超低黏度汽油發動機油規格JASO GLV-1淺析

石順友，王明明

(1.中國石化潤滑油有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620；2.華航環境發展有限公司，北京 100071)

0 引言

為防止全球變暖和減少能源消耗，各大汽車原始設備制造商(OEM)不斷利用各種先進技術對發動機進行改進，以減少排放，提高燃油經濟性，而采用低黏度的發動機油是提高汽車燃油經濟性的有效手段之一[1-3]。

作為汽車工業強國，日本十分重視國際汽車標準和各國汽車標準的研究，并不斷建立自己的標準。從1980年起，日本汽車行業就與油品行業緊密合作，開始不斷地建立和發展其潤滑油標準，并不斷開發具有自己特色的油品臺架評定試驗方法，如2000年10月日本頒布了重負荷柴油發動機油標準JASO DH-1，并發展到DH-2以及DH-2F規格，且于2017年開發了世界上第一個重負荷柴油機油燃油經濟性臺架評定試驗方法JASO M362：2017，為日本汽車工業的持續良好發展奠定了堅實基礎[4-5]。

對于汽油發動機油標準，日本汽車OEM當前采用國際潤滑油標準咨詢委員會(ILSAC)和美國石油學會(API)標準作為汽車汽油發動機潤滑油的全球標準。但是，通過日本汽車OEM的努力，成功開發了SAE 0W-12和SAE 0W-8超低黏度發動機油燃油經濟性的評定試驗方法，并進行了標準化，使日本處于行業領先地位，對其整個汽車工業的發展起到了積極的促進作用。

1 JASO GLV-1的建立背景和開發歷程

1.1 建立背景

在JASO GLV-1規格制定之前，日本汽車OEM采用ILSAC和API標準作為其汽車汽油發動機潤滑油的全球標準。盡管ILSAC GF-6B性能標準適用于現有的SAE 0W-16低黏度油品[6]，但是，這些標準中的燃油經濟性評定方法使用的是美國汽車公司的發動機，無法評定SAE J300發動機油黏度分類標準[7](見圖1)中的超低黏度發動機油，例如SAE 0W-12和0W-8。因此無法建立SAE 0W-12和0W-8超低黏度油品的質量標準。

圖1 SAE J300發動機油黏度分類

另一方面，為提高燃油經濟性，日本汽車OEM一直積極開展低黏度發動機油的開發，并采用低黏度發動機油作為汽車的裝填和售后服務用油，而發動機油在汽車的維保過程中是要求進行定期更換的，故需要相應的質量標準來保證售后市場中的油品質量，以確保終端用戶的用油安全，因此，市場對低黏度油品的標準化有著強烈的需求[8]。

基于以上原因，日本汽車制造商協會(JAMA)和日本石油協會(PAJ)成立了JASO下一代發動機油工作組(Next Generation Engine Oil Task Force，簡稱TF)，負責研究適用于SAE 0W-12和0W-8超低黏度發動機油燃料經濟性的評定方法，并著手制定相應的標準。

1.2 開發歷程

2017年4月，由PAJ和JAMA成立的JASO下一代汽油發動機機油開發工作組(TF)，開始開發適用于超低黏度汽油發動機油(SAE 0W-12和SAE 0W-8)的燃油經濟性評定方法，并進行循環測試，且于2019年3月完成了采用豐田Toyota 2ZR-FXE發動機的點燃法燃油經濟性評定方法(JASO M366：2019，Firing Fuel Economy Test Procedure)和采用日產MR20DD發動機的扭矩法燃油經濟性評定方法(JASO M365：2019，Motored Fuel Economy Test Procedure)。同時，TF還調制了超低黏度發動機油(SAE 0W-12和SAE 0W-8)的油樣，在ILSAC GF-5/GF-6以及API SN的相關模擬評定和發動機臺架上進行了高溫氧化、低溫油泥等性能測試，以確認其性能優于ILSAC GF-5/API SN級油品。通過測試后，制定了SAE 0W-12和SAE 0W-8超低黏度汽油發動機油質量規格(JASO M364：2019，Automotive Gasoline Engine Oil Standard)，并成立了專門的機構(見圖2)以確保標準的有效執行。JASO M364：2019規格于2019年4月生效，并于2019年10月引入了市場[8-9]。

圖2 JASO發動機油標準執行組織

2 JASO GLV-1的技術要求

超低黏度汽油發動機油JASO GLV-1規格(JASO M364：2019)的理化性能要求和臺架試驗要求[8]分別見表1與表2。

表1 JASO GLV-1的理化性能要求

表1(續)

表2 JASO GLV-1的臺架試驗要求

3 JASO GLV-1的性能特點

3.1 燃油經濟性[10-11]

通過發動機點燃法燃油經濟性試驗或扭矩法燃油經濟性試驗評定超低黏度汽油發動機油JASO GLV-1的燃油經濟性。試驗中使用的基準油、沖洗油、參比油和示范油的屬性見表3，參比油和示范油的理化指標見表4，其中JASO BC基準油為不含黏度指數改進劑和減摩劑的合成油。

表3 基準油、沖洗油、參比油和示范油屬性

表4 參比油和示范油理化指標

3.1.1 點燃法燃油經濟性試驗(JASO M366)

點燃法燃油經濟性試驗使用符合JIS K2202質量要求的2號常規市售汽油，試驗發動機采用Toyota 2ZR-FXE，新發動機或更換了零部件的發動機要按規定程序先磨合50 h。發動機技術參數見表5，試驗條件見表6。

表5 Toyota 2ZR-FXE發動機技術參數

表5(續)

表6 點燃法燃油經濟性試驗條件

點燃法燃油經濟性試驗按規定程序測定JASO BC基準油和試驗油的有關數據，然后計算出燃油經濟性改善率，試驗程序見圖3。示范油和參比油的試驗結果見圖4，試驗結果為4個不同實驗室進行每個油品8～12個平行試驗的平均值。

圖3 發動機點燃法燃油經濟性試驗程序

圖4 發動機點燃法燃油經濟性試驗

從參比油和示范油的試驗結果可以看出，采用有機型減摩劑的節能型油品GE216，相比于基準油JASO BC的燃油提高率為0.6%；GE208與GE216相比只是黏度等級的不同，是一款0W-8的油品，相比于基準油JASO BC的燃油提高率為1.0%左右，試驗顯示降低油品黏度可以提高燃油經濟性。此外，GE308是使用了鉬型摩擦改進劑配方體系的油品，試驗結果顯示比GE208油品具有更好的燃油經濟性。試驗結果也說明，0W-8超低黏度油品具有出色的燃油經濟性特性。

JASO GLV-1規格中，油品燃油經濟性提高率要求不低于1.1%。

3.1.2 扭矩法燃油經濟性試驗(JASO M365)

扭矩法燃油經濟性臺架試驗采用日產的MR20DD發動機，新發動機或更換了零部件的發動機要按規定程序先磨合100 h，發動機技術參數見表7，試驗條件見表8。

表7 MR20DD發動機技術參數

表8 扭矩法燃油經濟性試驗條件

表8(續)

按規定程序測量JASO BC基準油和試驗油的有關數據計算出扭矩下降率和實際車輛針對日本國內模式的低、中、高燃油經濟性改善率。扭矩法燃油經濟性試驗流程見圖5。

圖5 扭矩法燃油經濟性試驗程序

參比油和示范油相比于基準油JASO BC的測試結果見圖6，試驗結果為每個油品在6個不同的實驗室中進行8～15個平行試驗的平均值。

圖6 參比油和示范油的試驗結果

從圖6中的試驗結果可以看出，不同的油品類型和油品黏度均表現出不同燃油經濟性。通過將GE108A和GE116與GE208和GE216進行比較，可以確定SAE 0W-8油比SAE 0W-16油具有更好的燃油經濟性。采用高鉬含量摩擦改進劑調制的GE308和GE408油品，與節能油品GE216相比，可以顯著提高燃油經濟性，說明鉬型摩擦改進劑可以有效提高油品的燃油經濟性。將SAE 0W-8和SAE 0W-16與基準油JASO BC進行比較，黏度較低的SAE 0W-8表現出較好的燃油經濟性。同黏度等級油品比較可以看出，添加高濃度鉬元素添加劑的GE108A和GE116分別比GE208和GE216具有更好的燃油經濟性。考慮到實驗室之間的數據差異，JASO GLV-1規格中，通過扭矩法評定油品燃油經濟性時，對于SAE 0W-8油品要求節能率不低于2.0%，對于SAE 0W-12油品要求節能率不低于1.7%。

3.2 發動機的可靠性

使用超低黏度發動機油可以提高整車的燃油經濟性，然而，過低的黏度會使油膜厚度和強度不足而導致發動機零件磨損增多，影響發動機的使用壽命[12]。因此，對于超低黏度SAE 0W-8和SAE 0W-12的發動機油而言，如何確保發動機的可靠性和耐久性非常關鍵。因此，JASO GLV-1規格對油品的性能進行了嚴格要求，以保障發動機在使用超低黏度發動機油時的可靠性和耐久性。

3.2.1 抗磨性能

有效的抗磨保護是超低黏度發動機油主要面臨的挑戰。為考察汽車發動機在怠速工況下，發動機油防止發動機閥系部件尤其是凸輪的磨損，通過MS程序ⅣA試驗或MS程序ⅣB試驗來評價油品的抗磨性能。

(1)MS程序ⅣA試驗

MS程序ⅣA試驗采用日產KA24E型2.4 L排量直列4缸汽油機，使用無鉛汽油，發動機轉速在800～1500 r/min，機油溫度在49～59 ℃，運轉100個循環工況，每個工況1 h，試驗總運轉100 h[13]。試驗裝置見圖7。

圖7 MS程序ⅣA試驗裝置

試驗結束后，拆卸發動機，取出凸輪軸，在每個凸輪的7個不同位置測量磨損值，然后取平均值作為試驗結果。同時在試驗進行的第25 h、50 h、75 h、100 h采集發動機中的機油油樣，測試所采油樣的40 ℃運動黏度、燃油稀釋和油樣中的磨損元素(鐵和銅)含量，以監測發動機有無異常磨損。油品通過指標為平均凸輪磨損(每個凸輪7個測量點平均值)不大于90 μm，與GF-5/SN規格要求一致。

(2)MS程序ⅣB試驗

MS程序ⅣB試驗是全新開發的發動機測試臺架，采用的是2010 Toyota 2NRFE水冷、四沖程、直列、1.5 L排量的發動機，試驗裝置見圖8[8]，試驗條件見表9。

圖8 MS程序ⅣB試驗裝置

表9 MS程序ⅣB試驗條件

試驗結束后通過3D拍照的方法測量氣門挺桿磨損，同時測試試驗完成后油樣中的磨損元素鐵含量。油品通過指標為進氣門平均磨損不超過2.7 mm3，鐵含量不超過400 μg/g，與GF-6B規格要求一致。

3.2.2 高溫抗氧化

超低黏度汽油發動機油的抗高溫氧化、增稠、油泥以及漆膜沉積和抗磨損能力通過MS程序ⅢH臺架試驗評定。試驗采用克萊斯勒公司生產的2014年度型PentaStar 3.6 L排量Ⅴ型6缸汽油機，試驗條件見表10[14]。

表10 MS程序ⅢH試驗條件

發動機在3900 r/min轉速和機油溫度150 ℃的工況下運轉90 h，每20 h停機檢查機油液位并采集油樣，分析每個油樣的40 ℃的運動黏度并計算黏度增長率。試驗結束后，拆解發動機，對活塞沉積物進行評分。通過指標為40 ℃的運動黏度增加率不大于150%，且活塞沉積物等級WPD為3.7以上，與GF-6B規格要求一致。

3.2.3 低溫油泥控制

通過MS程序ⅤH試驗評定超低黏度發動機油在發動機中形成低溫油泥和漆膜等沉積物的控制能力，以應對城市道路中開開停停的惡劣工況。MS程序ⅤH試驗采用福特4.6 L排量Ⅴ型8缸汽油發動機，試驗裝置見圖9。

圖9 MS程序ⅤH試驗裝置

試驗使用無鉛汽油為燃料，在不同的轉速和機油溫度下運轉54個循環工況。每個循環工況4 h，每個循環周期包括3個不同的階段，試驗共運轉216 h。MS程序ⅤH試驗條件見表11[15]。

表11 MS程序ⅤH臺架試驗條件

試驗結束后，通過拆解發動機，對油底殼和搖臂罩等部件進行油泥評分、對發動機和活塞裙部進行漆膜評分、并對機油濾網和活塞油環堵塞以及機油濾網殘渣和冷、熱黏環進行評價。油品的通過標準為發動機油油泥平均評分不小于7.6，搖臂罩油泥平均評分不小于7.7，發動機漆膜平均評分不小于8.6，活塞裙部平均評分不小于7.6，壓縮環無熱黏環，與GF-6B規格要求一致。

3.2.4 磷保持性

鑒于發動機的磨損保護問題，JASO GLV-1油品規定磷元素的含量為0.06%～0.08%，但發動機油中磷元素的蒸發可能會對尾氣處理系統中的催化劑產生不利影響，故同時對磷的保持性提出了測試要求，以減少離開發動機進入尾氣后處理系統中的磷含量。JASO GLV-1油品磷的保持性評定通過MS程序ⅢHB臺架試驗來確定。通過ICP對MS程序ⅢHB試驗結束后的廢油中的磷含量進行測定，并由以下公式計算出磷的保持性：

Pret%=[w(Mi)/w(MEOT)]×[w(PEOT)/w(Pi)]

JASO GLV-1規格要求油品在程序ⅢHB試驗結束后，廢油中的磷含量不低于新油磷含量的81%。

3.2.5 老化油的低溫黏度

低溫泵送性差將導致潤滑油難以被送到各潤滑部位,從而造成零部件磨損，故發動機油的低溫流動性能是評價發動機油使用性能的重要指標。針對日益苛刻的發動機工況，為避免出現在用發動機油泵送失敗的現象，通過ROBO試驗或MS程序ⅢHA試驗評定老化油的低溫黏度。油品的低溫泵送性能要求為ROBO試驗或MS程序ⅢHA試驗結束后舊油的低溫泵送黏度不大于60000 mPa·s。

3.2.6 正時鏈條磨損保護

燃燒產生的污染物進入潤滑系統中，尤其是在直噴發動機中，潤滑油從油底殼泵送到正時鏈條時可能會產生沉積并引起正時鏈條的磨損[3]。為考察直噴汽油發動機的燃燒煙炱進入發動機油后，對正時鏈條磨損的影響，JASO GLV-1標準要求油品通過MS程序X臺架試驗。該試驗采用福特2.0T EcoBoost四缸渦輪增壓直噴汽油發動機，試驗裝置見圖10，試驗條件見表12[16]。

圖10 MS程序X試驗裝置

表12 MS程序X試驗條件

MS程序X試驗總運行216 h，54個循環，每個循環4 h，包括兩個階段：①階段1：過濃燃燒，冷卻液低溫，PCV(曲軸箱強制通風裝置)低溫；②階段2：均質燃燒，冷卻液正常溫度，PCV正常溫度。試驗結束后，正時鏈條伸長量要求小于0.085%，與GF-6B規格要求一致。

3.2.7 蒸發損失

蒸發損失是反映發動機油質量的一項重要指標,直接影響發動機油的性能和使用壽命。一般情況下，使用超低黏度發動機油主要有發動機磨損加劇和機油油耗增加兩個方面的風險，且機油油耗增加是因更大的油品蒸發導致[17]。因此，JASO GLV-1規格對油品的蒸發損失進行了嚴格要求，要求油品的蒸發損失不大于15.0%(NOACK法)。

3.2.8 橡膠相容性

橡膠相容性是發動機油的重要性能之一，在發動機運轉過程中，發動機油會與橡膠密封件發生接觸，兩者的長時間接觸可能會導致橡膠件的性能下降乃至失效；也會導致發動機油的顏色變深和性能下降。滿足JASO GLV-1規格的油品要求通過ASTM D7216 A2橡膠相容性試驗，通過指標與ILSAC GF-5/SN一致。

4 結束語

(1)JASO GLV-1規格是針對SAE 0W-8和SAE 0W-12超低黏度汽油機油的規格，其燃油經濟性評定采用日本OEM開發的臺架試驗，而發動機耐久性評定則采用了美國MS程序系列臺架試驗，試驗通過標準部分是ILSAC GF-5的指標，部分為ILSAC GF-6的指標，其他一些理化性能要求與ILSAC GF-5相同。

(2)低黏化是發動機油發展的趨勢，JASO GLV-1規格將超低黏度發動機油的性能進行了標準化，保證了低黏度發動機油的質量以確保終端客戶的用油安全，適應了行業的發展趨勢，并使日本處于行業的領先地位。滿足JASO GLV-1規格的油品具有優異的綜合產品性能，在為發動機提供優異燃油經濟性的同時可為發動機提供良好的可靠性和耐久性保護。

(3)汽車產業是我國國民經濟的重要支柱產業，已由高速增長轉向高質量發展階段，然而作為有汽車“血液”之稱的發動機油，其質量規格還始終處于滯后并同等采用API規格的狀態，至今仍未建立我國自主的發動機油規格。日本汽車發動機油規格的建立是潤滑油規格自主化的成功典范，我們可以借鑒日本的成功經驗，除需國家的支持外，國內各相關行業應通力協作，盡快建立我國汽車發動機油的自主規格，以進一步促進我國汽車工業的良好發展。