SM與SN汽油機油的乘用車應用研究

黃勝軍，石生靈，王龍，付代良

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

汽油機油的抗磨損和抗氧化性能是其重要性能，通常使用發(fā)動機臺架進行評定。API和ILSAC在2005年推出SM/GF-4汽油機油規(guī)格，2010年又推出SN/GF-5規(guī)格，兩規(guī)格目前均使用程序ⅢG法(ASTM D7320-12)[1]進行抗氧化及抗磨損性能評價，其臺架試驗發(fā)動機采用排量3.8 L的通用V6汽油發(fā)動機，試驗時間100 h，機油溫度150 ℃, SM/GF-4和SN/GF-5規(guī)格的ⅢG臺架評定指標要求40 ℃運動黏度增長均不大于150%，無熱黏環(huán)，凸輪磨損小于60 μm,活塞沉積物評分不小于3.5分和4.0分。根據(jù)評價指標看，SM/GF-4和SN/GF-5規(guī)格在ⅢG臺架上對機油的抗氧化增稠和抗磨損性能的要求是一致的。歐洲ACEA乘用車發(fā)動機油A/B和C規(guī)格的抗氧化增稠試驗采用PSA TU5汽油發(fā)動機臺架(CEC L-88-02)[2]進行評價。通過模擬高速公路行駛工況，在高溫和全速全負荷工況下來評價發(fā)動機油抑制機油黏度增長、活塞環(huán)黏結和活塞漆膜生成的能力。彭茜等[3]進行了長城dexos1 5W-30發(fā)動機油行車試驗研究，采用SRC(標準道路循環(huán))作為行車試驗循環(huán)，汽車按規(guī)定的工況進行道路試驗，此方法主要針對車輛污染物排放測試，測試了30000 km后油品性能變化及油品對排放的影響。包冬梅等[4]進行了昆侖A3/B3 5W-40汽柴油轎車發(fā)動機油的應用研究，按照普通道路耐久試驗規(guī)范，試驗在專用行車試驗場地進行。以上都是針對車輛零部件測試的行車試驗方法，較短時間內達到里程完成測試。本文采用自駕車輛進行汽油機油的應用對比評價，行駛路況為城市道路，行車1～2年時間，歷經(jīng)冬夏，代表城市居民私家車用戶群，具有典型性。對機油運動黏度、酸值、堿值、元素含量等進行比較分析，使用四球機對行車前后油品進行抗磨性能測試，綜合分析合理的換油期。

1 實驗部分

1.1 實驗車輛及發(fā)動機

實驗車輛為上海汽車集團股份有限公司生產(chǎn)的榮威750S自動擋乘用車。車輛參數(shù)如表1所示。

該車輛搭載的發(fā)動機為直列四缸、渦輪增壓、1.8 L全鋁合金汽油發(fā)動機。發(fā)動機主體由七塊鑄鋁件通過螺栓連接而成，包括凸輪軸蓋、凸輪軸架、氣缸蓋、氣缸體、軸承座、機油軌、油底殼。氣缸體內裝有濕式氣缸套，活塞環(huán)表面采用鍍鉻涂層工藝，使之更加抗磨。

發(fā)動機采用進氣增壓技術，功率密度增大，相比自然進氣發(fā)動機，功率提升約20%～30%，機油需要不斷地對廢氣渦輪的滑動軸承進行潤滑和冷卻，機油的熱負荷和機械負荷都大大增加，增壓發(fā)動機對于機油的抗氧化性能和抗磨損性能要求較高。目前美國API及歐洲ACEA規(guī)格中評價汽油機油的標準臺架，如ⅢG、ⅤG、ⅣA、TU3、TU5等均采用自然吸氣發(fā)動機，與當前市場上普遍采用的增壓汽油機技術有一定差距。此外，一些新車采用了啟停技術，雖然節(jié)約了燃油，但相對于目前城市的擁堵路況，頻繁的啟停，對潤滑油抗磨性能要求將提高。試驗車輛發(fā)動機技術參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機技術參數(shù)

1.2 參比油

選擇市售的兩款汽油機油進行應用試驗研究，分別是國產(chǎn)KR8 5W-30和國外某知名品牌汽油機油5W-40(簡稱RFO 5W-40，下同)， KR8 5W-30汽油機油滿足API SM/ILSAC GF-4規(guī)格，RFO 5W-40汽油機油滿足API SN/CF以及ACEA A3/B3、A3/B4規(guī)格。新油樣品理化分析典型值如表3所示。

表3 參比油典型值

表3(續(xù))

1.3 行車方法

行駛路況為北方城市路況，車輛行駛主要為上下班出行。行駛路線穿越市區(qū)，行駛時間多為早晚出行高峰期，路段擁堵，停停開開，是城市私家車比較典型的運行工況。車輛每天使用時間較少，行駛里程較短，但機油使用周期較長，更注重考察機油的抗磨損性能和氧化耐久性能。

應用試驗研究中，每個參比油的應用試驗行駛里程不少于10000 km。試驗過程中不補加機油。汽油使用市售車用乙醇汽油。在行車開始和結束后各采集油樣100 mL，進行運動黏度、酸值、堿值以及Fe、Cu、Zn、P、Si、Al、Na、Cr、Pb、Mo、Ca等元素含量分析，并進行四球機抗磨性能和極壓性能測試，比較機油抗磨性能的變化。兩款汽油機油先后在同一臺車輛上進行試驗研究，RFO 5W-40油應用時間為22個月，行駛里程11546 km，KR8 5W-30油應用時間為12個月，行駛里程10404 km。

參考GB/T 8028-2010 汽油機油換油指標[5]的技術要求，對比主要換油指標，分析合理的換油期。其指標中最高級別為SL/GF-3，目前國內汽油機油換油指標標準中還沒有針對SM、SN級別油品的換油指標要求。GB/T 8028-2010汽油機油主要換油指標如表4所示。

表4 GB/T 8028-2010 汽油機油主要換油指標

表4(續(xù))

2 結果與討論

2.1 運動黏度變化

按照ASTM D7042法對新舊油樣品進行40 ℃和100 ℃運動黏度測定，考察運動黏度變化情況。運動黏度是反映潤滑油內在質量的重要指標。運動黏度變化可以反映出油品的氧化衰變程度，機油在發(fā)動機工作過程中受到高溫與機械剪切作用，并與空氣、燃油及其不完全燃燒產(chǎn)物、水汽、灰塵等接觸，使油品物理化學性質不斷發(fā)生變化，導致黏度指數(shù)改進劑等高分子聚合物的剪切降解及其他添加劑的熱分解等。高溫氧化可使運動黏度增長，機械剪切可導致運動黏度降低。

兩油100 ℃運動黏度變化如表5所示。兩舊油均能滿足原黏度等級要求，100 ℃運動黏度變化在±20%以內，RFO 5W-40油運動黏度呈增長趨勢，其40 ℃和100 ℃運動黏度增長為19.6%和3.7%，低溫時機油黏度增長率較明顯。KR8 5W-30油運動黏度呈下降趨勢，40 ℃和100 ℃運動黏度變化分別為-10.1%和-9.8%，受機械剪切作用影響較大。

表5 參比油運動黏度變化

2.2 酸值變化

使用GB/T 4945法對油樣進行酸值測試。酸值變化趨勢可表征油品氧化衰變的程度，油品在高溫工況時，基礎油與空氣接觸發(fā)生氧化反應生成有機酸，油中的酸性物質會對系統(tǒng)中含Cu、Fe、Al等金屬部件產(chǎn)生腐蝕作用，生成的金屬鹽類物質是氧化反應的催化劑，會加速油品的老化[6]。設備中的在用潤滑油，即使設備不運行，油品也會隨時間延長而出現(xiàn)顏色變深，油泥沉積等氧化衰變現(xiàn)象。試驗車輛每天運行不到2 h，大部分時間處于靜止狀態(tài)，行駛里程較少但機油應用時間較長，RFO 5W-40油的使用時間接近2年，油品發(fā)生氧化衰變，體現(xiàn)在酸值增加較大。由表6可知，KR8 5W-30和RFO 5W-40舊油酸值分別為4.53 mgKOH/g和5.49 mgKOH/g，對比新油酸值增幅較大，分別增加2.64 mgKOH/g和4.2 mgKOH/g。按照GB/T 8028-2010汽油機油換油指標要求，酸值增加值大于2.0 mgKOH/g建議換油。

表6 參比油酸值變化

2.3 堿值變化

使用SH/T 0688法對油樣進行總堿值(TBN)測試?？倝A值是測定潤滑油中有效添加劑成分的一個指標，表示內燃機油的清凈性與中和能力。堿值的下降直接反映了油品中添加劑有效組分的消耗和使用性能的下降。

由表7可知，兩油堿值下降較大，KR8 5W-30和RFO 5W-40舊油堿值分別為0.7 mgKOH/g和1.6 mgKOH/g。油中堿性添加劑中和機油氧化產(chǎn)生的酸性物質，使總堿值下降。根據(jù)剩余堿值判斷，行駛里程達到10000 km后，兩油已缺乏有效中和酸性物質的能力，機油的清凈性下降，活塞沉積物增加，將會導致氣缸套產(chǎn)生異常磨損。車輛的換油周期通常以里程數(shù)計算，但私家車運行里程相對較少，機油使用時間較長，行車試驗車輛運行10000 km需1～2年，對于機油的抗氧化及堿保持性需充分重視，建議機油使用時間不超出1年。

KR8 5W-30和RFO 5W-40油在里程達到10000 km后堿值衰變都較大，分別為90.7%和83.8%。在內燃機油使用中，通常堿值下降50%就應更換機油，GB/T 8028-2010 SL汽油機油換油指標建議堿值-酸值小于0.5 mgKOH/g更換機油。兩參比油行車后油樣堿值-酸值的指標均已超出此限值。對應用于廢氣增壓發(fā)動機的汽油機油，需要較好的堿保持性和清凈性，以減少活塞環(huán)槽及增壓器軸承等高溫部位沉積物生成。行車試驗需在不同車輛、不同類型發(fā)動機上進行使用研究。

表7 參比油堿值變化

2.4 元素含量分析

按照GB/T 17476法對油樣進行元素含量分析，考察油品性能及添加劑有效組分變化情況，測試元素包括Fe、Cu、Zn、P、Si、Al、Na、Cr、Pb、Mo、Ca等，其中Fe、Cu、Al、 Cr、 Pb等可表征發(fā)動機磨損情況，Zn、P、Mo、Ca為添加劑成分，Na主要來源于發(fā)動機冷卻液，Si元素增加主要為外來物質污染，如灰塵、冷卻液等。Cr為活塞環(huán)表面渡鉻涂層主要成分，Cu、Pb、Al主要為軸瓦合金材質成分，Al也是活塞及機體材質成分。KR8 5W-30和RFO 5W-40舊油元素含量如表8所示，對比新油數(shù)據(jù)可知，Si小于指標30 mg/kg，Cu、Cr、Pb含量極低，與新油相比無明顯變化。Al含量較低，F(xiàn)e含量分別為14 mg/kg和21 mg/kg，磨損較小，均在正常范圍。通過各元素含量對比知，機油潤滑與抗磨性能良好，發(fā)動機摩擦副未出現(xiàn)異常磨損，運行狀態(tài)良好。舊油中的Mo、Zn、P、Ca等元素含量有所降低，屬于添加劑正常消耗。

表8 舊油元素含量

2.5 四球試驗結果

對新油和舊油在四球極壓試驗機上測試承載能力，比較機油抗磨性能變化。按照GB/T 3142法和SH/T 0189-1992法分別進行承載能力和抗磨性能測試。測試項目包括最大無卡咬負荷PB值，燒結負荷PD值以及長時磨損的磨斑直徑D。PB值指在實驗條件下不發(fā)生卡咬的最高負荷，代表油膜強度。PD值指在實驗條件下使鋼球發(fā)生燒結的最低負荷，代表潤滑油的極限工作能力。長時磨損是指四球在392 N加載力下，轉速1200 r/min，運行60 min后，通過測量球體的磨斑直徑來評價機油的抗磨損性能。實驗結果如表9所示。

表9 四球試驗結果

通過表9可知，兩款汽油機油的舊油較新油的抗磨性能都有所下降，主要表現(xiàn)在磨斑直徑增大，PB值有所降低，兩油的新舊油PD值均未降低，表示極壓性能保持穩(wěn)定。通過四球結果和金屬元素含量綜合比較可知，兩油的抗磨性能較好。

2.6 合理換油期分析

對照GB/T 8028-2010汽油機油換油指標的要求，行車10000 km后的兩油樣在100 ℃運動黏度變化、元素含量等參數(shù)均未達到換油指標，但兩油堿值-酸值數(shù)值均為負值，已小于0.5 mgKOH/g限值要求。由于油品的堿值下降和酸值增加較大，已超過油品酸、堿值交叉點，并且通過新舊油的四球試驗結果分析，行駛10000 km后兩油的抗磨性能都有所降低，為更好地保護發(fā)動機，建議換油期為行駛里程10000 km或使用時間1年以內。

3 結論

(1)使用自駕車輛進行了國產(chǎn)KR8 SM/GF-4 5W-30和國外某品牌 SN/CF 5W-40汽油機油的應用對比研究，行駛里程達到10000 km以上，機油100 ℃運動黏度變化在±20%以內， Fe、Cu、Cr、Pb、Al元素含量均較小，低于汽油機油換油指標值，兩參比油性能相當。

(2)使用四球機對行車前后的油品進行抗磨和極壓性能測試，行駛10000 km后油品的抗磨性能雖然有所下降，但極壓性能保持穩(wěn)定。綜合元素含量分析，兩機油的抗磨性能比較突出，對發(fā)動機具有較好的抗磨損保護，適用于采用增壓和啟停技術的車輛。

(3)參比油使用1～2年，車輛行駛10000 km后，兩機油的堿值-酸值均已小于0.5 mgKOH/g，堿值變化率為90.7%和83.8%，表明堿性添加劑消耗較大，這將不利于機油中酸性物質中和以及活塞沉積物控制。對于乘用車單獨按里程或按時間換油都不可取，綜合分析，兩款汽油機油換油期建議行駛里程不超出10000 km，使用時間不超過1年。

(4)機油需要在不同車輛、不同類型的發(fā)動機上進行各種工況的使用研究。無論油品規(guī)格和臺架評定技術如何發(fā)展，乘用車作為汽油機油應用對象，行車應用是評價油品性能最直接、有效的方法，需緊跟發(fā)動機技術發(fā)展，不斷改進油品各方面的性能，以更好地滿足車輛使用需求。