本田honda节能车大赛：ILSAC节能车用润滑油和发动机台

1、石油炼制与化工2011年8月收稿日期:2010-12-21;修改稿收到日期:2011-03-10。作者简介:谢欣,高级工程师,工学博士,2005年毕业于清华大学化学工程专业,现从事高档内燃机油复合添加剂和油品开发与应用工作。基金项目:中国石油化工股份有限公司课题(课题号S 108064。I L S A C 节能车用润滑油和发动机台架评定技术的进展谢欣,武志强,王立华,贾秋莲(中国石化石油化工科学研究院,北京100083摘要:随着环保对车辆排放要求和全球对化石能源节能要求的提高,节能发动机油的规格不断升级,相应地评价发动机油燃料经济性的台架试验也在逐步升级。本文阐述和分析了G F -1到G F

2、-5节能发动机油规格的差异,着重介绍2010年10月开始认证的G F -5规格相对G F -4规格加入的模拟试验和更苛刻的参数指标。比较了评价节能发动机油的台架程序A ,B ,D 测量燃料经济性各工况的润滑状态、操作条件和特性。展望了节能汽油机油规格对基础油、添加剂工业产生的影响。关键词:发动机油发动机台架试验燃料经济性汽油机油节能1前言近20年汽车工业迅速发展,环境保护和节约能源成为影响汽车及其相关工业发展的两大因素。发动机不断升级换代,设计尺寸越来越小,输出功率越来越高,对发动机油的清净、分散和抗氧抗磨性能的要求不断提高。汽油机油的规格等级和性能随着汽油发动机的设计、运行工况和环保节能而持

3、续发展,车用润滑油频繁升级换代。美国政府颁布的公司平均燃油经济性要求对汽车制造商提出汽车燃油节能目标。各大设备原厂商(O E M 利用先进的技术对发动机进行各项改进以减少排放、提高燃油经济性。20世纪90年代初,为适应日益严格的节能和排放要求,由美国汽车制造商协会(A A M A 和日本汽车制造商协会(J A M A 联合一些大的润滑油、添加剂公司共同成立了国际润滑油标准化和认可委员会(简称I L S A C 。汽车厂商作为内燃机油的使用方,A A MA 和J AMA 发起成立的I L S A C 推动了美国石油学会(A P I 内燃机油规格(汽油机油S 系列和柴油机油C 系列升级以及对油品节

4、能效果要求的持续提升。I L S A C 在1990年10月颁布了对于汽油车发动机用内燃机油的测试规格G F -1。目前,I L S A C 制订汽油机油的规格为G F -1,G F -2,G F -3,G F -4,G F -51,除了分别满足A P I S H ,S J ,S L ,S M ,S N 的所有要求外,还要通过I L S A C 规定的节能要求。最新的G F -5规格于2009年12月确定,已于2010年10月开始对符合规格油品进行认证。环保、节能和经济耐久性是I L S A C 对汽油机油品规格标准进行升级的主要推动力。发动机燃烧产生的有效能中大约30%能量用于做功、25%随

5、气缸冷却散失、25%随废气排放、20%用于各部分机械摩擦损失。因此,降低摩擦成为提高燃油经济性的关键因素。评价发动机油节能特性的发动机台架试验是通过将相同工况下使用测试润滑油与参考润滑油消耗的汽油进行比较,对测试油的燃油经济性做出评价。另外环保的要求促使发动机油向低磷、低硫、低灰分方向发展,对润滑油添加剂工业不断提出新的挑战。本文主要介绍G F -1到G F -5节能发动机油规格的差异,比较评价节能发动机油的台架程序A ,B ,D 测量燃料经济性各工况的润滑状态、操作条件和特性。2G F 系列发动机油性能比较G F -X 系列规格发动机油除了分别满足A P I 相应规格要求外,还要通过I L

6、S A C 规定的节能台架试验要求,不同规格等级汽油机油要求通过的发动机台架评价试验见表1。从表1可以看出,对于G F 系列汽油机油要求的评价台架试验中,高温抗氧化和节能两方面的发动机评定台架试验变化最为频繁。评价高温抗氧化性能台架试验经历了程序E F G 变化,而节能性能评定台架石油炼制与化工2011年第42卷试验经历了程序ABD变化,反映出高温抗氧化和节能两方面是汽油发动机油提升性能的主要方向。用于评价S N?G F-5规格发动机油的D台架试验在2010年初确定了最终的燃油经济性指标,它也是汽油机油从G F-4升级到G F-5规格过程中唯一新开发的发动机台架评价试验,比B台架试验评价燃油经

7、济性具有更好的区分性2。表1不同规格等级汽油机油要求的台架评价试验规格等级公布年份台架评定试验节能试验轴瓦试验锈蚀试验高温氧化试验磨损试验低温油泥试验S E1972L38CCC S F1980L38DDD S G1989L38DES H?G F-11992L38DEE S J?G F-21996AL38DEE S L?G F-32000BB R TF?GAG S M?G F-42004BB R TGAG S N?G F-52010DB R TGAG汽车发动机大功率和小型化以及发动机油换油周期加长的发展趋势加大了对发动机油抗氧化能力和控制活塞沉积物能力的要求。评价油品抗高温氧化增稠的发动机程序E

8、,F,G试验条件见表2。从表2可以看出,程序系列发动机油评价内燃机油抗氧化黏度的增长,试验时间从程序E的64h发展到程序F的80h,到目前程序G 的100h,发动机负荷也从E的161N·m提高到G的250N·m。发动机工况越来越苛刻,反映出对汽油发动机油抗氧化性能随规格等级的大幅提升。表2程序E,F,G试验条件发动机程序工况EFG试验时间?h6480100机油液面调整周期?h81020发动机类型B U I C KV-6B U I C KV-6B U I C KV-6发动机排气量?L3.83.83.8发动机压缩比8.019.019.01机油加入量?L4.325.55.5发动机

9、转速?(r·m i n-1300036003600发动机负荷?(N·m161200250主油道机油温度?149155150夹套冷却液出口温度?115122115发动机程序系列老化油的最大黏度增长率从S J级别的E(不超过375%变为S L级别的F(不超过275%直至S M级别的G(不超过150%,对黏度增长的要求大幅提高,从指标上可以看出油品要求的抗氧化能力从S J规格到S M规格有很大提高,对无灰抗氧剂有了巨大需求。美国发动机试验检测委员会的统计数据表明,试验G的通过率仅高于程序B,在世界范围内的2000余次试验中,通过率仅为42%左右,是开发高档汽油机油较难通过的发动机

10、评定台架试验。表3A P I?I L S A CG F-3,G F-4,G F-5规格要求发动机台架试验通过指标项目汽油发动机油规格S L?G F-3S M?G F-4S N?G F-5G台架指标黏度增长率(40°C,%150150150活塞沉积物加权评分3.53.54.0平均凸轮加顶杆磨损?m606060热黏环无无无G台架指标平均发动机油泥评分7.87.88.0平均摇臂罩油泥评分8.08.08.3平均活塞裙部漆膜评分7.57.57.5平均发动机漆膜评分8.98.98.9机油滤网油泥堵塞率,%202015A台架指标平均凸轮磨损?m1209090台架指标连杆轴瓦失重?m g26.426

11、26目前国内外汽车厂的装车油和服务油大多采用S L?G F-3和S M?G F-4规格机油。新油品规格要求采用的新评定台架试验经常由于旧台架没有配件而用旧规格对油品进行评定。表3列出了G F-3,G F-4,G F-5规格要求的发动机台架试验通过指标。从表3可以看出,G F-4和G F-5在评价高温氧化、低温油泥、磨损和腐蚀方面采用相同的评定发动机台架,而且通过性能指标基本相同,只在G台架的活塞沉积物加权评分、G 台架的平均摇臂罩油泥评分和机油滤网油泥堵塞率上有所提高。程序G中活塞沉积物加权评分的增加说明对油品高温清净性能要求的提高,程序G中油泥评分指标的提高表明了对发动机油分散能力要求的提高

12、。而对于G F-3和G F-4规格机油,采用完全相同的G和G台架8第8期谢欣等.I L S A C节能车用润滑油和发动机台架评定技术的进展通过程序,只在程序A和程序有略微差别。在高温氧化引起黏度增长指标上,G F-3,G F-4, G F-5规格指标完全相同。因此,在高温氧化、高温清净、低温分散方面,从G F-3到G F-5规格性能只有适当提高。G F系列节能发动机油的理化指标见表4。从表4可以看出,由于环保要求和磷挥发对尾气三元催化剂的影响,磷元素最高限制含量从0.12%降到0.08%,同时考虑到磷含量降低导致发动机油抗磨能力的下降,将磷含量最低值限制在0.06%。随着排放法规的严格,从G

13、F-4规格开始对汽油机油中硫含量作了限制。而且对于不同的黏度级别制定了不同的硫含量指标。在高温沉积物评价上从G F-3规格开始,采用了新的A S TMD7097试验方法T E O S T-MH T,试验条件比G F-4A S TM D6335T E O S T33C方法更为苛刻。G F-4级别汽油机油还增加了对用过油的泵送性指标要求,低温泵送黏度的分析结果必须满足本黏度级别或相邻(高5高黏度级别的相应要求。为了满足抗氧化、抗磨和控制沉积物的要求,高一个等级的发动机油相对于低一个等级的发动机油必须在复合剂配方中添加更多的抗氧剂。在燃油经济性方面,随着G F级别的发展,燃料经济性指数(F E I不

14、断提高,而且从G F-3级别开始,增加了发动机油老化后节能性检验,相当于要求发动机油具有全寿命的节能保持能力。表4G F系列节能发动机油的理化指标项目G F-1G F-2G F-3G F-4G F-5磷含量(w,%0.120.120.060.100.060.080.060.08硫含量(w,%报告报告报告0.5(0W?X X,5W?X X0.5(0W?X X,5W?X X0.7(10W?X X0.6(10W?X X高温沉积物质量?m g60453530高温抗泡性泡沫倾向性1?m L报告200100100100泡沫稳定性2?m L报告50000挥发性(N o a c k法,%2522151515用

15、过油的低温泵送性G AG A或R O B O1停止通气前瞬间静态泡沫的体积。2断开空气后在规定时间静态泡沫的体积。G F系列节能发动机油性能的不断提高,对基础油和添加剂的组成和性能提出更加严格的要求。而且对油品抗氧化性能和燃料经济性要求的增加,都需要使用更多高低温性能好的基础油,要求使用更多的、类基础油。从添加剂的角度看,对配方组成尤其是对抗氧抗磨剂提出了更高要求,对硫、磷含量的限制即对抗氧抗磨性能非常有效的二烷基二硫代磷酸锌用量提出了明确的限制。3发动机油节能性质比较以及评定用发动机台架的发展I L S A CG F-1规格采用程序评定。1993年开发的全尺寸台架试验程序A采用4.6L福特V

16、-8发动机,并于1996年引入I L S A CG F-2性能分类标准中,但程序A对摩擦改进剂没有程序敏感;1998年采用同样发动机但建立了更苛刻的发动机试验程序B工况和指标,2000年其作为I L S A CG F-3规格中节能评价台架试验;2004年通过修改燃油经济性通过指标,提高了通过苛刻度,继续作为I L S A CG F-4规格中节能评价台架试验。I L S A CG F-3和G F-4规格要求程序B中80h的老化过程后测试油品的燃油经济性,相当于评价发动机油使用64379674k m后的节能性能3。因此,从G F-3规格发动机油开始,要求具有全寿命的减摩性能,选用复合添加剂不仅要有

17、强减摩能力,还要有良好的减摩持久性。程序A,B,D节能台架检测程序中各阶段的运行参数见表5。各阶段分别模拟汽车不同运行状况下的燃油经济性。在程序A中以边界润滑和混合润滑为主的阶段1占总加权燃料消耗的11%,在程序B中以边界润滑和混合润滑为主的阶段1和阶段2分别占总加权燃料消耗的27%和8%4-5。在程序D中阶段3、阶段4和9石油炼制与化工2011年第42卷阶段6为以边界润滑和混合润滑状态为主,分别占总加权燃料消耗的31%,17.4%,17.2%6。因此,在D发动机试验中,很大程度上改善了B 试验对减摩剂不敏感的问题,提高了边界润滑和混合润滑所占的比例,降低了流体润滑的比例。试验考察了测试油的燃

18、油消耗比参考油燃油平均消耗的节油率。节能油品要求的程序B燃料F E I指标见表67。F E I1表示油品运行16h 后测定的节油率,F E I2表示油品老化80h后测定的节油率。对于G F-3规格的S A EXW-30和其它表5程序A,B和D节能台架检测程序项目阶段1阶段2阶段3阶段4阶段5阶段6程序A油温?1057070704545转速?(r·m i n-1800800150015001500800扭矩?(N·m262637989826功率?k W2.182.185.8115.3915.392.18冷却液温度?956060604545程序B油温?125105707045转

19、速?(r·m i n-1150080080015001500扭矩?(N·m9826269898功率?k W15.392.182.1815.3915.39冷却液温度?10595606045程序V I D油温?1156511511535115转速?(r·m i n-1200020001500695695695扭矩?(N·m105105105202040功率?k W22.022.016.51.51.52.9冷却液温度?1096510910935109表6节能油品要求的程序B燃料经济性指数F E I%项目F E I1F E I2F E I1+F E I2 I L

20、 S A CG F-2S A EXW-201.7S A EXW-301.3其它黏度级别0.6I L S A CG F-3S A EXW-202.01.7S A EXW-301.61.33其它黏度级别0.90.61.6I L S A CG F-4S A EXW-202.32.0S A EXW-301.81.5其它黏度级别1.10.8黏度级别油品的B通过指标,除了要满足最低的F E I1和F E I2要求外,同时还要求满足F E I1与F E I2之和不小于一定值的要求。最新发展的G F-5规格机油采用程序D评价。最终确定的节能油品要求的程序D燃料经济性指数F E I见表7。表7G F-5节能油品

21、要求的程序D燃料经济性指数F E I%项目F E I1+F E I2F E I2(100h老化后 S A EXW-202.61.2S A EXW-301.90.9S A E10W-30和其它黏度级别1.50.6I L S A C最新颁布的G F-5规格新增加试验有:考察磷挥发性的G B试验和可取代G A的R O B O 试验,同时还增加了橡胶兼容性试验(A S T MD7216和E85乙醇混合燃料的乳化稳定性试验(A S TM D7563,以及由于克莱斯勒公司发现目前市场上15%的G F-4发动机油不能通过T E O S T33C试验而增加的T E O S T33C试验,要求沉积物质量不超过2

22、5m g。磷含量最终还是维持在G F-4的水平,没有降低,但推出了磷保持性的试验要求。增加的G B试验是对进行程序G后的100h旧油进行磷和钙元素测量,计算磷的保持性。G F-5规格要求G试验100h旧油的磷含量不低于新油磷含量的79%。新的规格指标对于汽油发动机油配方中使用的二烷基二硫代磷酸锌(Z D D P类型添加剂是一个全新的挑战。Z D D P的碳链结构和碳数影响其抗磨性和挥发性质。该指标是为了控制进入尾气三元催化剂的磷,用于保护尾气净化催化剂。4结束语为了适应越来越严格的排放法规和节能目标,汽油发动机油的性能有了很大提升。节能发动机油的规格不断升级,相应地评价发动机油燃料经济性的台架

23、试验也在逐步升级。G F-1到G F-5节能发动机油规格在高温抗氧性、清净分散性、高低温抗磨性等性能方面有了很大提高,采用的复合添加剂组成也有很大变化,对各种功能添加剂也提出了新的要求。节能要求促使汽油机油向低黏度化发展,A P I、类基础油的需求量继续上升,并促进有机钼盐和无灰抗氧抗磨添加剂得到日益普遍的应用。相对于以前规格,G F-5规格要0 1第8期谢欣等.I L S A C 节能车用润滑油和发动机台架评定技术的进展求中新增加的性能对汽油机油开发是新的挑战。如何保持燃油经济性和油品的高温抗氧化性是配方开发的难点。目前,我国汽车节能机油的开发应用较欧美发达国家还有很大差距。但随着环保法规和

24、节能要求的日益严格,节能发动机油在我国的推广应用是必然趋势。参考文献1A S TM D 4485-08.S t a n d a r d s p e c i f i c a t i o n f o r pe rf o r m a n c e o f e n gi n e o i l s S 2I L S A C G F -5S t a n d a r d f o r p a s s e n g e r c a r e n gi n e o i l s ,l a t e s t i s -s u e 2009-12-12S 3S o r a b J .S e q u e n c e B e n g

25、i n e t e s t f o r e v a l u a t i o n o f f u e l e f f i -c i e n c y o f e n g i n e o i l s .S t a g e s e l e c t i o n a n d t i m e f a c t o r d e -t e r m i n a t i o n .S A E 982624R 4L a c e y P I .P r e d i c t i n g s e q u e n c e ,A ,a n d B e n g i n e t e s t s u s i n g l a b o r

26、a t o r y m e t h o d s .S A E 2001-01-1904R 5B o f f a A B ,H i r a n o S .O i l i m p a c t s o n s e qu e n c e B f u e l e c o n o -m y.S A E 2001-01-1903R 6C o n s o r t i u m t o d e v e l o p a n e w s e q u e n c e D f u e l e f f i c i e n c y t e s t f o r e n g i n e o i l s .F i n a l r

27、e p o r t 2008-10-15R ?O L .h t t p :?w w w.i n f i n e u m.c o m ?s i t e c o l l e c t i o n d o c u m e n t s ?n o t eb o o k s ?g f 5?R e s e a rc h R e p o r t .pd f 7A S TM D 6837-06.S t a n d a r d te s t m e t h o df o r m e a s u r e m e n to f e f f e c t s o f a u t o m o t i v e e n g i

28、n e o i l s o n f u e l e c o n o m y o f p a s s e n -g e r c a r s a n d l i g h t -d u t y t r u c k s i n s e q u e n c e B s p a r k i g n i t i o n e n gi n e S D E V E L O P M E N T O F E N E R G Y -S A V I N G A U T O M O T I V E E N G I N E O I L S A N D E N G I N E T E S T SF O R E V A L U

29、 A T I NG F U E L E C O N O M Y O F E N G I N EO I L S X i e X i n ,W u Z h i q i a n g ,W a n g L i h u a ,J i a Q i u l i a n (R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m P r o c e s s i n g ,S I N O P E C ,B e i j i n g 100083A b s t r a c t :W i t h t h e s t r e n g t h e n i n g o

30、f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n r e g u l a t i o n a n d f o r s a v i n g m o r e f o s s i l e n e r g y ,t h e s p e c i f i c a t i o n s o f e n e r g y -s a v i n g e n g i n e o i l s a r e k e e p i n g u p d a t e .T h e r e f o r e ,t h e e n g i n e t e s t s f o r e v a

31、l u a t i n g f u e l e f f i c i e n c y o f e n g i n e o i l s a r e a l s o u p g r a d i n g .T h e v a r i a t i o n s o f e n g i n e o i l s p e c i f i c a t i o n s f r o m G F -1t o G F -5w e r e i l l u m i n a t e d ,f o c u s i n g o n G F -5s p e c i f i c a t i o n ,w h i c h s t a r

32、 t e d t o c e r t i f i c a t e i n 2010.A c o m p a r i s o n f o r t h e s p e c i f i c a t i o n s o f G F -5a n d G F -4w a s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ,s u c h a s e n gi n e t e s t s ,a d d i n g b e n c h t e s t s a n d s e v e r e r p a r a m e t e r v a l u e s .T h e l u b r i c a t i n g s t a t u s ,o p e r a t i o n c o n d i t i o n s ,w o r k i n g p a r a m e t e r s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f s e q u e n c e A ,B a n d D e n g i n e t e s t s f o r e v a l u a t i n g t h e f u e l e c o n o m y o f