國六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潤滑油行業(yè)的影響

劉飛磊，郭昌維

(1.中國石化潤滑油有限公司鄭州分公司，河南 鄭州450000；2.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116001)

0 引言

國家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，以下簡(jiǎn)稱“國六”，包括《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》[1]和《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》[2]2部分，由環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局分別于2016年12月23日、2018年6月22日發(fā)布，分別自2020年7月1日、2019年7月1日實(shí)施。此舉將使中國成為汽車排放標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的國家。

1 國六排放法規(guī)對(duì)柴油機(jī)商用車影響

雖然柴油車只占我國機(jī)動(dòng)車保有量的不足10%，然而環(huán)保部數(shù)據(jù)顯示78%的氮氧化物和82%的顆粒物排放均來自重型柴油車，所以控制汽車排放的重點(diǎn)之一就是減少重型柴油車的排放。[3]

1.1 實(shí)施時(shí)間表

重型柴油車國六標(biāo)準(zhǔn)分成a和b兩個(gè)階段，a比b 要稍微寬松一些。比如6a是不用測(cè)試PN(顆粒物數(shù)量)的，也不用遠(yuǎn)程OBD傳輸數(shù)據(jù)。具體實(shí)施時(shí)間見表1。

表1 國六a和國六b的實(shí)施時(shí)間

自規(guī)定的實(shí)施之日起，凡不滿足本標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)階段要求的新車不得生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和注冊(cè)登記。凡不滿足本標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)階段要求的新發(fā)動(dòng)機(jī)不得生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和投入使用。

對(duì)商用車而言，與國五標(biāo)準(zhǔn)相比，氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放限值都分別加嚴(yán)77%、67%；發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況從歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)改為更具有代表性的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC)和世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)；加嚴(yán)了排放控制裝置的耐久里程要求，并對(duì)排放相關(guān)零部件提出了排放質(zhì)保期的規(guī)定；首次將遠(yuǎn)程排放管理車載終端(遠(yuǎn)程OBD)的要求應(yīng)用到國家標(biāo)準(zhǔn)；提出了更為嚴(yán)格的合規(guī)監(jiān)管要求等。這些意味著，重型汽車國六標(biāo)準(zhǔn)將成為全球最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.2 國六柴油機(jī)技術(shù)路線

針對(duì)減排，從技術(shù)層面上看無非是減少發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生排放物(機(jī)內(nèi)凈化)和對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的排放物進(jìn)行處理(機(jī)外凈化)來實(shí)現(xiàn)減排。NOx主要是在燃燒過程中，空氣中78%含量的氮?dú)庠诟邷叵罗D(zhuǎn)化為NOx，溫度低于1600 ℃時(shí)不明顯，而高于此溫度時(shí)NOx迅速增加，而高溫則有利于減少PM的形成。因此，在各種減排路線中，針對(duì)這兩種物質(zhì)進(jìn)行有所側(cè)重的處理[4]。

國六階段，柴油機(jī)需要燃油噴射系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)及尾氣后處理系統(tǒng)的協(xié)同標(biāo)定，才能保證達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)。由于國六大幅提高了碳?xì)浠衔?、氮氧化物等排放物限制，國六發(fā)動(dòng)機(jī)需要采取機(jī)內(nèi)凈化結(jié)合尾氣處理聯(lián)合方案，見表2。

表2 國六發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和尾氣處理聯(lián)合方案

尾氣處理方面，在國五階段，重卡采用SCR(國四升國五難度不大，由于SCR系統(tǒng)相對(duì)成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)改變小，開發(fā)成本低，SCR仍為主流)。輕卡采用EGR、DPF、DOC技術(shù)(為主)或者SCR。到了國六階段，需多種技術(shù)共同配合，各廠商技術(shù)路線出現(xiàn)分化，但SCR+DPF為標(biāo)配。尾氣處理系統(tǒng)路線見表3。

表3 尾氣處理系統(tǒng)技術(shù)路線

1.3 對(duì)柴機(jī)油的影響

柴油機(jī)具有高的熱效率、低的油耗和CO2排放，但其高的顆粒物(PM)和NOx排放是其滿足未來嚴(yán)格排放法規(guī)的主要障礙。針對(duì)PM和NOx排放的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)往往自相矛盾，如采用排氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)，雖然可以大幅降低NOx排放，但PM排放和燃油經(jīng)濟(jì)性問題增加。從長遠(yuǎn)看，柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)是解決PM和NOx的一種有效手段[5]。

柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中，柴油顆粒捕集器(DPF)對(duì)金屬等污染物比較敏感。潤滑油中的硫、磷及硫酸鹽灰分等通過不同機(jī)制會(huì)影響DPF后處理裝置，進(jìn)而影響排放。

DPF對(duì)潤滑油的要求其實(shí)也很簡(jiǎn)單，就是LOW SAPS(低硫、低磷、低灰分)，最主要的是低灰分，灰分過高，容易堵住DPF而產(chǎn)生問題。這一點(diǎn)是國六柴油車最重要的選油標(biāo)準(zhǔn)。目前來說，國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)只能選擇CJ-4、CK-4、E6和E9油品，該規(guī)格對(duì)SAPS限值見表4。

表4 最新柴油機(jī)油規(guī)格對(duì)SAPS的限值

2 國六排放法規(guī)對(duì)乘用車影響

2.1 排放法規(guī)實(shí)施時(shí)間

輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)也分為a和b兩個(gè)階段，六a可以看做是一個(gè)過渡標(biāo)準(zhǔn)。排放標(biāo)準(zhǔn)限值和國五標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表5。

表5 國六標(biāo)準(zhǔn)和國五標(biāo)準(zhǔn)排放限值變化 g/km(PN的單位：個(gè)/千米)

注：國五標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PM的限值僅針對(duì)直噴汽油機(jī)。

自2020年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合6a階段限值要求。自2023年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合6b階段限值要求。與國五相比，國六測(cè)試循環(huán)由新歐洲測(cè)試循環(huán)(NEDC)改變?yōu)槭澜巛p型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)(WLTC)。國六b階段要求的常規(guī)氣態(tài)物排放限值降低了50%，增加了N2O和顆粒物數(shù)量PN的限值。

第五階段的乘用車燃耗限值將于2020年實(shí)施。第五階段標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在不到10年的時(shí)間里燃耗將降低34%。

2.2 機(jī)內(nèi)和機(jī)外技術(shù)相結(jié)合方可滿足國六標(biāo)準(zhǔn)

為了配合此番排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性上的大跨步調(diào)整，汽車生產(chǎn)商在近些年已在硬件優(yōu)化上做了非常多嘗試和努力。

2.2.1 機(jī)內(nèi)技術(shù)

通過渦輪增壓缸內(nèi)直噴技術(shù)(TGDI)、廢棄再循環(huán)技術(shù)(EGR)、可變氣門正時(shí)技術(shù)(VVT)等多種技術(shù)綜合利用，提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒效率，降低CO、HC及NOx。

越來越多乘用車開始配備渦輪增壓直噴(TGDI)發(fā)動(dòng)機(jī)。據(jù)預(yù)測(cè)，截止2020年絕大多數(shù)的新發(fā)動(dòng)機(jī)將采用TGDI，市場(chǎng)份額將超過50%。渦輪增壓器的工作特點(diǎn)決定發(fā)動(dòng)機(jī)零部件要承受較高的溫度及更大的撞擊、擠壓和剪切力，需要油品具有更高的抗氧化性能、高溫清凈性能、抗磨性能以及抗剪切性能[6]。另外，TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)給潤滑油帶來的三大主要挑戰(zhàn)[7]：

(1)煙炱和油泥。由于噴油和燃燒方式的改變，使得煙炱對(duì)TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)而言是一個(gè)直接而明顯的挑戰(zhàn)。TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)中的煙炱會(huì)導(dǎo)致機(jī)油迅速變稠，黏度急劇上升。不僅如此，噴油方式的改變還帶來另外一個(gè)挑戰(zhàn)——燃油稀釋水平增高，從而生成大量的油泥。應(yīng)對(duì)這些新的情況，就要求發(fā)動(dòng)機(jī)油有更優(yōu)異的抗氧化及油泥分散性能。

(2)低速早燃(LSPI)。相比傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)更為緊湊，可在更大載荷和更低轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行?？墒牵S之也帶來了新問題。較高的缸內(nèi)壓力和較低的運(yùn)行速度更容易形成非受控的燃燒環(huán)境。低速早燃就是TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)特有的發(fā)生于汽缸中的非受控燃燒形式。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震相似，但破壞性更為嚴(yán)重。

(3)正時(shí)鏈磨損。所有發(fā)動(dòng)機(jī)最終都會(huì)發(fā)生磨損，但TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)鏈磨損得尤其快。由于TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)固有的特殊條件，竄漏氣會(huì)將不完全燃燒產(chǎn)生的顆粒物帶入機(jī)油中，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈可能過早地受到快速磨損。鏈節(jié)和銷軸經(jīng)過這種快速磨損后，正時(shí)鏈將會(huì)被明顯拉伸，進(jìn)而影響到其精確正時(shí)功能，并將進(jìn)一步影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此需要機(jī)油具有更好的顆粒物分散性能以及恰當(dāng)?shù)目鼓ケＷo(hù)能力。

2.2.2 機(jī)外凈化技術(shù)

借助三元催化轉(zhuǎn)化器TWC和汽油機(jī)顆粒捕集器GPF。其中，TWC安裝在排氣管上，通過催化劑反應(yīng)，進(jìn)一步將HC氧化為H2O、CO2，且有效促使NOx和CO發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和N2。GPF作用是微粒物吸附在管壁上，降低顆粒物PM和PN。

對(duì)乘用車而言，顆粒物數(shù)量(PN)限值將導(dǎo)致汽油顆粒捕集器的大規(guī)模普及。雖然在短期內(nèi)可以不依靠汽油顆粒捕集器(GPF)就能達(dá)到國6a的要求，但2023年的真實(shí)駕駛排放試驗(yàn)必將迅速推動(dòng)所有類型的汽油車采用顆粒捕集器。而且一些主要城市還計(jì)劃提前實(shí)施國6b，這將使整體情況變得更為緊迫。

考慮到主機(jī)廠商對(duì)于汽油顆粒捕集器(GPF)的廣泛應(yīng)用。后處理系統(tǒng)需要更低灰分(SAPS)的油品。

2.3 對(duì)汽機(jī)油的影響

2.3.1 開發(fā)GF-6、SP等規(guī)格滿足排放和燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)

現(xiàn)有的汽機(jī)油規(guī)格主要針對(duì)2009年以前出現(xiàn)的汽車，很難滿足最新的發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求?；谝陨蠁栴}，ILSAC決定開發(fā)性能更高的汽油機(jī)油規(guī)格GF-6，來解決新技術(shù)帶來新問題以及滿足日益嚴(yán)格的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)。GF-6比GF-5在沉積物的控制與清凈、燃油經(jīng)濟(jì)性的提高與保持、更好地抗磨保護(hù)和加入低速早燃試驗(yàn)等4個(gè)方面有明顯提升[8]。主要變化見表6。

表6 GF-6與GF-5相比性能變化

對(duì)基礎(chǔ)油和添加劑方面影響[9]：

(1)基礎(chǔ)油：由于GF-6規(guī)格要求降低潤滑油的揮發(fā)度以及更好的抗氧化性，因此迫使?jié)櫥凸?yīng)商使用更好的基礎(chǔ)油，可以想象，在GF-6規(guī)格發(fā)布后，Ⅲ類基礎(chǔ)油的使用將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

(2)添加劑：新標(biāo)準(zhǔn)中要求潤滑油提供更好的磨損保護(hù)和清凈分散性。要求添加劑公司開發(fā)更好的減摩劑和清凈分散劑。特別注意的是，由于GF-6規(guī)格要求針對(duì)低速早燃問題有所改善，所以要求添加劑和潤滑油公司在提高清凈性的同時(shí)，還要考慮金屬添加劑對(duì)低速早燃的影響，這無疑是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

目前，ILSAC GF-6規(guī)格已獲批準(zhǔn)，ILSAC GF-6A和GF-6B的首次使用日期設(shè)定為2020年5月1日。同時(shí)，API SP和SP RC規(guī)格開發(fā)工作也基本完成。

2.3.2 GF-6規(guī)格推遲發(fā)布，導(dǎo)致SN Plus補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)推出

因GF-6的推遲發(fā)布，低速早燃(LSPI)造成了越來越嚴(yán)重的負(fù)面影響， OEM迫切要求立刻實(shí)施ILSAC GF-5標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)(TGDI)免遭災(zāi)難性損壞。API SN Plus建議標(biāo)準(zhǔn)不是一個(gè)全新的標(biāo)準(zhǔn)類別，而是一個(gè)與現(xiàn)有的API SN和ILSAC GF-5標(biāo)準(zhǔn)并列的類別。2018年5月1日，正式頒發(fā)API SN Plus的許可，作為油品升級(jí)到GF-6規(guī)格的過渡。

3 結(jié)束語

為達(dá)到國六標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)會(huì)采用機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化聯(lián)合方案，新技術(shù)或設(shè)備的實(shí)施將助推潤滑油行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)。國六柴油機(jī)必須使用LOW SAPS油品，柴油機(jī)油將由當(dāng)前市場(chǎng)主流級(jí)別CH-4、CI-4，升級(jí)至CJ-4、CK-4及E6等規(guī)格。汽油機(jī)方面，隨著TGDI、GPF的應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)ILSAC GF-6和API SP規(guī)格的呼聲越來越高，低灰分(SAPS)的油品將能提供更好的硬件保護(hù)。