T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油机油》团体标准解读

石顺友,林东丰,赵艳丽,潘正华

(中国石化润滑油有限公司华南分公司,广东 广州 510620)

0 引言

随着全球汽车产销量的快速增长、石化能源的逐渐枯竭和环境问题的日益突出,节省能源和降低排放是世界汽车行业面临的重大挑战,世界各国都不断出台日益严格的环保法规和燃油经济性法规[1]。为应对日益严苛的环保法规和燃油经济性法规要求,各大汽车OEM(原始设备制造商)相继推出应用大量新技术的新型发动机,以满足相应法规要求。应用新技术的新型发动机对润滑油提出了更高的要求,特别是随着汽油直喷涡轮增压发动机的不断普及,对发动机油提出了抗低速早燃(Low Speed Pre-Ignition,LSPI)的性能要求[2-4]。然而,我国现行的汽油机油国家标准发布于2006年,且只包含SL/GF-3级别及以下级别的油品规格[5],严重滞后于美国石油协会(American Petroleum Institute,API)、欧洲汽车制造商协会(ACEA)和日本汽车标准组织 (Japan Automobile Standards Organization, JASO)等国外汽油机油标准,无法满足我国现代新型发动机以及庞大汽车后市场的需求。

为满足我国汽车原始设备生产商(OEM)和庞大终端市场的实际需求,并规范我国润滑油生产企业对SP、GF-6规格油品的质量控制,由中国汽车工程学会发起,并联合汽车OEM、润滑油和添加剂等生产厂商,历经近2年时间,于2021年8月26日成功推出T/CSAE221-2021《SP、GF-6汽油机油》中国汽车工程学会团体标准。该标准是在API SP/ILSAC GF-6规格基础上,紧密结合我国国内汽车OEM的用油需求,吸取API等油品规格开发的成功经验,在油品性能指标中特别增加了我国自主开发的低速早燃台架评定试验,即分别采用江淮1.5 T涡轮增压缸内汽油直喷发动机(TGDI)发动机和长城1.3 TGDI发动机自主建立的评价汽油机油抑制低速早燃性能台架试验。该标准的成功推出以及自主低速早燃台架评定试验的成功应用,为我国建立自主汽油机油规格标准奠定了坚实基础。

文章对T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油机油》中国汽车工程学会团体标准的内容进行解读。作为相关工作人员在使用此标准时的参考,助力该标准的推广应用和实施。

1 适用范围及分类标记

1.1 适用范围

T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油机油》中国汽车工程学会团体标准规定了以精制矿物油、合成油或精制矿物油与合成油的混合油为基础油,加入多种功能添加剂调制而成的SP汽油机油和具有节能效果的GF-6汽油机油的技术要求、试验方法、检验规则及标识、包装、贮存及交货验收要求。该标准适用于在汽车四冲程汽油发动机,如轿车、轻型卡车、货车和客车发动机等。

1.2 分类标记

T/CSAE 221-2021团体标准包括SP、GF-6A和GF-6B 3个油品规格分类。其中,SP汽油机油包含0W-16、0W-20和0W-30等17个黏度等级产品;GF-6A汽油机油包含0W-20、0W-30、5W-20、5W-30和10W-30 5个黏度等级产品;而GF-6B汽油机油仅仅包含0W-16 1个黏度等级产品。因此,本标准基本覆盖了汽油机油所有可能的应用要求。执行T/CSAE 221-2021的产品标记为:质量等级+黏度等级+产品名称+标准号,如GF-6A 5W-30汽油机油T/CSAE 221-2021。

2 技术要求及试验方法

T/CSAE 221-2021团体标准主要通过对油品的黏温性能、理化性能和使用性能来评价和规范SP、GF-6汽油机油的性能,保证SP、GF-6汽油机油的产品质量稳定,同时明确各个指标的试验方法。

2.1 黏温性能要求和试验方法

T/CSAE 221-2021团体标准中油品的低温动力黏度、低温泵送黏度、运动黏度、高温高剪切黏度等4个基本的理化性能指标参考SAE J300-2015和GB/T 14906-2018标准制定,而倾点则参考GB 11121-2006制定。SP、GF-6汽油机油的黏温性能要求和试验方法[6],如表1所示。

表1 SP、GF-6汽油机油的黏温性能要求和试验方法

2.2 理化性能要求和试验方法

T/CSAE 221-2021团体标准对油品的理化性能要求主要规定了SP、GF-6汽油机油的蒸发损失、闪点、泡沫性、高温抗泡性、过滤性、水分、混溶性和均匀性、碱值、硫酸盐灰分、机械杂质和橡胶相容性以及硫、磷、氮等元素含量。SP、GF-6汽油机油的理化性能要求和试验方法[6],如表2所示。

表2 SP、GF-6汽油机油的理化性能要求和试验方法

表2(续)

2.3 使用性能要求和试验方法

T/CSAE 221-2021《SP、GF-6汽油机油》团体标准主要通过规定SP、GF-6汽油机油需要通过的台架评定试验(包括剪切安定性、锈蚀试验、抗氧化性能、抗磨性能和抗低速早燃性能等)来规范油品的性能。SP、GF-6汽油机油的使用性能要求和试验方法[6]如表3所示。

表3 SP、GF-6汽油机油使用性能要求和试验方法

3 SP、GF-6汽油机油的性能特点

T/CSAE 221-2021团体标准关注油品的理化性能和发动机耐久性,理化性能如蒸发损失、泡沫性、元素含量、水分、机械杂质和橡胶相容性等,发动机耐久性如抗氧化性能、发动机清净性能、油泥控制、磨损保护、腐蚀保护、燃油经济性和LSPI保护等。T/CSAE 221-2021团体标准引入自主台架评定抑制LSPI性能是本标准的创新点,也是最大的亮点,填补了国内空白。本文先对油品的抗低速早燃性能进行解析,然后再对理化性能和发动机耐久性进行解析,供读者参考。

3.1 抗低速早燃性能

低速早燃现象(LSPI)是增压直喷汽油机在低速大负荷工况区产生的一种偶发性、间歇性的非正常燃烧现象。低速早燃的发生会对发动机结构和运动部件造成严重损坏[7-8]。因此,基于低速早燃严重的危害性和破坏性,国内OEM在油品使用时都需要对油品的低速早燃性能进行单独测试。为更好地适应我国小排量直喷涡轮增压汽油发动机对汽油机油抗低速早燃性能的评价需求,T/CSAE 221-2021团体标准除要求采用程序Ⅸ发动机试验评价SP、GF-6汽油机油的抗低速早燃性能之外,同时还要求采用我国自主技术中的典型直喷汽油发动机来评价SP、GF-6汽油机油的抗低速早燃性能,以满足国内汽车OEM在油品准入验证时对低速早燃的评价需求。

3.1.1 程序Ⅸ台架试验

程序Ⅸ台架试验采用福特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[9]。T/CSAE 221-2021团体标准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不大于5次,每个循环发生次数不大于8次。

3.1.2 汽油机油低速早燃性能试验[10]

T/CSAE 221-2021团体标准要求采用长城1.3 TGDI发动机或江淮1.5 TGDI发动机自主建立的台架试验评价汽油机油抑制低速早燃的性能,试验方法名称为T/CSAE 182《汽油机油低速早燃性能测试方法》,该台架试验方法填补了我国润滑油台架评价技术领域空白,推动了我国润滑油台架评价体系的自主研发。

(1)试验概况。汽油机油低速早燃(LSPI)性能测试方法开发主要包括工况筛选、发动机清洗流程、测试流程以及数据处理和结果判定四部分(试验流程如图1所示)。不同发动机出现LSPI现象的工况不同,通过必要的试验设计筛选出合理的测试工况,是开发机油LSPI性能评测方法的关键。为降低前序试验的影响,需使用待测机油对测试发动机进行多次机油冲洗,每一次必须更换新的机油和机滤;测试试验连续4次,每一次需对发动机的状态评估,确认正常后运转测试工况,采集并记录关键参数;通过统计学方法分析特征参数,判断和识别低速早燃事件(PE),将四次结果计算平均值,求得低速早燃事件发生次数(PEPNC)。

(2)试验条件。T/CSAE 182《汽油机油低速早燃性能测试方法》对试验的实验室环境、试验样机、传感器位置和误差、试验仪器和设备、试验用燃料油以及试验程序都进行了明确规定和说明,试验流程如图1所示。

图1 试验流程

3.1.3 T/CSAE 182与程序Ⅸ台架试验的主要差异

T/CSAE 221-2021团体标准要求同时通过程序Ⅸ低速早燃台架测试和基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试或基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试。程序Ⅸ台架试验与T/CSAE 182的主要差异如下:(1)发动机技术不同:程序Ⅸ低速早燃台架测试采用福特2.0 L Ecoboost发动机,代表北美汽油机技术,而T/CSAE 182采用长城1.3 TGDI发动机或江淮1.5 TGDI发动机,分别由长城汽车和江淮汽车公司自主开发的发动机技术。(2)发动机最高爆发力不同:福特2.0 L Ecoboost发动机最高爆发压力为4 MPa,而江淮1.5 TGDI发动机、长城1.3 TGDI发动机的最高爆发压力为7 MPa,最高爆发压力高于2.0 L Ecoboost发动机。此外,国内小排量的直喷增压发动机的升功率、升扭矩、热负荷、功率密度高于福特2.0 L Ecoboost发动机,导致国内小排量的直喷增压发动机低速早燃发生的频次更多,破坏性更大。因此,出于安全性考虑,一般国内OEM在使用油品时或进行油品准入时,都要对油品的低速早燃性能进行单独测试。

3.1.4 基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试

长城1.3 TGDI发动机采用TGDI、DVVT、液压挺柱和静音链正时系统等发动机技术,长城1.3 TGDI发动机的技术参数如表4所示。

表4 长城1.3 TGDI发动机技术参数

基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试试验,在发动机冲洗、机油适应性程序后进行循环测试。循环测试条件为(1500±20) r/min、(190±5) N·m,进行共95000次的燃烧循环测试,约125 min。每一完整测试,需获得4次有效测试循环数据。依次对测试循环的有效性进行判断,废弃不合格测试循环数据,并重新测试1次,直至获得4组合格的测试循环数据或累计做满8次测试。基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试试验的测试工况及边界控制条件如表5所示,测试流程如图2所示。

表5 测试工况及边界条件控制

表5(续)

图2 基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试流程

基于长城1.3 TGDI发动机的机油LSPI性能测试时,T/CSAE 221-2021团体标准要求发动机油在测试过程中的早燃次数不大于10次。

3.1.5 基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试

江淮1.5 TGDI发动机采用正时链条、缸内直喷等主流发动机技术,发动机技术参数如表6所示。

表6 江淮1.5 TGDI发动机技术参数

基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试,按照一定的试验条件,经过发动机冲洗、升温过程后开始正式试验。正式测试在(1500±10) r/min、(240±10) N·m的条件下,按照试验控制条件(如表7所示),发动机运行2 h,期间采集至少90000次的燃烧循环数据。基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试的测试流程如图3所示。

表7 正式试验控制条件

图3 基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试流程

基于江淮1.5 TGDI发动机的机油LSPI性能测试时,T/CSAE 221-2021团体标准要求发动机油在测试过程中的早燃次数不大于5次。

3.2 理化性能要求

3.2.1 蒸发损失

蒸发损失是反映发动机油质量的一项重要指标,直接影响发动机油的性能和使用寿命。一般情况下,使用超低黏度发动机油主要有发动机磨损加剧和机油油耗增加两个方面的风险,且机油油耗增加是因更大的油品蒸发导致。因此,T/CSAE 221-2021团体标准对油品的蒸发损失进行了严格要求,要求油品的蒸发损失不大于15.0%(NOACK法)。

3.2.2 闪点

闪点是反映油品安全性的重要指标,对于油品生产、运输、储存、使用过程的安全具有重要意义,一般情况下,润滑油的最高工作温度应比其闪点低20～30 ℃[11]。T/CSAE 221-2021团体标准要求0W和5W多级油的闪点不低于200 ℃,10W多级油的闪点不低于205 ℃,15W和20W多级油的闪点不低于215 ℃。

3.2.3 机械杂质

机械杂质是反映油品调合工艺纯净程度的重要指标。通常,基础油的机械杂质都控制在0.005%以下(被认为是无机械杂质),加添加剂后的产品油机械杂质一般增大。T/CSAE 221-2021要求油品的机械杂质不大于0.01%。

3.2.4 硫酸盐灰分

硫酸盐灰分是指试样用硫酸处理后被灼烧碳化所剩的残渣,是一种无机物。对汽油机油来说,硫酸盐灰分反映金属清净剂等添加剂的加入量,硫酸盐灰分含量过高会影响汽油发动机颗粒捕集器的使用寿命。发动机油的产品配方不同,硫酸盐灰分也不一致。但由于油品配方一旦定型,一般不能随意改动,因此,T/CSAE 221-2021的硫酸盐灰分指标要求为“报告”。

3.2.5 元素含量

T/CSAE 221-2021对油品的硫、磷和氮元素含量进行了要求。油品中的硫、磷含量过高会造成汽油发动机后处理系统中的催化剂中毒,缩短后处理系统的使用寿命,因此,T/CSAE 221-2021对油品的硫、磷元素进行严格控制,指标要求与API SP/ILSAC GF-6一致,为“报告”。氮元素主要来源于油品中的分散剂,可反映油品中分散剂的加入量。但由于油品配方一旦定型,一般不能随意改动,因此,T/CSAE 221-2021的氮含量指标要求为“报告”。

3.2.6 泡沫性

泡沫特性是指油品生成泡沫的倾向性和泡沫的稳定性,反映油品在有空气进入的情况下消泡能力的强弱。发动机油在实际使用过程中,由于受震动、搅动、晃动等作用,使得空气混入发动机油中,以致形成气泡而使其流动性变差,甚至会形成气阻、破坏油膜的形成等,造成润滑变差。因此,T/CSAE 221-2021对油品的泡沫特性以及高温抗泡性能提出严格要求,指标要求与API SP/ILSAC GF-6的一致。

3.2.7 水分

油品中水分的存在对油品性能有较大影响,会促使油品加速氧化变质,破坏油膜的形成,加速有机酸对金属的腐蚀,使添加剂产生水解而失效等,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迹,即不大于0.03%。

3.2.8 橡胶相容性

橡胶相容性是发动机油的重要性能之一,在发动机运转过程中,发动机油会与橡胶密封件发生接触,两者的长时间接触可能会导致橡胶件的性能下降乃至失效;也会导致发动机油的颜色变深和性能下降。满足T/CSAE 221-2021的油品要求通过ASTM D7216 A2橡胶相容性试验,通过指标与API SP/ILSAC GF-6的一致。

3.3 发动机耐久性

T/CSAE 221-2021团体标准基于API SP和ILSAC GF-6标准开发,对于标准中SP、GF-6汽油机油的大部分发动机耐久性试验要求均等同采用了API SP和ILSAC GF-6中的技术指标。

3.3.1 低温清净分散性能

T/CSAE 221-2021团体标准采用程序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。程序ⅤH试验采用福特4.6 L排量Ⅴ型8缸汽油发动机。

试验使用无铅汽油为燃料,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[12]。

试验结束后,通过拆解发动机,对油底壳和摇臂罩等部件进行油泥评分,对发动机和活塞裙部进行漆膜评分,并对机油滤网和活塞油环堵塞以及机油滤网残渣和冷、热黏环进行评价。T/CSAE 221-2021团体标准中,SP、GF-6汽油机油的通过标准为发动机油油泥平均评分不小于7.6,摇臂罩油泥平均评分不小于7.7,发动机漆膜平均评分不小于8.6,活塞裙部均评分不小于7.6,压缩环无热黏环。

3.3.2 高温抗氧化和清净分散性

T/CSAE 221-2021团体标准要求通过程序ⅢH台架试验评定SP、GF-6汽油机油的抗高温氧化、增稠、油泥以及漆膜沉积和抗磨损能力。试验采用克莱斯勒公司的Chrysler Pentastar 3.6 L排量Ⅴ型6缸汽油机,发动机压缩比为10.2∶1,试验条件[13]如表8所示。

表8 程序ⅢH的试验条件

发动机在3900 r/min转速和机油温度150 ℃的工况下运转90 h,每20 h停机检查机油液位并采集油样,分析每个油样的40 ℃的运动黏度并计算黏度增长率。试验结束后,拆解发动机,对活塞沉积物进行评分。T/CSAE 221-2021团体标准中,SP、GF-6汽油机油的通过指标为40 ℃的运动黏度增长率不大于100%,活塞沉积物评分不小于4.2,无活塞环热黏环。

3.3.3 阀系磨损保护性能

为考察汽车发动机在怠速工况下,发动机油防止发动机阀系部件尤其是凸轮的磨损,T/CSAE 221-2021团体标准要求通过程序ⅣB试验来评价SP、GF-6汽油机油的阀系磨损保护性能。程序ⅣB试验采用的是2010 Toyota 2NRFE水冷、四冲程、直列、1.5 L排量的发动机,试验条件[14]如表9所示。

表9 程序ⅣB的试验条件

试验结束后,通过3D拍照的方法测量气门挺杆磨损,同时测试试验完成后油样中的磨损元素铁的含量。T/CSAE 221-2021团体标准中,SP、GF-6汽油机油的通过指标为进气门平均磨损不超过2.7 mm3,铁含量不大于400 μg/g。

3.3.4 燃油经济性

T/CSAE 221-2021团体标准中,对GF-6汽油机油有燃油经济性要求,其中ILSAC GF-6A级别油品要采用采用程序ⅥE台架试验评定油品的燃油经济性,而对于GF-6B级别油品要求采用程序ⅥF台架试验来评定发动机油的燃油经济性,试验发动机以及通过指标情况如表10所示。

表10 燃油经济性台架试验要求

表10(续)

3.3.5 正时链条磨损保护

针对涡轮增压直喷汽油机(GTDI)在实际使用中出现的正时链条磨损问题,T/CSAE 221-2021要求采用程序Ⅹ台架试验评定SP、GF-6汽油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。试验条件[15]如表11所示。

表11 程序Ⅹ试验条件

T/CSAE 221-2021要求试验机油在试验结束后,测试发动机正时链条增长不大于0.085%,以控制油品质量,从而有效控制正时链条的磨损,进而保护发动机。

4 结束语

T/CSAE 221-2021通过对SP、GF-6汽油机油的黏温性能、理化性能和发动机耐久性的严格规定,有效规范SP、GF-6汽油机油的油品性能,保障SP、GF-6汽油机油的产品质量稳定。T/CSAE 221-2021团队标准的发布,填补我国汽油机油国家标准在SP、GF-6汽油机油标准上的空白,对我国汽车OEM和终端市场用油具有重要的实际意义。

T/CSAE 221-2021在API SP/ILSAC GF-6的基础上,结合国内OEM用油的实际需求,增加采用自主建立的评定汽油机油抗低速早燃性能的台架实验要求,满足了国内OEM庞大售后市场的用油需求,实现自主开发台架试验的具体应用,对我国自主试验方法的开发具有重要的引领和推动作用。同时也为我国自主汽油机油标准体系的建立奠定坚实基础。