日本重负荷柴油机油规格的建立与发展

石顺友，王雪梅，赵艳丽，汤占帅

(中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东 茂名 525011)

0 引言

发动机油被形象地称为汽车发动机的“血液”，对发动机的动力性、经济性和耐久可靠性有着直接影响。发动机油规格能够反映发动机油的整体性能水平，对规范发动机油的生产、使用和市场秩序，促进发动机油更新换代具有重要作用[1]。随着汽车工业技术的不断发展，发动机油的规格开始建立，并不断发展和完善。日本于1994年开始进行JASO柴油机油规格的开发工作，并于2000年公布了第一个柴油机油规格DH-1，通过十几年的发展，日本重负荷柴油机油规格从无到有，现已成为具有世界影响力的三大柴油机油规格之一。借鉴日本JASO柴油发动机油规格发展中的成功经验，对建立具有我国特色的，适应我国发展需求以及符合我国汽车工业特点的柴油机油规格具有重大意义。

1 日本润滑油行业标准组织

日本车用润滑油的发展工作与欧洲、美国一样，也是由汽车制造部门、润滑油和添加剂生产部门以及发动机台架试验方法部门组成。在日本，多数车用润滑油标准被命名为“JASO标准”，JASO(Japanese Automobile Standards Organization，日本汽车标准委员会)是JSAE下属负责材料标准、试验方法和汽车标准的部门。为了更好地应用新建立的润滑油标准，1994年，日本成立了JASO发动机油标准执行组织(JEOSIP)，以保障发动机油标准的切实执行。日本与润滑油相关的行业组织[2]见表1。

表1 日本润滑油行业组织

在标准制定过程中，JAMA起主导作用，PAJ、JSAE和JALOS是支持单位，JPI、JARI、PEC和JAST等行业/学术组织在需要时也给予支持和帮助。

2 日本柴油机油规格的建立背景与发展历程

2.1 建立背景

日本是汽车生产大国，为使日本汽车畅销世界，日本十分重视国际汽车标准和各国汽车标准的研究，且不断建立自己的标准。在建立统一的柴油机油规格之前，日本一直采用美国API柴油机油标准，而据JAMA的研究，在日本制造的柴油机上采用API CG-4/CH-4规格油品时会出现适应性问题，因日本较多地采用平板式“滑动型”的气门机构，相对于美国较多采用的滚柱式结构，其润滑要求更加苛刻(见图1)。此外，为满足日趋严格的排放法规，日本汽车OEMs要求建立新的油品标准。与此同时，在日本汽车市场份额较高的亚洲市场需要建立类似于日本的质量标准，以及日本汽车制造商同样参与并开展活动的亚洲SAE燃油和润滑油事业部指导委员会也要求建立柴油机油的质量标准。在此背景下，日本开始着手建立统一的柴油机油规格。

图1 日本与美国的柴油机结构差异

2.2 发展历程

1994年，JSAE下属发动机油分会与JALOS合作，采用硫含量低于0.05%的柴油开发柴油发动机油的试验方法。1998年3月，采用Nissan柴油发动机(TD25)建立发动机油清净性评定试验方法(JASO M336：1998)。1999年3月，采用三菱发动机(4D34T4)建立阀系磨损评定试验方法(JASO M354:1999)。2000年10月，JAMA与PAJ提议，根据日本各汽车厂家的要求，制定了柴油机油标准JASO M355:2000，并命名为“JASO DH-1”，规定了日本汽车OEM制造的四冲程柴油机装填和售后服务用油的最低性能要求。该标准通过JEOSIP的On-File体系执行。同时，JEOSIP成立了工作组，见图2，以确保试验程序的开发和标准的执行。

图2 JASO发动机油标准执行组织

JASO M355:2000标准于2005年升级修订为JASO M355：2005，包括DH-1、DH-2、DL-1三种规格，其中DH-1、DH-2是针对重型柴油车的规格，DL-1则是针对轻型柴油车的规格[3]；于2017年升级修订为JASO M355：2017，包括DH-1、DH-2、DL-1、DH-2F和DL-0五种规格，其中DH-2F为燃油经济性型柴油机油规格[4]。期间，也多次对JASO M355标准内容进行了如下主要修订：(1)2008年对DH-2规格中的氯元素含量指标的上限进行了修订[5]；(2)2014年采用日野N04C发动机替换Nissan TD25发动机进行活塞清净性试验(JASP M366：2014)[6]；(3)2015年采用日野N04C发动机替换三菱4D34T4发动机进行阀系磨损试验(JASO M354：2015)，并使用新的参考油DV3和DV4[7]。JASO重负荷柴油机油规格的发展历程见表2[4]。

表2 JASO柴油机油规格的发展历程

3 日本重负荷柴油机油规格

3.1 JASO DH-1

JASO DH-1柴油机油规格包含4个台架评定试验和7个理化试验。4个台架试验分别是活塞清净性、阀系磨损、烟炱分散性和高温抗氧化试验；7个理化试验分别是热管试验、抗泡、抗腐蚀、蒸发损失、总碱值、剪切稳定性和橡胶密封性。JASO DH-1规格的性能要求与测试方法见表3[8]。

表3 JASO DH-1重负荷柴油机油性能要求和试验方法

表3(续)

从表3可以看出，JASO DH-1规格的显著特点是总碱值要求不小于10，分别采用了北美、欧洲以及日本的台架评定试验方法。其中JASO M336和JASO M354是日本新建的台架评定试验；抗腐蚀、烟炱分散性和高温抗氧化分别为美国的ASTM D6594、Mack T-8A和Sequence ⅢE台架试验，Mack T-8A曾使用于API CF-4规格油品的性能评定、ASTM D6594和Sequence ⅢE曾使用于API CH-4规格油品的性能评定；橡胶密封性为欧洲的CEC-L-39-T试验方法。该标准适用于燃烧高硫燃料的柴油机，同时也适用于使用低硫燃料的柴油机，满足Japan NST、Euro Ⅱ&Ⅲ排放要求，得到了Hino、Mitsubishi Fuso和UD Trucks等日本发动机制造商的推荐。

3.2 JASO DH-2

为适应日本“新长期”排放法规，汽车OEM除了采用EGR、燃烧改进、高压共轨、延迟喷射、电子控制等技术外，还必须采用如冷却EGR、DPF和SCR等先进技术。然而PEC进行的系列试验表明，高灰分的DH-1油品会造成DPF的堵塞，硫、磷元素对DPF和选择性催化再生器是有较大影响，但磷元素含量太低又会造成凸轮轴承严重磨损，并出现点蚀[9]。于是日本推出了JASO DH-2重负荷柴油机油规格，该标准除对油品的硫酸盐灰分、硫、磷元素含量进行了严格限制外，油品的活塞清净性、阀系磨损、烟炱分散性、高温氧化、蒸发损失以及剪切稳定性等指标与DH-1-05的基本一致，其性能要求和试验方法见表4[4]。

表4 JASO DH-2重负荷柴油机油性能要求和试验方法

表4(续)

JASO DH-2油品要求硫酸盐灰分不大于(1.0±0.1)%、硫元素含量不大于0.5%、磷元素含量不大于0.12%，以降低油品对尾气后处理系统的不良影响。JASO DH-2油品适用于硫含量不大于50 μg/g且带有后处理系统的重负荷柴油机，如卡车和公交车。DH-2与DH-1的性能对比见表5。

表5 DH -1与DH-2的性能对比

3.3 JASO DH-2F与JASO DL-0

3.3.1 JASO DH-2F

随着汽车工业的快速发展，石油资源短缺的矛盾日益突出，柴油机燃油经济性问题已引起世界各国的广泛关注。2015年日本发布了重负荷柴油机的燃油经济性法规，并在研讨下一步更加严格的重型车燃油经济性目标。为适应燃油经济性法规以及减少汽车CO2的排放，需要燃油经济性型的柴油机油[10]。然而，在日本作为柴油机油标准应用的JASO M355中并不包括任何燃油经济性要求，因此，日本在建立重负荷柴油机油燃油经济性台架试验方法的基础上，发展了燃油经济性重负荷柴油机油规格“DH-2F”，该规格在JASO DH-2-17重负荷柴油机油规格的基础上，增加了燃油经济性要求，其性能指标见表6[4]。

表6 JASO DH-2F重负荷柴油机油性能要求和试验方法

表6(续)

3.3.2 JASO DL-0

为满足东南亚地区欧Ⅳ以下排放法规的要求，JAMA下属的许多机构向该地区的客车客户推荐API CF-4级别的油品，然而，API CF-4规格在2008年就已经废除。JAMA认为，在东南亚地区，与API CF-4级别性能相当的油品依然有较大的市场需求，因此，在JAMA的建议下，由JAMA和PAJ联合组建的轿车发动机油(PCMO)工作组建议建立新的发动机油规格JASO DL-0来替代API CF-4，以满足东南亚地区的市场需求。

JASO DL-0要求硫酸盐灰分不大于1.6%，碱值不小于8 mgKOH/g，蒸发损失不大于15%，且对高温抗泡有要求，其他性能指标与2017年修订版的JASO DH-1规格一致，JASO DL-0重负荷柴油机油性能要求和试验方法见表7[4]。

表7 JASO DL-0重负荷柴油机油性能要求和试验方法

表7(续)

4 日本重负荷柴油机油性能评定试验方法

发动机台架试验评定与发动机油的使用性能具有良好的相关性，在发动机油规格建立和发展的过程中起到决定性作用。日本在建立和发展自己的重负荷柴油机油规格过程中，十分重视台架评定试验方法的开发，并在API规格台架的基础上，结合自己的国情，先后建立了阀系磨损试验、活塞清净性试验、热管试验和燃油经济性试验等台架试验方法，为日本柴油机油规格的建立、发展与完善起到了推进作用。

4.1 活塞清净性试验(JASO M336：1998)

柴油机油在高温氧化和各种杂质的催化下发生氧化、聚合、缩合等系列变化，在发动机活塞的顶部、底面、侧面和曲轴中产生积炭、漆膜和油泥等沉积物，对发动机的活塞润滑、传热、点火、爆震等产生重大影响。柴油机油高温清净性能是评定柴油机油在形成氧化产物后油品溶解、分散、中和氧化产物、抑制漆膜和积炭生成的能力，是柴油机油的重要使用性能之一。API采用卡特彼勒开发的系列台架试验方法来评定柴油机油的高温清净性，如API CF-4采用Cat 1K，API CH-4采用Cat 1K/1P。日本低排放柴油机与美国的相比，最典型的差异是活塞顶环槽位置较低，致使日本柴油机顶环槽温度较低，对活塞的清净性要求更加严格。为适应日本柴油机的设计特点，日本采用Nissan TD25发动机来建立评定油品活塞清净性的试验方法，其技术参数见表8，台架试验条件见表9[11]，JASO M336:1998发动机台架试验通过标准见表10[8]。

表8(续)

表9 JASO M336试验条件

表10 JASO M336:1998发动机台架试验通过标准

4.2 阀系磨损试验(JASO M354：1999)

因日本柴油机在应用API CG-4油品时会出现阀系磨损现象，为解决这一问题，JAMA与PAJ合作，采用具有代表性的三菱4D34T4发动机建立阀系磨损台架试验方法。该方法在4.5%烟炱含量下进行凸轮直径损失测定，试验条件较为苛刻，与API CH-4标准水平相当。技术参数见表11，试验条件见表12[12]，JASO M354:1999台架试验通过标准见表13[8]。

表11(续)

表12 JASO M354试验条件

表13 JASO M354:1999发动机台架试验通过标准

4.3 热管试验(JPI-5S-55-99)

由于JASO M336活塞清净性台架试验方法不能准确有效地评定活塞顶部底面表面沉积物，于是JASO采用JPI热管试验(JPI-5S-55)来模拟评定油品的这一性能，试验装置见图3。该方法的原理是被测试样(柴油机油)在受控的高温氧化环境中与氧气混合后，在受高温的玻璃管中循环回流，经过设定的温度与时间后，受热玻璃管的内管壁会产生沉积物。沉积物颜色的深浅及沉积量与试验油品的清净性有一定相关性，以试管漆膜颜色评级来模拟评定柴油机油的高温清净性。依据玻璃管内壁沉积漆膜颜色及沉积物长度将热管沉积分为0～10级共11个等级，0级最好，10级最差。该试验的试验温度为280 ℃，试验油的流速为0.3 cm3/h，试验结束后，洗净反应管并与标准色管进行对比，油品试验通过标准为不小于7级[8]。JASO DH-1与API CD热管试验对比结果见图4，可以看出，JASO DH-1具有更优异的高温清净性。

图3 热管试验装置

图4 JASO DH-1与API CD热管试验对比

4.4 燃油经济性台架试验(JASO M362：2017)

为应对日益苛刻的柴油机燃油经济性法规，许多先进技术被应用于柴油机的改进以获得更好的燃油经济性，比如先进的柴油机油和添加剂技术。然而，目前世界上还没有评定重负荷柴油机油燃油经济性的台架试验方法。为此，JAMA和PAJ下属的大量机构进行了柴油发动机油燃油经济性台架试验方法的研究工作。在由JAMA和PAJ组成的联合工作组进行的系列重负荷柴油机油燃油经济性研究的基础上，日本建立了世界上第一个重负荷柴油机油燃油经济性的台架试验方法，并命名为“JASO M362：2017”。该方法采用应用了最新发动机技术并满足日本2010年排放法规的Hino Motors发动机N04C-VH，其技术参数见表14[8]，照片见图5，试验通过标准见表15[4]。该发动机同时也用于油品清净性试验和阀系磨损试验的评定，大大节约了油品规格的开发成本和时间。

表14 N04C-VH发动机技术参数

图5 N04C-VH发动机

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5 总结与建议

(1)通过政府的支持和国内多家润滑油相关组织的共同努力，吸取北美API和欧洲ACEA规格发展中的成功经验，在建立符合国情的台架试验方法的基础上，日本建立了统一的JASO柴油机油规格，该规格作为日本柴油发动机填装油和售后服务用油的最低质量要求，对发动机油的各项性能指标做了具体规定。JASO柴油机油规格的不断升级与更新，顺应了汽车技术、排放法规与燃油经济性法规的发展，满足了发动机的润滑需求。

(2)我国排放法规、燃油经济性法规、车辆工况和燃油质量等与美国的不尽相同，之前一直采用的API规格已无法满足我国汽车工业的发展需求，因此，建立国内统一的柴油机油规格已迫在眉睫。当然，这不是一件简单容易的事情，也不可能一蹴而就，可以先进行顶层规划设计，再由易到难，逐步完善。

(3)目前，国内柴油机技术已实现自主化，且拥有建立自主柴油机油规格的技术条件和硬件资源。在规格建立过程中，可以根据国内OEM的用油需求，借鉴美国API、欧洲ACEA以及日本JASO的成功经验，成立汽车、石油石化及相关行业共同组成的协会，建立各组织间良好的合作体制，共同制定自主柴油机油规格发展路线图，进而早日建立我国统一的柴油机油规格。

参考文献：

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[3] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2005) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[4] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2017) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[5] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2008) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[6] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2014) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[7] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2015) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

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