ILSAC GF-6汽油機油規格解讀及其變化分析

清華大學蘇州汽車研究院（吳江）

ILSAC是國際潤滑劑標準化及認證委員會（International Lubricant Standardization and Approval Committee） 的縮寫，是美國汽車制造商協會（AAMA）和日本汽車制造商協會（JAMA）聯合一些大的潤滑油和添加劑公司共同成立的對潤滑油產品規格進行認證的機構，其認證委托美國石油學會（API）發布[1]。

隨著全球汽車保有量的快速增長、石化能源的逐漸枯竭和環境問題的日益突出[2]，世界汽車行業面臨著未來燃料短缺和現行排放法規加嚴的雙重壓力。在OEM（原始設備制造商）應對油耗法規和排放要求的同時，汽車用戶對汽車性能的期待也越來越高。為迎接挑戰，OEM對發動機硬件和控制系統不斷升級，如發動機小型化、直噴技術、增加渦輪增壓、摩擦優化以及后處理和燃燒技術改進。新技術的應用在提升發動機性能的同時也對潤滑油提出了新的挑戰，進而引發了諸如沉積物加劇、低速早燃、正時鏈條保護等新的問題，因此汽車OEM對潤滑油的性能提出了更高的要求，所有這些變化都需要發動機油提供更加全面、更加充足的硬件保護性能。通過采用更低黏度潤滑油來提升發動機和整車的燃油經濟性也成為行業和最新汽機油規格開發所關注的重點。

為了滿足日趨嚴格的汽車排放和油耗法規，汽車發動機技術不斷發展，渦輪增壓直噴汽油發動機（GTDI）技術因其具有減少排放和降低油耗雙重優勢，已經逐步成為國際汽油發動機技術路線的主流。為應對新技術對潤滑油的需求和挑戰，在國際潤滑劑標準化及認證委員會推動及國際汽車OEM的幫助下，新一代ILSAC GF-6規格開發完成并施行。本文對GF-6汽油機油規格對油品的質量要求進行了介紹，并與GF-5規格進行了對比，分析解讀了新規格質量要求的主要變化及對應臺架試驗的變化和技術特點，展望了GF-6規格對潤滑油行業的影響與挑戰。

2011年11月，ILSAC 首次提出GF-6 規格[3]。歷經八年的開發，包括四個發動機測試方法的更新和三個新測試方法的引入。最終2019年API的潤滑油標準組以信函投票方式批準采用了兩個新的ILSAC GF-6規格：GF-6A和GF-6B，經歷12個月的強制等待期后，2020年5月1日 GF-6產品標識正式允許使用。GF-6A、GF-6B標識分別見圖1、圖2。

ILSAC GF-6規格油品性能要求

目前ILSAC已經制訂了汽油機油的GF－1、GF－2、GF－3、GF－4、GF－5、GF-6六個規格，GF－6規格首次分為GF－6A和GF－6B 兩個不同的子規格，其中GF－6A 與ILSAC以往的規格兼容，黏度級別包括 SAE XW-20和XW-30，而GF-6B是一個全新的規格，只針對黏度級別為SAE XW-16的低黏度汽機油，GF-6B的油將不與以往的ILSAC規格兼容[4]。

GF-6規格對汽油機油的質量要求見表1（所有指標如無明確說明，則GF-6A、GF-6B規格均需滿足該指標）。

表1 ILSAC GF-6規格對汽油機油質量要求

表1 ILSAC GF-6規格對汽油機油質量要求

表1 ILSAC GF-6規格對汽油機油質量要求

ILSAC GF-6規格質量要求變化分析

ILSAC汽油機油規格的發展與發動機新技術、節能環保以及耐久性要求密切相關。GF-6A作為與ILSAC以往的規格相兼容的新一代汽機油規格，與GF-5規格相比，老規格已有的性能得到了全面的提升，同時增加了低速早燃抑制能力要求和正時鏈條保護要求。GF-6A與GF-5規格質量要求差異見表2。

從表2可以看出，GF-6A相對于GF-5規格，質量要求變化主要有以下幾個方面。

提升了機油的剪切穩定性要求

GF-6A規格與GF-5規格均采用了程序VIII臺架試驗用于評價機油防止銅鉛軸瓦腐蝕的性能和剪切穩定性，但在剪切穩定性指標要求方面GF-6A規格對XW-20黏度級別要求有所加嚴，XW-20黏度級別剪切穩定性要求相對于GF-5提升了23.2%。

更高的高溫抗氧化性能和清凈性能要求

GF-6A/B規格引入了程序ⅢH臺架試驗代替程序ⅢG臺架試驗，程序IIIH臺架試驗與程序ⅢG臺架試驗工況對比見表3。

從表3可以看出，新臺架試驗發動機轉速、扭矩和壓縮比有明顯的提高，同時發動機竄氣加劇，機油消耗量降低，機油補充加入量大幅降低，機油工況更加苛刻，這些變化也反映了發動機小型化和高功率的發展趨勢。通過對比表3 GF-5程序IIIG與GF-6 程序IIIH臺架試驗質量指標可以直觀地看出，在臺架試驗工況加嚴的條件下，GF－6規格在40 ℃黏度增長率和平均活塞沉積物評分兩個指標上進行了加嚴。

更高閥系保護性能要求

在閥系抗磨保護方面，ILSAC GF-6引入了全新的程序IVB臺架試驗用以替代已經使用了20年的程序IVA臺架試驗，程序IVB臺架試驗與程序IVA臺架試驗工況對比見表4。

從表4可以看出，程序IVB發動機臺架試驗，發動機壓縮比增加，轉速更高，試驗時間延長；在程序VIB開發過程中，為了使其具有較好的磨損區分度，發動機硬件和臺架工況進行了以下調整[6]：

◇專門為程序IVB試驗開發了閥系零部件，強化了氣門彈簧載荷，降低了凸輪的硬度，并通過改變凸輪的輪廓來降低油膜厚度，

◇強化發動機竄氣工況，從而在發動機試驗過程中，機油的燃油稀釋率達到8%～16%，機油黏度下降40%～50%，

◇試驗時間從100 h延長至200 h。

程序IVB臺架試驗評價指標包括發動機平均進氣挺柱體積損失，該指標測試方法取消了傳統2D形貌儀測試方法，改用Keyence VR-3000 3D輪廓測量儀來測量挺柱磨損體積，該方法相比于前者可更全面地分析磨損程度，具有更高的精度和再現性；設置了試驗結束后機油中Fe元素評價指標，可以更加全面地評價機油低溫抗磨性能。由此可見，GF-6引入程序IVB臺架試驗后，要求機油在燃油稀釋、油膜變薄、摩擦強度增加、摩擦副抗磨性能弱化和機油衰變加速的苛刻條件下提供足夠的抗磨性能。

低溫清凈分散性能

在機油低溫清凈分散性能評價方面GF-6規格引入了新的程序VH臺架試驗方法代替程序VG臺架試驗方法，新方法采用2013款4.6 L V8 發動機，與老款發動機在技術路線上一致，前者主要是更新了先進的電控系統，因此在試驗條件設定方面，程序VH采取了與程序VG相似的循環工況。從表3 分析可知，GF-6 的程序VH臺架試驗油泥和漆膜評分等指標相對于GF-5 程序VG的要求有所降低，這是因為程序VH臺架試驗增加了曲軸箱竄氣、消除曲軸箱通風并增加燃油稀釋，因此不能直接認為GF-6規格比GF-5規格在低溫清凈分散性能要求上有所降低，同時最新API SN/SN-RC規格已經同時引入程序VH和程序VG臺架試驗，且規定2個臺架試驗相互之間同等替換，而API SN/SN-RC規格的程序VG臺架試驗的所有考核指標限值與GF-5一致，對程序VH的所有指標限值與GF-6一致，因此可以認為GF-6規格與GF-5規格對機油低溫清凈分散性能的要求基本是相同的。

更加優異的燃油經濟性能

為了進一步提升汽油機油的燃油經濟性性能，GF-6規格引入程序ⅥE/F臺架試驗，該臺架試驗采用通用2012款Malibu 3.6L LY7 V6發動機，其試驗條件與程序ⅥD臺架試驗相比，第一階段機油老化循環工況和沒有變化，都是16 h，第二階段機油老化循環工況也一樣，但時間延長至109 h，因此總的老化時間為125 h，相當于16.093 km后的燃油經濟性，并減少補油量,對潤滑油燃油經濟性保持能力提出了更高的要求。從GF-5程序VID臺架與GF-6程序VIE臺架試驗考核指標對比可以看出：SAE XW-20總體FEI提升46.1%，FEI2提升50%；SAE XW-30總體FEI提升 63.1%，FEI2提 升 66.7%；SAE 10 W-30總 體FEI提 升86.7%，FEI2提升116.7%。因此GF-6規格對機油的燃油經濟性要求有了很大提高。

表2 GF-6A與GF-5規格主要質量要求差異

表3 GF-5 程序IIIG與程序GF-6 IIIH臺架試驗工況對比[5]

表4 GF-5 程序IVA與程序GF-6 IVB臺架試驗工況對比[5]

增加GTDI發動機低速早燃抑制性能

GF-6標準引入了程序IX臺架試驗用于評價發動機油低速早燃抑制能力。低速早燃現象（LSPI）是汽油機在低速大負荷工況區發生的一種偶發性、間歇性的非正常燃燒現象。發生早燃時，缸內峰值壓力甚至可以超過100 bar（10 MPa），對發動機危害極大，極端條件下可瞬間損壞發動機。發動機發生低速早燃時曲軸轉角與氣缸壓力變化如圖3所示。

研究發現潤滑油與低速早燃的發生有一定相關性，通過機油的配方改進可以在一定程度上抑制直噴增壓發動機的低速早燃問題[7]。2011年福特公司與美國西南研究院合作，在福特2012款2.0 L Ecoboost發動機上開展過低速早燃（LSPI）的研究，隨后開發了程序IX臺架試驗。測試由4個重復周期組成。每次重復周期為175 000個點火循環，取前170 000個有效循環用于評估早燃事件的數量。每個重復周期包含2個低速高負荷工況，即一個為1 500 r/min 轉速工況，一個為1 750 r/min 轉速工況，每次重復周期為4 h，總試驗時間為16 h。通過氣缸內壓力傳感器記錄每個點火循環的峰值壓力和燃料的質量燃燒率超過2%時的曲軸轉角（燃料的質量燃燒率根據壓力升高計算出）。采用統計方法來尋找峰值壓力和燃料的質量燃燒率超過2%時異常值，當這兩個條件都滿足時，即被視為一次低速早燃事件。GF-6規格要求機油在程序IX臺架試驗中4個循環平均發生次數小于5次，每個循環發生次數小于8次。

增加正時鏈條保護要求

針對汽油渦輪增壓直噴（GTDI）發動機實際使用中出現的正時鏈條不理想的磨損問題，GF-6規格新增程序X臺架試驗，要求機油通過適當的配方優化對正時鏈條的保護性能。正時鏈條為氮化碳表面涂層的靜音鏈條(三鏈板)[8]，同時來自燃燒室的廢氣中含有煙炱及未燃燒的汽油會混入到發動機潤滑油中，破壞潤滑油油膜，降低潤滑油抗磨性能，使正時鏈條的潤滑條件更加惡劣。程序X臺架試驗采用福特2012版Ecoboost 2.0 L發動機，試驗發動機的活塞環與氣缸之間的間隙被增大，以提高竄氣流速，曲軸箱的通風也作了調整，以加劇正時鏈條磨損。試驗時長216 h，包括54個4 h循環，每個循環由2個階段組成，它們包括了一系列低溫/中溫、輕負荷/中等負荷的混合工況條件。

結束語

綜合來看，新一代ILSAC GF-6規格對油品的剪切穩定性、高溫抗氧化性能、高溫清凈性能、閥系磨損保護、燃油經濟性都提出了更高的要求，同時基于目前汽車行業技術發展和OEM需求增加了低速早燃抑制和正時鏈條保護的要求，體現出了潤滑油在幫助提升發動機性能方面發揮的重要作用。從另一個角度看，新一代ILSAC GF-6規格的開發和施行也將推動基礎油、油品添加劑技術以及油品配方的更新換代。總之，新一代ILSAC GF-6規格將為潤滑油和添加劑公司帶來新的機遇與挑戰，同時為新一代汽車發動機提供更高更全面的保護。