煤基SN级5W-30汽油机油行车试验研究*

田育成 韩 伟，2 杜宗罡 冯 弦 赵利华

(1.西安航天动力试验技术研究所 陕西西安 710100；2.西安航洁化工科技有限责任公司 陕西西安 710100)

车用润滑油可减少发动机零部件磨损，带走行车过程中产生的热量，且可以清洁发动机，延长其使用寿命，是汽车发动机的重要组成部分之一[1-4]。随着我国城镇化和城市基础设施建设的快速发展，汽车的需求量持续增长，车用润滑油需求量随之进一步增大[5-6]。

目前，我国润滑油市场仍然保持髙速增长的势头，但润滑油的高质量发展较缓慢。根据美国石油学会(API)质量分类标准，虽然我国轿车使用的发动机油级别达到SM和SN级，但许多轿车润滑油更换周期仍然设定为5 000 km，这与国外油品存在一定差距[7]。行车试验是综合评价汽油机油性能的关键方法之一，可为轿车换油周期提供数据依据[8-12]。因此，国内学者以不同种类基础油为原料的润滑油车用润滑油进行了大量的研究。王庆瑞等[9]在丰田普瑞维亚轿车上对自主研发的SN/GF-5 5W-30生物基汽油机油进行5 000和10 000 km的行车试验。结果表明，SN/GF-5 5W-30生物基汽油机油的各项指标均满足车辆的使用要求，换油期可达10 000 km。黄胜军等[10]在上汽荣威750轿车上对石油基SM/GF-4 5W-30汽油机油进行不少于10 000 km的行车试验，并与某国外知名品牌参比油SN/GF 5W-40汽油机油进行对比。结果表明，在10 000 km后两机油中的金属元素含量比较小，碱值和酸值变化明显，抗磨性能有所降低，但极压性能稳定。谭海港等[11]在北京现代的SONATA车型上对长城SJ 5W-30汽油机油进行了20 000 km的行车试验，并与A品牌SJ 5W-30汽油机油进行对比。结果表明，长城SJ 5W-30汽油机油与北京现代的SONATA车型有良好的适用性。韦夏等人[12]在“五菱之光”上对长城牌SM/GF-4 5W-30汽油机油进行首次15 000 km，并且每隔10 000 km更换新油，总计80 000 km的行车试验。结果表明，SM/GF-4 5W-30汽油机油具有良好的氧化安定性和抗磨性能，满足“五菱之光”的使用要求，换油周期可达10 000 km。

润滑油组成中基础油的选择是影响润滑油品质的关键因素。以上研究的基础油主要来源为矿物(API Ⅱ类、Ⅲ类基础油)、石油基和生物质，然而根据API和ILSAC(国际润滑剂标准化认证委员会)制定的汽机油标准SN/GF-5，对润滑油基础油的要求更高，API Ⅱ类、Ⅲ类基础油属于不可再生资源，且Ⅱ类基础油难以满足高品质润滑油的要求。同时，石油对外依存度较高，而生物质基础油合成润滑油技术不成熟。因此，迫切需要寻找替代的、满足高等级润滑油的基础油来源。

随着我国煤化工产业的不断发展，结合我国能源结构，煤制油产业蓬勃发展。煤基基础油作为润滑油基础油具有组成单一，不含芳烃、几乎不含硫，饱和烃质量分数超过99%的优势。另外还具有高的黏度指数，较好的低温性能和更高的清洁环保性[13]。目前，西安航天动力试验技术研究所已成功研制出理化性能均满足SN级5W-30汽油机油标准要求，具有良好的低温启动性能和抗机械磨损性能的煤基汽油机油[14-16]。因此，为进一步综合评价自研煤基汽油机油实际使用性能，选择具有代表性、对汽油机油品质要求更高的带有涡轮增压的大众品牌轿车，对自研煤基汽油机油和市售某品牌同级别汽油机油进行10 000 km行车试验。并依据GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》对不同行驶里程下的汽油机油进行取样检测和对比分析。

1 实验过程

1.1 原料及试验车辆参数

行车试验用油为SN级5W-30煤基汽油机油，来源为西安航天动力试验技术研究所自研。市售汽油机油为某知名品牌公司生产，已应用于各种车辆。主要理化指标见表1。

由表1可知，自研的煤基SN级汽油机油各项理化参数均满足指标要求，且低温性能较优异。与市售汽油机油各项理化参数相比，煤基汽油机油的倾点和低温动力黏度更低，高温高剪切黏度更高，其他理化参数相当。说明煤基汽油机油表现出更优异的低温启动性能和抗机械磨损性能。

由于新车发动机未经磨损，为保证试验结果的准确性和可靠性，实验车辆采用10年前(2012年)上海大众汽车集团股份有限公司生产的帕萨特六挡手自一体高级轿车。车辆参数如表2所示。

表2 试验车辆参数

该车辆搭载的发动机为直列四缸、涡轮增压、1.8 L缸内直喷式供油的汽油发动机。发动机缸盖采用铝合金材料，缸体采用铸铁材料。采用涡轮增压的方式提高发动机输出功率和扭矩，这就意味着发动机会在高温、高转速条件下工作，发动机的内部零部件需承受较高的温度、更大的撞击、挤压和剪切力。因此对润滑油提出了更高的要求，需抗磨损性能好、耐高温，且油膜强度高和稳定性好。

1.2 行车试验

为了综合评价2种汽油机油的性能，行车试验由同一驾驶员完成。路况选定为固定上下班路段的城市和乡村相结合的复杂路况，且忽略环境温度影响。

在同一台车辆先后开展对煤基汽油机油和市售汽油机油的行车试验，具体步骤如下：

(1)在进行行车试验前更换机油滤清器、燃油滤清器和空气滤清器，将原装油放出。

(2)将试验用油加入发动机曲轴箱至标尺上限附近，并清洗3次，发动机热运行30 min，放出试验用油，再加入新的汽油机油至机油标尺上限附近。

(3)在复杂的路况上进行行车试验，每隔1 000 km左右取样检测，取样量为70～100 mL，并且补充等量的新油，当行驶里程至10 000 km左右时，行车试验结束，检测分析旧油。

在对2种汽油机油进行行车试验前，均将原装油放出并添加新的试验油，且更换了3种滤清器，因此2种试验用机油在同一台车辆开展行车试验的先后顺序对试验结果影响较小。

1.3 试验油取样分析

试验油换油指标主要依据国家标准GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》的技术要求，具体指标要求如表3所示。

表3 汽油机油换油指标技术要求和试验方法

2 结果与讨论

2.1 润滑性能

润滑油的润滑性能主要通过运动黏度来衡量。汽车发动机在运转时，一方面，润滑油高温氧化和轻组分挥发生成油泥、胶质和焦炭等杂质，导致其黏度增加。另一方面，润滑油受燃油稀释和剪切作用，导致其黏度减小。因此，通过对润滑油在行车试验过程中的运动黏度变化率监控及分析，可反映润滑油的流动性变化情况[9]。2种汽油机油在行车试验过程中的运动黏度变化率如图1所示。

图1 不同里程下2种汽油机油100 ℃运动黏度变化率

由图1可知，在10 000 km行车试验中，2种汽油机油的黏度变化率较小，均在±7%以内，远小于指标值±20%，说明2种汽油机油均具有较好的润滑性能。自研煤基汽油机油和市售汽油机油在5 000 km行车试验里程内黏度逐渐降低，在5 000～10 000 km行车试验中2种汽油机油运动黏度先增加后减少。这是因为在5 000 km行车试验里程内，由于发动机本身存在的油泥、积碳等杂质，在燃油稀释和润滑油黏度指数改进剂的作用下，使汽油机油的黏度降低。随着行车里程逐渐增加，油泥和积碳等杂质增加，汽油机油黏度逐渐增加。行驶里程在6 000 km左右至试验结束，随着体系逐渐稳定，在润滑油的剪切作用下，油品黏度逐渐下降。综合分析，2种油品的运动黏度较稳定，抗氧化和抗剪切能力较优，满足发动机的使用要求。

2.2 抗氧化性能

润滑油的抗氧化性能主要由正戊烷不溶物来衡量，此外还可一定程度上说明清净分散性能的优劣。2种汽油机油在行车试验过程中的正戊烷不溶物含量如图2所示。

图2 不同里程下2种汽油机油正戊烷不溶物质量分数变化

由图2可知，在10 000 km行车试验中，2种汽油机油的正戊烷不溶物含量均较小，低于换油指标值1.5%(质量分数)。说明2种汽油机油在行车试验中生成的油泥、胶质和积碳等杂质较少，具有较好抗氧化性能和清净分散性能。此外，自研煤基汽油机油与市售汽油机油正戊烷质量分数仅相差0.02%，说明自研煤基汽油机油与市售汽油机油的抗氧化性能和清净分散性能相当，满足发动机的使用要求。

2.3 抗磨损性能

润滑油的抗磨损性能主要通过监测发动机油中元素含量变化进行评价。其中Fe主要反映活塞环、衬垫及一般部位的磨损，Cu和Al主要为轴瓦合金材质成分，同时Al也是活塞及机体材质成分。2种汽油机油在行车试验中的元素质量分数变化如图3、4所示。

图3 不同里程下市售汽油机油元素含量增长值变化

图4 不同里程下自研煤基汽油机油元素含量增长值变化

由图3、4可知，在10 000 km行车试验中，2种汽油机油的铁含量均增加，但增加量较小，远低于70 μg/g的换油指标，且自研煤基汽油机油的铁含量增加较少。说明自研煤基汽油机油与市售同级别汽油机油相比，具有更优异的润滑性能，且自研煤基汽油机油对活塞环、衬垫及一般部位润滑效果更好。这是因为自研煤基汽油机油具有更高的高温高剪切黏度，因而表现出更优异的抗磨损性能，能更有效降低发动机的磨损。此外，铜和铝含量均无明显增加，综合说明自研煤基汽油机油与市售汽油机油均具有较优异的抗磨损性能，且自研煤基汽油机油的抗磨损性能更优。

2.4 清洁分散性能

润滑油的清洁分散性能主要通过碱值和酸值进行评价。汽车发动机在运转时，一方面，润滑油高温氧化和汽油燃烧均产生酸性物质，引起酸值升高。另一方面，润滑油中的添加剂分解引起酸值降低。因此，通过对润滑油在行车试验过程中酸值增加量和碱值-酸值(碱值与酸值的差值)的监控及分析，可反映润滑油衰变、添加剂消耗和添加剂中和酸性物质的能力。2种汽油机油在行车试验过程中酸值增加量和碱值-酸值的变化如图5、6所示。

图5 不同里程下2种汽油机油酸值增加值变化

由图5可知，在10 000 km行车试验中，2种汽油机油的酸值均逐渐增加，均在指标范围内，且自研煤基汽油机油的酸值增加值较小。说明2种汽油机油的氧化衰变和添加剂消耗较少，且自研煤基汽油机油的氧化衰变和添加剂消耗更少。由图6可知，2种汽油机油的酸值与碱值的差值随行驶里程的增加逐渐减小，在10 000 km时未达换油指标值，碱值均有一定余量，且自研煤基汽油机油的余量较大。说明自研煤基汽油机油与市售同级别汽油机油的添加剂均具有较优异的中和酸的能力，且自研煤基汽油机油中和酸的能力更优异。综合分析，2种汽油机油的清洁分散性能均较优异，满足发动机的使用要求，且自研煤基汽油机油的清洁分散性能更优。

图6 不同里程下2种汽油机油碱值与酸值的差值变化

2.5 外界因素的污染程度

外界因素对润滑油的污染程度主要通过水含量、燃油稀释和闪点进行评价。煤基汽油机油几乎不含水，在行车试验中，润滑油中的水主要来源于油箱呼吸孔吸入和汽油燃烧产生。水会引起润滑油乳化，导致其使用性能下降，并造成发动机部件腐蚀。因此，需对润滑油中的水含量进行监控。水含量分析按标准GB/T 260，换油指标值为>0.2%。

闪点在一定程度上可反映润滑油的馏程，闪点的降低说明机油可能被燃油稀释，并且燃油稀释机油会影响润滑效果，引起活塞环、缸套的磨损加重，甚至导致发动机不能正常工作[16]。而Si主要反映来自空气中灰尘的污染程度，需对其进行监控，并严格控制。

参照标准GB/T 260，测量2种汽油机油在行车试验过程中水分的变化，结果如表4所示。可知，在10 000 km行车试验中，2种汽油机油的水分均为痕量，小于换油指标，说明无较多的水进入油品中影响汽油机油的使用性能。

表4 不同里程下2种汽油机油水分值

图7、8分别示出了2种汽油机油在行车试验过程中硅含量、闪点、燃油稀释的变化。2种汽油机油燃油稀释均增加，但远小于换油指标值，说明仅有较少的燃油通过活塞壁间隙进入汽油机油中，活塞密封性较好。同时，2种汽油机油的燃油稀释变化规律与闪点的变化相吻合，燃油稀释增加，闪点降低。这是因为闪点的降低主要由燃油稀释引起，但闪点均大于换油指标值。另外，硅含量均增加缓慢，远低于指标值，说明2种汽油机油对发动机的密封效果较好，没有明显的外界污染，且发动机工作正常。此外，2种汽油机油的水分均为痕量，小于换油指标，说明无较多的水进入油品中影响汽油机油的使用性能。综合分析，自研煤基汽油机油可达到与市售汽油机油相当的润滑和密封效果，同时也验证了其具有较优异的清洁分散性能。

图7 不同里程下自研汽油机油硅含量、闪点和燃油稀释值变化

图8 不同里程下市售汽油机油硅含量、闪点和燃油稀释值变化

3 结论

(1)10 000 km行车试验表明，市售某知名品牌汽油机油和自研煤基汽油机油的各项理化性能指标均远未达到GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》的技术要求，且在10 000 km时有较大余量，表现出优异的润滑、抗氧化、抗磨损和清洁分散性能。

(2)10 000 km行车试验后，2种汽油机油的运动黏度变化率相差-0.3%、正戊烷不溶物质量分数相差0.02%、燃油稀释相差0.15%和铝含量相差0.3 μg/g。自研煤基汽油机油的各项指标结果均与市售汽油机油相差较小，且自研煤基汽油机油铁含量和酸值增加更小，碱值余量更大，说明自研煤基汽油机油相比市售汽油机油的各项使用性能更好，清洁分散性能和抗磨损性能更优，满足发动机的使用要求。