日本重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格的建立與發(fā)展

石順友，王雪梅，趙艷麗，湯占帥

(中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)油被形象地稱為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“血液”，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久可靠性有著直接影響。發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)油的整體性能水平，對規(guī)范發(fā)動(dòng)機(jī)油的生產(chǎn)、使用和市場秩序，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)油更新?lián)Q代具有重要作用[1]。隨著汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)油的規(guī)格開始建立，并不斷發(fā)展和完善。日本于1994年開始進(jìn)行JASO柴油機(jī)油規(guī)格的開發(fā)工作，并于2000年公布了第一個(gè)柴油機(jī)油規(guī)格DH-1，通過十幾年的發(fā)展，日本重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格從無到有，現(xiàn)已成為具有世界影響力的三大柴油機(jī)油規(guī)格之一。借鑒日本JASO柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格發(fā)展中的成功經(jīng)驗(yàn)，對建立具有我國特色的，適應(yīng)我國發(fā)展需求以及符合我國汽車工業(yè)特點(diǎn)的柴油機(jī)油規(guī)格具有重大意義。

1 日本潤滑油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織

日本車用潤滑油的發(fā)展工作與歐洲、美國一樣，也是由汽車制造部門、潤滑油和添加劑生產(chǎn)部門以及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法部門組成。在日本，多數(shù)車用潤滑油標(biāo)準(zhǔn)被命名為“JASO標(biāo)準(zhǔn)”，JASO(Japanese Automobile Standards Organization，日本汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))是JSAE下屬負(fù)責(zé)材料標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法和汽車標(biāo)準(zhǔn)的部門。為了更好地應(yīng)用新建立的潤滑油標(biāo)準(zhǔn)，1994年，日本成立了JASO發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行組織(JEOSIP)，以保障發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)的切實(shí)執(zhí)行。日本與潤滑油相關(guān)的行業(yè)組織[2]見表1。

表1 日本潤滑油行業(yè)組織

在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，JAMA起主導(dǎo)作用，PAJ、JSAE和JALOS是支持單位，JPI、JARI、PEC和JAST等行業(yè)/學(xué)術(shù)組織在需要時(shí)也給予支持和幫助。

2 日本柴油機(jī)油規(guī)格的建立背景與發(fā)展歷程

2.1 建立背景

日本是汽車生產(chǎn)大國，為使日本汽車暢銷世界，日本十分重視國際汽車標(biāo)準(zhǔn)和各國汽車標(biāo)準(zhǔn)的研究，且不斷建立自己的標(biāo)準(zhǔn)。在建立統(tǒng)一的柴油機(jī)油規(guī)格之前，日本一直采用美國API柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，而據(jù)JAMA的研究，在日本制造的柴油機(jī)上采用API CG-4/CH-4規(guī)格油品時(shí)會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)性問題，因日本較多地采用平板式“滑動(dòng)型”的氣門機(jī)構(gòu)，相對于美國較多采用的滾柱式結(jié)構(gòu)，其潤滑要求更加苛刻(見圖1)。此外，為滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，日本汽車OEMs要求建立新的油品標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，在日本汽車市場份額較高的亞洲市場需要建立類似于日本的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及日本汽車制造商同樣參與并開展活動(dòng)的亞洲SAE燃油和潤滑油事業(yè)部指導(dǎo)委員會(huì)也要求建立柴油機(jī)油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，日本開始著手建立統(tǒng)一的柴油機(jī)油規(guī)格。

圖1 日本與美國的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)差異

2.2 發(fā)展歷程

1994年，JSAE下屬發(fā)動(dòng)機(jī)油分會(huì)與JALOS合作，采用硫含量低于0.05%的柴油開發(fā)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油的試驗(yàn)方法。1998年3月，采用Nissan柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(TD25)建立發(fā)動(dòng)機(jī)油清凈性評(píng)定試驗(yàn)方法(JASO M336：1998)。1999年3月，采用三菱發(fā)動(dòng)機(jī)(4D34T4)建立閥系磨損評(píng)定試驗(yàn)方法(JASO M354:1999)。2000年10月，JAMA與PAJ提議，根據(jù)日本各汽車廠家的要求，制定了柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)JASO M355:2000，并命名為“JASO DH-1”，規(guī)定了日本汽車OEM制造的四沖程柴油機(jī)裝填和售后服務(wù)用油的最低性能要求。該標(biāo)準(zhǔn)通過JEOSIP的On-File體系執(zhí)行。同時(shí)，JEOSIP成立了工作組，見圖2，以確保試驗(yàn)程序的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。

圖2 JASO發(fā)動(dòng)機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行組織

JASO M355:2000標(biāo)準(zhǔn)于2005年升級(jí)修訂為JASO M355：2005，包括DH-1、DH-2、DL-1三種規(guī)格，其中DH-1、DH-2是針對重型柴油車的規(guī)格，DL-1則是針對輕型柴油車的規(guī)格[3]；于2017年升級(jí)修訂為JASO M355：2017，包括DH-1、DH-2、DL-1、DH-2F和DL-0五種規(guī)格，其中DH-2F為燃油經(jīng)濟(jì)性型柴油機(jī)油規(guī)格[4]。期間，也多次對JASO M355標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了如下主要修訂：(1)2008年對DH-2規(guī)格中的氯元素含量指標(biāo)的上限進(jìn)行了修訂[5]；(2)2014年采用日野N04C發(fā)動(dòng)機(jī)替換Nissan TD25發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行活塞清凈性試驗(yàn)(JASP M366：2014)[6]；(3)2015年采用日野N04C發(fā)動(dòng)機(jī)替換三菱4D34T4發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行閥系磨損試驗(yàn)(JASO M354：2015)，并使用新的參考油DV3和DV4[7]。JASO重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格的發(fā)展歷程見表2[4]。

表2 JASO柴油機(jī)油規(guī)格的發(fā)展歷程

3 日本重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格

3.1 JASO DH-1

JASO DH-1柴油機(jī)油規(guī)格包含4個(gè)臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)和7個(gè)理化試驗(yàn)。4個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)分別是活塞清凈性、閥系磨損、煙炱分散性和高溫抗氧化試驗(yàn)；7個(gè)理化試驗(yàn)分別是熱管試驗(yàn)、抗泡、抗腐蝕、蒸發(fā)損失、總堿值、剪切穩(wěn)定性和橡膠密封性。JASO DH-1規(guī)格的性能要求與測試方法見表3[8]。

表3 JASO DH-1重負(fù)荷柴油機(jī)油性能要求和試驗(yàn)方法

表3(續(xù))

從表3可以看出，JASO DH-1規(guī)格的顯著特點(diǎn)是總堿值要求不小于10，分別采用了北美、歐洲以及日本的臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)方法。其中JASO M336和JASO M354是日本新建的臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)；抗腐蝕、煙炱分散性和高溫抗氧化分別為美國的ASTM D6594、Mack T-8A和Sequence ⅢE臺(tái)架試驗(yàn)，Mack T-8A曾使用于API CF-4規(guī)格油品的性能評(píng)定、ASTM D6594和Sequence ⅢE曾使用于API CH-4規(guī)格油品的性能評(píng)定；橡膠密封性為歐洲的CEC-L-39-T試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)適用于燃燒高硫燃料的柴油機(jī)，同時(shí)也適用于使用低硫燃料的柴油機(jī)，滿足Japan NST、Euro Ⅱ&Ⅲ排放要求，得到了Hino、Mitsubishi Fuso和UD Trucks等日本發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的推薦。

3.2 JASO DH-2

為適應(yīng)日本“新長期”排放法規(guī)，汽車OEM除了采用EGR、燃燒改進(jìn)、高壓共軌、延遲噴射、電子控制等技術(shù)外，還必須采用如冷卻EGR、DPF和SCR等先進(jìn)技術(shù)。然而PEC進(jìn)行的系列試驗(yàn)表明，高灰分的DH-1油品會(huì)造成DPF的堵塞，硫、磷元素對DPF和選擇性催化再生器是有較大影響，但磷元素含量太低又會(huì)造成凸輪軸承嚴(yán)重磨損，并出現(xiàn)點(diǎn)蝕[9]。于是日本推出了JASO DH-2重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格，該標(biāo)準(zhǔn)除對油品的硫酸鹽灰分、硫、磷元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格限制外，油品的活塞清凈性、閥系磨損、煙炱分散性、高溫氧化、蒸發(fā)損失以及剪切穩(wěn)定性等指標(biāo)與DH-1-05的基本一致，其性能要求和試驗(yàn)方法見表4[4]。

表4 JASO DH-2重負(fù)荷柴油機(jī)油性能要求和試驗(yàn)方法

表4(續(xù))

JASO DH-2油品要求硫酸鹽灰分不大于(1.0±0.1)%、硫元素含量不大于0.5%、磷元素含量不大于0.12%，以降低油品對尾氣后處理系統(tǒng)的不良影響。JASO DH-2油品適用于硫含量不大于50 μg/g且?guī)в泻筇幚硐到y(tǒng)的重負(fù)荷柴油機(jī)，如卡車和公交車。DH-2與DH-1的性能對比見表5。

表5 DH -1與DH-2的性能對比

3.3 JASO DH-2F與JASO DL-0

3.3.1 JASO DH-2F

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，石油資源短缺的矛盾日益突出，柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性問題已引起世界各國的廣泛關(guān)注。2015年日本發(fā)布了重負(fù)荷柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)，并在研討下一步更加嚴(yán)格的重型車燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。為適應(yīng)燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)以及減少汽車CO2的排放，需要燃油經(jīng)濟(jì)性型的柴油機(jī)油[10]。然而，在日本作為柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的JASO M355中并不包括任何燃油經(jīng)濟(jì)性要求，因此，日本在建立重負(fù)荷柴油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了燃油經(jīng)濟(jì)性重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格“DH-2F”，該規(guī)格在JASO DH-2-17重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格的基礎(chǔ)上，增加了燃油經(jīng)濟(jì)性要求，其性能指標(biāo)見表6[4]。

表6 JASO DH-2F重負(fù)荷柴油機(jī)油性能要求和試驗(yàn)方法

表6(續(xù))

3.3.2 JASO DL-0

為滿足東南亞地區(qū)歐Ⅳ以下排放法規(guī)的要求，JAMA下屬的許多機(jī)構(gòu)向該地區(qū)的客車客戶推薦API CF-4級(jí)別的油品，然而，API CF-4規(guī)格在2008年就已經(jīng)廢除。JAMA認(rèn)為，在東南亞地區(qū)，與API CF-4級(jí)別性能相當(dāng)?shù)挠推芬廊挥休^大的市場需求，因此，在JAMA的建議下，由JAMA和PAJ聯(lián)合組建的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)油(PCMO)工作組建議建立新的發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格JASO DL-0來替代API CF-4，以滿足東南亞地區(qū)的市場需求。

JASO DL-0要求硫酸鹽灰分不大于1.6%，堿值不小于8 mgKOH/g，蒸發(fā)損失不大于15%，且對高溫抗泡有要求，其他性能指標(biāo)與2017年修訂版的JASO DH-1規(guī)格一致，JASO DL-0重負(fù)荷柴油機(jī)油性能要求和試驗(yàn)方法見表7[4]。

表7 JASO DL-0重負(fù)荷柴油機(jī)油性能要求和試驗(yàn)方法

表7(續(xù))

4 日本重負(fù)荷柴油機(jī)油性能評(píng)定試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定與發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用性能具有良好的相關(guān)性，在發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格建立和發(fā)展的過程中起到?jīng)Q定性作用。日本在建立和發(fā)展自己的重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格過程中，十分重視臺(tái)架評(píng)定試驗(yàn)方法的開發(fā)，并在API規(guī)格臺(tái)架的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的國情，先后建立了閥系磨損試驗(yàn)、活塞清凈性試驗(yàn)、熱管試驗(yàn)和燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)等臺(tái)架試驗(yàn)方法，為日本柴油機(jī)油規(guī)格的建立、發(fā)展與完善起到了推進(jìn)作用。

4.1 活塞清凈性試驗(yàn)(JASO M336：1998)

柴油機(jī)油在高溫氧化和各種雜質(zhì)的催化下發(fā)生氧化、聚合、縮合等系列變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的頂部、底面、側(cè)面和曲軸中產(chǎn)生積炭、漆膜和油泥等沉積物，對發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞潤滑、傳熱、點(diǎn)火、爆震等產(chǎn)生重大影響。柴油機(jī)油高溫清凈性能是評(píng)定柴油機(jī)油在形成氧化產(chǎn)物后油品溶解、分散、中和氧化產(chǎn)物、抑制漆膜和積炭生成的能力，是柴油機(jī)油的重要使用性能之一。API采用卡特彼勒開發(fā)的系列臺(tái)架試驗(yàn)方法來評(píng)定柴油機(jī)油的高溫清凈性，如API CF-4采用Cat 1K，API CH-4采用Cat 1K/1P。日本低排放柴油機(jī)與美國的相比，最典型的差異是活塞頂環(huán)槽位置較低，致使日本柴油機(jī)頂環(huán)槽溫度較低，對活塞的清凈性要求更加嚴(yán)格。為適應(yīng)日本柴油機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，日本采用Nissan TD25發(fā)動(dòng)機(jī)來建立評(píng)定油品活塞清凈性的試驗(yàn)方法，其技術(shù)參數(shù)見表8，臺(tái)架試驗(yàn)條件見表9[11]，JASO M336:1998發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表10[8]。

表8(續(xù))

表9 JASO M336試驗(yàn)條件

表10 JASO M336:1998發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)

4.2 閥系磨損試驗(yàn)(JASO M354：1999)

因日本柴油機(jī)在應(yīng)用API CG-4油品時(shí)會(huì)出現(xiàn)閥系磨損現(xiàn)象，為解決這一問題，JAMA與PAJ合作，采用具有代表性的三菱4D34T4發(fā)動(dòng)機(jī)建立閥系磨損臺(tái)架試驗(yàn)方法。該方法在4.5%煙炱含量下進(jìn)行凸輪直徑損失測定，試驗(yàn)條件較為苛刻，與API CH-4標(biāo)準(zhǔn)水平相當(dāng)。技術(shù)參數(shù)見表11，試驗(yàn)條件見表12[12]，JASO M354:1999臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表13[8]。

表11(續(xù))

表12 JASO M354試驗(yàn)條件

表13 JASO M354:1999發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)

4.3 熱管試驗(yàn)(JPI-5S-55-99)

由于JASO M336活塞清凈性臺(tái)架試驗(yàn)方法不能準(zhǔn)確有效地評(píng)定活塞頂部底面表面沉積物，于是JASO采用JPI熱管試驗(yàn)(JPI-5S-55)來模擬評(píng)定油品的這一性能，試驗(yàn)裝置見圖3。該方法的原理是被測試樣(柴油機(jī)油)在受控的高溫氧化環(huán)境中與氧氣混合后，在受高溫的玻璃管中循環(huán)回流，經(jīng)過設(shè)定的溫度與時(shí)間后，受熱玻璃管的內(nèi)管壁會(huì)產(chǎn)生沉積物。沉積物顏色的深淺及沉積量與試驗(yàn)油品的清凈性有一定相關(guān)性，以試管漆膜顏色評(píng)級(jí)來模擬評(píng)定柴油機(jī)油的高溫清凈性。依據(jù)玻璃管內(nèi)壁沉積漆膜顏色及沉積物長度將熱管沉積分為0～10級(jí)共11個(gè)等級(jí)，0級(jí)最好，10級(jí)最差。該試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為280 ℃，試驗(yàn)油的流速為0.3 cm3/h，試驗(yàn)結(jié)束后，洗凈反應(yīng)管并與標(biāo)準(zhǔn)色管進(jìn)行對比，油品試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)為不小于7級(jí)[8]。JASO DH-1與API CD熱管試驗(yàn)對比結(jié)果見圖4，可以看出，JASO DH-1具有更優(yōu)異的高溫清凈性。

圖3 熱管試驗(yàn)裝置

圖4 JASO DH-1與API CD熱管試驗(yàn)對比

4.4 燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)(JASO M362：2017)

為應(yīng)對日益苛刻的柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)，許多先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于柴油機(jī)的改進(jìn)以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，比如先進(jìn)的柴油機(jī)油和添加劑技術(shù)。然而，目前世界上還沒有評(píng)定重負(fù)荷柴油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性的臺(tái)架試驗(yàn)方法。為此，JAMA和PAJ下屬的大量機(jī)構(gòu)進(jìn)行了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)方法的研究工作。在由JAMA和PAJ組成的聯(lián)合工作組進(jìn)行的系列重負(fù)荷柴油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性研究的基礎(chǔ)上，日本建立了世界上第一個(gè)重負(fù)荷柴油機(jī)油燃油經(jīng)濟(jì)性的臺(tái)架試驗(yàn)方法，并命名為“JASO M362：2017”。該方法采用應(yīng)用了最新發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)并滿足日本2010年排放法規(guī)的Hino Motors發(fā)動(dòng)機(jī)N04C-VH，其技術(shù)參數(shù)見表14[8]，照片見圖5，試驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)見表15[4]。該發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)也用于油品清凈性試驗(yàn)和閥系磨損試驗(yàn)的評(píng)定，大大節(jié)約了油品規(guī)格的開發(fā)成本和時(shí)間。

表14 N04C-VH發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖5 N04C-VH發(fā)動(dòng)機(jī)

%

5 總結(jié)與建議

(1)通過政府的支持和國內(nèi)多家潤滑油相關(guān)組織的共同努力，吸取北美API和歐洲ACEA規(guī)格發(fā)展中的成功經(jīng)驗(yàn)，在建立符合國情的臺(tái)架試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，日本建立了統(tǒng)一的JASO柴油機(jī)油規(guī)格，該規(guī)格作為日本柴油發(fā)動(dòng)機(jī)填裝油和售后服務(wù)用油的最低質(zhì)量要求，對發(fā)動(dòng)機(jī)油的各項(xiàng)性能指標(biāo)做了具體規(guī)定。JASO柴油機(jī)油規(guī)格的不斷升級(jí)與更新，順應(yīng)了汽車技術(shù)、排放法規(guī)與燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的發(fā)展，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑需求。

(2)我國排放法規(guī)、燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)、車輛工況和燃油質(zhì)量等與美國的不盡相同，之前一直采用的API規(guī)格已無法滿足我國汽車工業(yè)的發(fā)展需求，因此，建立國內(nèi)統(tǒng)一的柴油機(jī)油規(guī)格已迫在眉睫。當(dāng)然，這不是一件簡單容易的事情，也不可能一蹴而就，可以先進(jìn)行頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)，再由易到難，逐步完善。

(3)目前，國內(nèi)柴油機(jī)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)自主化，且擁有建立自主柴油機(jī)油規(guī)格的技術(shù)條件和硬件資源。在規(guī)格建立過程中，可以根據(jù)國內(nèi)OEM的用油需求，借鑒美國API、歐洲ACEA以及日本JASO的成功經(jīng)驗(yàn)，成立汽車、石油石化及相關(guān)行業(yè)共同組成的協(xié)會(huì)，建立各組織間良好的合作體制，共同制定自主柴油機(jī)油規(guī)格發(fā)展路線圖，進(jìn)而早日建立我國統(tǒng)一的柴油機(jī)油規(guī)格。

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