國(guó)Ⅵ排放對(duì)內(nèi)燃機(jī)油性能要求

趙正華，王欣，衛(wèi)持，焦軍平，金鵬，張勤

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060;2.中國(guó)石油南京潤(rùn)滑油銷售分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

汽車行業(yè)的快速發(fā)展給我們生活帶來(lái)許多不便，在我國(guó)，空氣污染的重要來(lái)源是機(jī)動(dòng)車尾氣排放，也是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因[1]，機(jī)動(dòng)車污染問(wèn)題日益突出，易導(dǎo)致人體機(jī)體缺氧、致癌、呼吸系統(tǒng)疾病等[2]。小型客車是一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)的主要貢獻(xiàn)者，重型貨車則是氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)的主要來(lái)源，全國(guó)汽油車一氧化碳(CO)排放量占85.0%，柴油車氮氧化物(NOx)占100%，其中國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車排放量最高，各項(xiàng)污染物排放量占50%以上，而電動(dòng)車、天然氣及其他代用燃料汽車排放微乎其微，因此，未來(lái)的發(fā)展必然是淘汰老舊車輛，發(fā)展并應(yīng)用國(guó)Ⅵ排放車輛和新能源汽車。

1 國(guó)Ⅵ排放法規(guī)

早在2016年12月和2018年6月，我國(guó)生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局先后聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)試方法(中國(guó)第六階段)》[3]、《重型柴油車污染物排放限值及車輛方法(中國(guó)第六階段)》[4]，上述排放標(biāo)準(zhǔn)分別適用于以點(diǎn)燃式或壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、最大設(shè)計(jì)車速大于或等于50 km/h的輕型汽車(包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車)、裝用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、天然氣或液化石油氣作為燃料的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車及其發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的氣態(tài)污染物的排放限值及測(cè)量方法，具體限值見(jiàn)表1和表2。

表1 輕型車國(guó)Ⅵ排放限值(Ⅰ型試驗(yàn))

表2 重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)國(guó)Ⅵ排放限值

與國(guó)Ⅴ排放法規(guī)相比，輕型車CO和THC限值要求降低50%，重型柴油車NOx和PM限值要求分別降低77%和67%，并增加了顆粒物粒數(shù)(PN)限值要求，該排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將有利于提升機(jī)動(dòng)車排放水平，進(jìn)一步減少污染排放，促進(jìn)空氣質(zhì)量改善。

2 國(guó)Ⅵ排放階段發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

每一次排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，隨之而來(lái)的就是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新。解決排放問(wèn)題的技術(shù)和方案主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化、尾氣后處理、機(jī)油性能改善、燃油品質(zhì)提升等四大方面的內(nèi)容，其中機(jī)內(nèi)凈化和尾氣后處理是汽車行業(yè)最為常見(jiàn)也最被關(guān)注的努力方向和領(lǐng)域。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括活塞頂環(huán)槽提升、高壓共軌、渦輪增壓、延遲噴射和EGR等，但是單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)難以達(dá)到國(guó)Ⅳ以及更高級(jí)別排放法規(guī)的控制要求，通常還需要配合尾氣后處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)減排，常見(jiàn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)包括SCR(選擇性催化還原器)、G/DPF(顆粒捕集器)、DOC(氧化催化轉(zhuǎn)換器)、EGR(廢氣再循環(huán))、POC(顆粒氧化型催化劑)、LNC(NOX吸附技術(shù))和LNT(稀燃NOX捕集技術(shù))[5-6]。

上述后處理裝置通常以物理吸附、捕捉或者化學(xué)的催化還原為基本原理，因此設(shè)備可能存在以吸附空間堵塞、催化劑中毒為主的失效模式。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油而言，可能引發(fā)堵塞的灰分以及造成催化劑中毒的硫、磷等配方成分的控制顯得尤為重要，表3列出了常見(jiàn)后處理技術(shù)對(duì)潤(rùn)滑油灰分、磷、硫的要求。

表3 不同后處理裝置對(duì)潤(rùn)滑油硫、磷、灰分的控制要求

發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)旨在通過(guò)提高燃燒效率、動(dòng)力輸出、減少污染物排放等途徑最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排，面臨苛刻的國(guó)Ⅵ排放限值，不得不采用多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)共同改善發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒效率、減少機(jī)外排放物，作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將主要采用EGR+DPF+SCR技術(shù)路線，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將主要采用TGDI+GPF+TWC技術(shù)路線。但發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的采用也會(huì)帶來(lái)一些副作用，例如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的低速早燃、進(jìn)氣閥沉積物、燃油稀釋、催化劑中毒和正時(shí)鏈條磨損風(fēng)險(xiǎn)等，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的煙炱的產(chǎn)生和聚集、活塞-缸套磨損加劇、機(jī)內(nèi)溫度高會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油快速衰敗等[8-9]。

綜上所述，排放法規(guī)的升級(jí)、發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的采用對(duì)內(nèi)燃機(jī)油在煙炱分散性、高溫清凈性、抗氧化能力、油泥分散以及磨損、元素含量等方面的要求逐步提高，進(jìn)而推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)油規(guī)格的不斷向前發(fā)展，各發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)油性能要求見(jiàn)表4[10]。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)油性能的要求

內(nèi)燃機(jī)油主要為發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦部位提供潤(rùn)滑保護(hù)，同時(shí)也兼顧冷卻、清潔、密封和防銹等作用。由于其液態(tài)特點(diǎn)以及部分使用部位的關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)油本身的揮發(fā)和可能的少量燃燒產(chǎn)物同樣會(huì)對(duì)后處理裝置的性能及耐久性產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及尾氣排放?？紤]到實(shí)現(xiàn)更低排放的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)油的工況發(fā)生了變化，因此內(nèi)燃機(jī)油的性能提升及配方升級(jí)成為必然。

3 國(guó)Ⅵ排放階段內(nèi)燃機(jī)油規(guī)格及其性能要求

基于排放、節(jié)能和延長(zhǎng)換油期三大推動(dòng)力，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新，也推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)油規(guī)格的發(fā)展，我國(guó)重負(fù)荷柴油機(jī)油主要沿用API規(guī)格，2016年12月，API公布了最新的柴油機(jī)油規(guī)格API CK-4和FA-4，其中API CK-4規(guī)格為低灰分、低磷和低硫含量的柴油機(jī)油，并進(jìn)一步提升了油品的抗氧化、高溫清凈性，可滿足國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的潤(rùn)滑需求；FA-4規(guī)格為節(jié)能型、低黏度柴油機(jī)油規(guī)格，可進(jìn)一步提升油品的燃油經(jīng)濟(jì)性。

重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格的升級(jí)和性能要求，從要求通過(guò)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目及其通過(guò)指標(biāo)就能一目了然地看出差異，重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格具體要求見(jiàn)表5[11]。

表5 重負(fù)荷柴油機(jī)油規(guī)格中發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)要求

表5(續(xù))

由此可見(jiàn)，重負(fù)荷柴油機(jī)油技術(shù)發(fā)展的主要方向和難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)優(yōu)異的黏溫性能，具有優(yōu)異的低溫流動(dòng)性，滿足較寬溫域范圍內(nèi)使用，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供良好潤(rùn)滑保護(hù)；

(2)優(yōu)異的煙炱分散性，抑制油品因煙炱含量過(guò)高引起的黏度過(guò)度增長(zhǎng)，進(jìn)一步減少因煙炱顆粒聚集導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損；

(3)優(yōu)異的氧化安定性，有效控制油品由于氧化導(dǎo)致的黏度增長(zhǎng)及活塞沉積物的生成，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)油使用壽命；

(4)優(yōu)異的高溫清凈性，防止因采用燃油直噴技術(shù)所造成的活塞環(huán)黏結(jié)和缸套拋光并保持發(fā)動(dòng)機(jī)高度清潔；

(5)優(yōu)異的抗磨性，防止機(jī)件磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命；

(6)較低的黏度和極佳的減摩性能，使油品具備優(yōu)異的節(jié)能性；

(7)較低的硫酸鹽灰分、硫、磷含量，使油品具備優(yōu)異的環(huán)保性。

而輕負(fù)荷汽油機(jī)油相對(duì)比較復(fù)雜，要同時(shí)兼顧美國(guó)和日本汽車制造協(xié)會(huì)的規(guī)格，最新公布的SP、GF-6規(guī)格[11]，在低速早燃、磨損、抗氧化和油泥分散性等方面有了很大的性能提升。輕負(fù)荷汽油機(jī)油規(guī)格具體要求見(jiàn)表6。

表6 輕負(fù)荷汽油機(jī)油規(guī)格中發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)要求

由此可見(jiàn)，輕負(fù)荷汽油機(jī)油技術(shù)發(fā)展的主要方向和難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)優(yōu)異的黏溫性能，具有優(yōu)異的低溫流動(dòng)性，滿足較寬溫域范圍內(nèi)使用，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供良好潤(rùn)滑保護(hù)；

(2)優(yōu)異的油泥分散性，抑制油泥生成，并能將油泥均勻分散在油中，減少部件磨損；

(3)優(yōu)異的氧化安定性，有效控制油品由于氧化導(dǎo)致的黏度增長(zhǎng)及活塞沉積物的生成，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)油使用壽命；

(4)優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性；

(5)優(yōu)異的抗磨性，防止凸輪、正時(shí)鏈條等部件磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命；

(6)低的黏度和極佳的減摩性能，使油品具備優(yōu)異的節(jié)能性；

(7)較低的鈣含量，抑制發(fā)動(dòng)機(jī)低速早燃。

4 國(guó)Ⅵ排放階段內(nèi)燃機(jī)油市場(chǎng)需求

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展，高速物流、快遞行業(yè)得到了飛速發(fā)展，消費(fèi)能力大幅提高，與之緊密結(jié)合的汽車行業(yè)的發(fā)展也不容小覷，目前國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)中商用車和乘用車銷量雖略有起伏，但全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量仍然高居3.1億輛，商用車以我國(guó)一汽、二汽、重汽、陜汽、福田等自主品牌為主，而乘用車則是國(guó)產(chǎn)品牌和合資品牌平分天下。

我國(guó)潤(rùn)滑油年消費(fèi)量約600萬(wàn)t，其中柴油機(jī)油的年消費(fèi)量約110萬(wàn)t，汽油機(jī)油為75萬(wàn)t，國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑油市場(chǎng)結(jié)構(gòu)豐富多樣，不僅是品牌多樣化，除國(guó)際知名品牌外，民族品牌也異軍突起，如昆侖、長(zhǎng)城、統(tǒng)一等；而且在質(zhì)量等級(jí)方面，高、中、低檔油并存。隨著未來(lái)經(jīng)濟(jì)和汽車行業(yè)的共同發(fā)展，市場(chǎng)需求將以現(xiàn)有主流產(chǎn)品CH-4、CI-4柴油機(jī)油、SN汽油機(jī)油逐步向高端產(chǎn)品CK-4柴油機(jī)油、SP汽油機(jī)油迅速過(guò)渡，高檔內(nèi)燃機(jī)油產(chǎn)品必將從無(wú)到有，逐步擴(kuò)大并占據(jù)大量的市場(chǎng)份額。

5 小結(jié)

(1)國(guó)Ⅵ排放的實(shí)施，大大降低了CO、THC、NOx和PM的排放，同時(shí)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新，對(duì)內(nèi)燃機(jī)油在煙炱分散性、高溫清凈性、抗氧化能力、油泥分散以及磨損、元素含量等性能方面提出了苛刻的要求。

(2)未來(lái)我國(guó)內(nèi)燃機(jī)油將由CH-4、CI-4柴油機(jī)油、SN汽油機(jī)油逐漸向CK-4柴油機(jī)油、SP汽油機(jī)油過(guò)渡。