喷发动机技术。从整体来看，行车试验过程中试验油品的汽油含量均小于换油指标的要求，即未发生异常明显的燃油稀释现象。

闪点

行车试验中，所有油样闭口闪点均大于116 ℃，满足换油指标要求，符合使用安全性需求。

碱值与酸值差值

试验油品的碱值与酸值差值随行驶里程的变化趋势见图11。

图11 试验油品碱值与酸值差值随行驶里程的变化趋势

从图11中可以看出，随着行驶里程增加，碱值与酸值差值减小，整个试验过程中碱值和酸值的差值能够大于0.5 mg KOH/g的换油指标，说明油品有比较好的抗氧化性能和碱值储备，能够满足当前车辆在测试周期内的使用需求。

氧化值和硝化值

行车试验中试验油品氧化值和硝化值变化趋势见图12。

图12 试验油品氧化值和硝化值随行驶里程的变化趋势

从图12中可以看出，随着行驶里程增加，试验油品的氧化值和硝化值呈现上升趋势，数值均在0.3 A/0.1mm以内，说明油品具有较好的抗氧化性能。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物含量随行驶里程的变化趋势见图13。

图13 正戊烷不溶物质量分数随行驶里程的变化趋势

从图13中可以看出，试验油品的正戊烷不溶物质量分数均远低于换油指标的要求，表明油品有较好的清净分散性和氧化安定性。

水分含量

在行车试验过程中，试验油品的水分含量均为痕迹水平，表明试验油品没有受到乳化等影响，能够为发动机提供有效的润滑保护。

磨损金属元素含量

行车试验中，铁、铜（增加值）、铝含量随行驶里程的变化趋势见图14～图16。

图14 铁含量随行驶里程的变化趋势

图15 铜含量（增加值）随行驶里程的变化趋势

图16 铝元素含量随行驶里程的变化趋势

从图14～图16可以看出，磨损元素铁、铜、铝都在极低的水平，说明发动机并未出现异常磨损，试验油品具有较好的磨损防护性能。

结论

采用SP/GF-6A 5W-30发动机油通过了五菱N15T发动机两轮GED耐久测试，且通过了N15A和N15T两款发动机不同工况的道路测试，油品综合性能保持出色，全程运行顺利无异常，满足实际使用工况下的使用要求，并在抗氧化、抗磨损方面具有出色表现。在国VI发动机技术提升对油品抗氧化和抗磨损提出更苛刻挑战的情况下，SP/GF-6A 5W-30发动机油仍然在抗氧化和抗磨损性能方面表现出了优异性能，能够满足五菱现有主流国VI发动机平台的使用需求。