GF-5 5W-30生物基汽油机油的行车试验

王庆瑞，孟祥云，王丽双，崔晓莹，叶 锋

(1.浙江丹弗中绿科技股份有限公司润滑技术中心，天津 300071；2.天津南开大学蓖麻工程科技有限公司)

近年来，设备厂商采用更加先进的技术推动发动机革新，致力于提高燃油经济性、降低尾气排放。然而，小型化、涡轮增压、缸内直喷等新技术的应用使得发动机运行工况更加苛刻，对润滑油各项性能提出了更高要求，有效推动了发动机油更频繁地升级换代[1]。

为了满足日益严格的节能环保要求，维护自身利益，美国和日本共同成立了国际润滑油标准化和认可委员会，用于制定、发布节能汽油机油规格[2]。针对汽油机油的要求主要分为以下3个方面：一是延长发动机油换油期；二是改善燃油经济性；三是改善与尾气排放控制系统的适应性，降低尾气排放。其中，GF-5汽油机油规格就是基于以上要求，经过广泛征求意见，于2009年底正式发布。GF-5系列节能发动机油质量要求较为苛刻，须使用更多高低温性能优良的API Ⅱ类、Ⅲ类润滑油基础油(简称基础油)，从而达到抗氧化性和节能的双重要求[3]。然而，API Ⅱ类、Ⅲ类基础油是矿物基础油，属于不可再生资源。采用植物油脂等可再生资源提炼、化学改性制备的生物基基础油，除具备很好的高低温性能、抗氧化性能、抗磨减摩性能外，还具备可生物降解、环境友好的优点[4]。基于生物基基础油自主开发的GF-5系列汽油机油具有润滑性能好、节能、环保等多重优点。

行车试验可全面考察油品的综合性能，是最直接可靠的验证方法，一般参照GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》来判定油品的换油期[5-6]。然而，该标准只适用于SL/GF-3及较低质量级别汽油机油换油，对于GF-5是否适用该标准还有待于进一步研究。为考察研制油品的适用性，为市场推广作准备，开展了GF-5 5W-30生物基汽油机油在丰田普瑞维亚轿车的行车试验。通过定期抽取油样，客观分析油品质量变化规律，探讨研制油品与车辆的适应性，为科学判定换油周期提供技术依据。本课题还特别针对生物基基础油的特点，采用卡尔费休法初步探索试验油样水分的变化规律，为制定生物基汽油机油的换油指标限值提供参考依据。

1 实 验

1.1 原料及试剂

行车试验燃料油均在中国石化长城加油站加注，符合国Ⅵ标准(不含乙醇)。

行车试验用油为GF-5 5W-30生物基汽油机油，来源于浙江丹弗中绿科技股份有限公司，其主要理化指标见表1。

表1 GF-5 5W-30生物基汽油机油的主要理化指标

1.2 行车试验

试验车辆为未经过大修、正常保养且运行良好的丰田普瑞维亚轿车，发动机最大净功率为125 kW，最大车速180 km/h，排量2.362 L。车辆初始换油时行驶里程为249 286 km。

为确保行车安全，安排两个阶段性试验：5 000 km为A阶段、10 000 km为B阶段。两个阶段均更换新的试验用油，总计约15 000 km行驶里程。

A阶段：将试验用油注入发动机曲轴箱中至油尺中上限，发动机运转5 min左右，放净试验用油，再加入新的试验油至油尺上限。记录装机油量和起始里程，开始道路试验，当车辆行驶里程到达5 000 km时结束。

B阶段：更换新的试验用油。热车时，放净发动机内用过的试验油；更换滤芯，加注试验油继续B阶段试验，当车辆行驶里程到达10 000 km时结束。

1.3 试验油取样

冷车状态下发动机怠速5～10 min后取样；经长时间行驶的热车状态下，在保证安全的前提下于30 min内取样。从机油标尺口抽取试验油样200 mL，取样后补加等量的新试验油。

1.4 试验油换油指标要求

试验油的检测及换油指标主要依据国家标准GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》的技术要求。同时，依据标准ASTM E2414-10(2018)以红外光谱法监控试验油的氧化衰变情况。本课题试验油的换油技术指标要求见表2。

表2 试验油换油技术指标要求

2 结果与讨论

试验油的各项指标会随着行驶里程发生变化，通过A、B两个阶段的行车试验，在不同行驶里程下进行取样检测，进而分析试验油的衰变规律。

2.1 运动黏度

运动黏度是润滑油中常用的理化性能指标，是液体流动性的度量。黏度越大，润滑油的流动性就越差，反之亦然。发动机运转过程中，润滑油由于高温、金属催化氧化而生成油泥、胶质、积炭等，从而导致油品黏度增大。而黏度指数改进剂的剪切断链、燃油稀释及冷却液的混入均可导致油品黏度降低。发动机油黏度的变化是以上因素的综合反馈，是反映油品质量衰变和使用寿命的重要参数。此外，黏度指数的变化可以衡量黏度指数改进剂的优劣。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的运动黏度(100 ℃)变化率见图1。

图1 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的运动黏度(100 ℃)变化率

从图1可以看出：在A、B两个阶段，试验油样品的运动黏度(100 ℃)的变化率很小，均在±3%范围内，远小于±20%的换油指标，说明试验油的运动黏度非常稳定。黏度指数基本未变化，黏度指数改进剂剪切安定性较好。综合分析认为，该油品抗氧化性、抗剪切性等均较为优异，可满足发动机的使用要求。

A阶段前期，因为生物基汽油机油具有极佳的清净分散性，首次使用时将原有的油泥、积炭清洗至油中，活塞和缸壁之间的间隙较之前稍大，在燃油的窜入稀释及黏指剂的剪切下降双重作用下，黏度有所下降；试验后期，主要由于油品中油泥、积炭逐步增多，使得黏度又有所上升。而B阶段时，黏度一直较为稳定，因为第二次更换生物基汽油机油后，机体内部较之前更为清洁，活塞环弹性随着积炭的减少而逐步恢复弹性，燃油窜入量得到一定改善，综合表现为试验油的运动黏度更加稳定。

2.2 酸值及碱值

针对生物基汽油机油，因其基础油的特点，行车试验特别关注油品的酸值增长。油品在使用过程中酸值会逐渐变大，主要由以下几方面原因导致：一是油品在使用过程中由于高温氧化作用会产生酸性物质而导致酸值升高；二是汽油燃烧产生的酸性成分，如硝化物、硫化物，经过活塞环间隙串入油品中产生酸性物质；三是可生物降解的生物基基础油在水等物质的影响下水解释放酸性物质。另一方面，因酸性添加剂的消耗会导致油品的酸值下降。因此，酸值的变化是油品衰变和添加剂消耗的综合反映，作为重要的换油指标之一，酸值增长值一般不超过2.0 mgKOH/g。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的酸值增长值见图2。

图2 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的酸值增长值

从图2可以看出：A、B两试验阶段，油品的酸值随着行驶里程增加而逐渐增大；A阶段的酸值增长率稍快于B阶段，认为应是首次使用生物基汽油机油，机体内的油泥、胶质等杂质被带入到油品中，加速油品酸值的增长。B阶段，由于更换了新的试验用油，机体内较为干净，酸值增长相对缓和，在7 500 km到10 000 km时，油品的酸值基本稳定，未超过2.0 mgKOH/g，油品仍可继续使用。

油品的碱值作为换油指标的参考也具有极其重要的意义，其代表了油品的酸中和能力。油品的碱值来源于功能添加剂中的清净剂、分散剂及胺类抗氧剂。油品碱值随着行驶里程的延长而逐渐降低，碱性添加剂因中和酸性物质而消耗。一般认为，油品的碱值与酸值的差值不低于0.5 mgKOH/g才能保证油品的正常使用。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的(碱值-酸值)见图3。

图3 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的碱值与酸值的差值

从图3可以看出：两个试验阶段，碱值与酸值的差值随着行驶里程增长均逐渐变小，到10 000 km时仍有很大余量，因为油品具备较高的碱值，机油稳定性好。

2.3 正戊烷不溶物

正戊烷不溶物是表征油品容污能力的指标，主要来源于3个方面：一是油品在使用过程中生成油泥、胶质、积炭等杂质；二是发动机磨损产生的金属屑；三是外来的灰尘等。正戊烷不溶物会随着油品的使用时间延长而逐渐增多，当达到一定限值，油品的黏度增大且流动性变差，不溶物聚集成团析出，进而堵塞主油道、滤清器等，造成润滑不良等严重后果。A、B两个阶段的试验油样品的正戊烷不溶物质量分数均不大于0.1%，远低于1.5%的换油指标，表明试验用油具有优异的清净分散性和氧化安定性。

2.4 燃油稀释

发动机运转过程中，在高压作用下，部分燃料会进入到曲轴箱的油品中。燃料的进入会导致油品黏度降低，从而影响油品的润滑性能，过多的燃料甚至会导致发动机故障。此外，通过对油品中汽油含量的测定，还可以侧面反映发动机活塞环的密封状态。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的汽油含量见图4。

图4 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的汽油含量

从图4可以看出，在试验初期，A阶段的汽油含量增长率稍大于B阶段。分析认为，汽油的窜入量与活塞缸壁密封性具有正相关性，密封性越好，汽油窜入量越小，汽油含量越低。B阶段的活塞缸壁密封性优于A阶段，是因为经过A阶段的油品清洁，活塞环恢复部分弹性，这也正好验证了试验油品具有优异的清洁性能。

此外，A、B两阶段试验油品的汽油含量相对稳定，质量分数均小于1.5%，远小于换油指标的5%，说明活塞缸壁密封性、发动机运行状态良好。

2.5 元素含量

发动机的主要磨损部件为活塞环、缸套、曲轴等，通过测定油品的铁、铜、铝等含量的增长，可以了解其磨损及腐蚀情况。金属含量的迅速增长，则可能出现了发动机的异常磨损，需要对发动机进行检修。而硅含量的变化则是监测油品受外界污染程度的指标，主要是来自于空气中灰尘杂质的影响。若硅含量过高，代表其灰尘杂质多，可能会出现磨粒磨损，则要及时更换空气滤芯。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的元素质量分数增长值见图5。

图5 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的元素质量分数增长值

从图5可以看出，在10 000 km的试验周期下，铁含量均未出现明显增长，增长量依然较小，仅为9 μg/g，远低于70 μg/g的换油指标，说明油品具有极其优异的润滑性能，这与生物基基础油本身极强的润滑特性有关。由于氧原子上孤对电子的强吸附性，可以在摩擦表面形成牢固的吸附膜，从而减少发动机磨损。此外，铜、铝含量均未明显增长，说明油品具有优异的润滑及防腐性能。硅含量增长缓慢，说明油品并无明显的灰尘污染及异常磨粒磨损。

2.6 氧化值和硝化值

采用红外光谱法进行氧化值、硝化值的测定，用于监控油品的氧化衰变。发动机运转过程中，燃烧废气进入油品中，在一定条件下反应生成氧化物、硝化物等酸性物质，使油品使用性能下降。而抗氧剂等添加剂主要抑制和减缓以上酸性物质的产生。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的氧化值和硝化值见图6。

图6 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的氧化值和硝化值

从图6可以看出，试验油的氧化值和硝化值在不同行驶里程下的变化趋势一致，随着行驶里程的增加而缓慢增加，没有出现明显的氧化、硝化变质，其测量值均低于0.25 Abs/(0.1 mm)的指标要求，汽油机油的稳定性好[7]。

2.7 水 分

因生物基基础油的特点须对水分特别关注。油品中的水主要来源于两方面：一是生产环节新油自身携带的水；二是通过油箱呼吸孔吸入的水；三是发动机运行过程中燃料燃烧产生的水。油中的水过多会导致油品乳化并造成发动机部件的锈蚀等，因此，需要严格控制油品中的水含量。目前国家标准GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》中是采用GB/T 260标准方法来测试水含量，该方法主要对矿物型机油的水含量测量有一定的指导意义；然而，对于生物基基础油的极性特点，其易与少量分子形式存在的水结合，国家标准GB/T 260采用带水的方式将水带出，测试结果并不准确。因此，本课题采用卡尔费休法来测定试验油的水含量，为生物基汽油机油的换油指标提供参考依据[8]。A、B两个阶段不同行驶里程下试验油的水含量见图7。

图7 A、B两个阶段不同行驶里程下试验油样品的水含量

从图7可以看出，试验油在两个阶段的水质量分数基本维持在1 000～2 000 μg/g。结合前面的分析数据，试验油的润滑性及防腐性能等各项指标均优良，发动机运转正常，说明试验油的水质量分数不超过2 000 μg/g时，可以维持发动机的正常运转。

B阶段行驶里程为10 000 km时试验油水含量的下降，可能与活塞环弹性恢复、密封性变好导致燃烧气体窜入量变少有关。

3 结 论

(1)GF-5 5W-30生物基汽油机油在丰田普瑞维亚轿车上进行两个阶段的行车试验后，仍具有一定碱值保持能力和抗氧化性能，同时其运动黏度、碱值、酸值、正戊烷不溶物、燃油含量、氧化值及硝化值、水分等指标均未达到国家标准GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》的换油技术指标要求，运行性能良好，不需换油。

(2)采用卡尔费休法替代蒸馏法(国家标准GB/T 260)测试生物基汽油机油的水含量可行，但仍需要通过大量的行车数据来确定合理的水含量指标限值。

(3)国家标准GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》的主要技术指标与红外光谱法分析的指标具有很好的对应性。红外光谱法具有样品微量、快速、准确的多重优点，未来或可作为一种快速检测的有效方法，对简化换油指标、合理快速地指导用油具有重要意义。