国Ⅵ排放对内燃机油性能要求

赵正华，王欣，卫持，焦军平，金鹏，张勤

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060;2.中国石油南京润滑油销售分公司，江苏 南京 210019)

0 引言

汽车行业的快速发展给我们生活带来许多不便，在我国，空气污染的重要来源是机动车尾气排放，也是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因[1]，机动车污染问题日益突出，易导致人体机体缺氧、致癌、呼吸系统疾病等[2]。小型客车是一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的主要贡献者，重型货车则是氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的主要来源，全国汽油车一氧化碳(CO)排放量占85.0%，柴油车氮氧化物(NOx)占100%，其中国Ⅲ、国Ⅳ排放标准的汽车排放量最高，各项污染物排放量占50%以上，而电动车、天然气及其他代用燃料汽车排放微乎其微，因此，未来的发展必然是淘汰老旧车辆，发展并应用国Ⅵ排放车辆和新能源汽车。

1 国Ⅵ排放法规

早在2016年12月和2018年6月，我国生态环境部和国家市场监督管理总局先后联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测试方法(中国第六阶段)》[3]、《重型柴油车污染物排放限值及车辆方法(中国第六阶段)》[4]，上述排放标准分别适用于以点燃式或压燃式发动机为动力、最大设计车速大于或等于50 km/h的轻型汽车(包括混合动力电动汽车)、装用压燃式发动机汽车、天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车及其发动机所排放的气态污染物的排放限值及测量方法，具体限值见表1和表2。

表1 轻型车国Ⅵ排放限值(Ⅰ型试验)

表2 重型柴油车发动机标准循环国Ⅵ排放限值

与国Ⅴ排放法规相比，轻型车CO和THC限值要求降低50%，重型柴油车NOx和PM限值要求分别降低77%和67%，并增加了颗粒物粒数(PN)限值要求，该排放标准的实施将有利于提升机动车排放水平，进一步减少污染排放，促进空气质量改善。

2 国Ⅵ排放阶段发动机技术

每一次排放标准的发布，随之而来的就是发动机技术的革新。解决排放问题的技术和方案主要包括发动机机内净化、尾气后处理、机油性能改善、燃油品质提升等四大方面的内容，其中机内净化和尾气后处理是汽车行业最为常见也最被关注的努力方向和领域。发动机机内净化技术包括活塞顶环槽提升、高压共轨、涡轮增压、延迟喷射和EGR等，但是单独的发动机机内净化技术难以达到国Ⅳ以及更高级别排放法规的控制要求，通常还需要配合尾气后处理技术来实现减排，常见的柴油发动机尾气后处理技术包括SCR(选择性催化还原器)、G/DPF(颗粒捕集器)、DOC(氧化催化转换器)、EGR(废气再循环)、POC(颗粒氧化型催化剂)、LNC(NOX吸附技术)和LNT(稀燃NOX捕集技术)[5-6]。

上述后处理装置通常以物理吸附、捕捉或者化学的催化还原为基本原理，因此设备可能存在以吸附空间堵塞、催化剂中毒为主的失效模式。对发动机油而言，可能引发堵塞的灰分以及造成催化剂中毒的硫、磷等配方成分的控制显得尤为重要，表3列出了常见后处理技术对润滑油灰分、磷、硫的要求。

表3 不同后处理装置对润滑油硫、磷、灰分的控制要求

发动机新技术旨在通过提高燃烧效率、动力输出、减少污染物排放等途径最终实现节能、减排，面临苛刻的国Ⅵ排放限值，不得不采用多个发动机技术共同改善发动机内部燃烧效率、减少机外排放物，作为柴油发动机将主要采用EGR+DPF+SCR技术路线，汽油发动机将主要采用TGDI+GPF+TWC技术路线。但发动机新技术的采用也会带来一些副作用，例如汽油发动机常见的低速早燃、进气阀沉积物、燃油稀释、催化剂中毒和正时链条磨损风险等，柴油发动机常见的烟炱的产生和聚集、活塞-缸套磨损加剧、机内温度高会导致润滑油快速衰败等[8-9]。

综上所述，排放法规的升级、发动机新技术的采用对内燃机油在烟炱分散性、高温清净性、抗氧化能力、油泥分散以及磨损、元素含量等方面的要求逐步提高，进而推动内燃机油规格的不断向前发展，各发动机技术对内燃机油性能要求见表4[10]。

表4 发动机技术对内燃机油性能的要求

内燃机油主要为发动机各摩擦部位提供润滑保护，同时也兼顾冷却、清洁、密封和防锈等作用。由于其液态特点以及部分使用部位的关系，发动机油本身的挥发和可能的少量燃烧产物同样会对后处理装置的性能及耐久性产生影响，并进一步影响到发动机的性能及尾气排放。考虑到实现更低排放的高性能发动机技术使发动机油的工况发生了变化，因此内燃机油的性能提升及配方升级成为必然。

3 国Ⅵ排放阶段内燃机油规格及其性能要求

基于排放、节能和延长换油期三大推动力，促进了发动机技术的革新，也推动了内燃机油规格的发展，我国重负荷柴油机油主要沿用API规格，2016年12月，API公布了最新的柴油机油规格API CK-4和FA-4，其中API CK-4规格为低灰分、低磷和低硫含量的柴油机油，并进一步提升了油品的抗氧化、高温清净性，可满足国Ⅴ、国Ⅵ发动机技术的润滑需求；FA-4规格为节能型、低黏度柴油机油规格，可进一步提升油品的燃油经济性。

重负荷柴油机油规格的升级和性能要求，从要求通过的发动机台架试验项目及其通过指标就能一目了然地看出差异，重负荷柴油机油规格具体要求见表5[11]。

表5 重负荷柴油机油规格中发动机台架试验要求

表5(续)

由此可见，重负荷柴油机油技术发展的主要方向和难点有以下几个方面：

(1)优异的黏温性能，具有优异的低温流动性，满足较宽温域范围内使用，给发动机提供良好润滑保护；

(2)优异的烟炱分散性，抑制油品因烟炱含量过高引起的黏度过度增长，进一步减少因烟炱颗粒聚集导致的发动机部件磨损；

(3)优异的氧化安定性，有效控制油品由于氧化导致的黏度增长及活塞沉积物的生成，延长发动机油使用寿命；

(4)优异的高温清净性，防止因采用燃油直喷技术所造成的活塞环黏结和缸套抛光并保持发动机高度清洁；

(5)优异的抗磨性，防止机件磨损，延长发动机使用寿命；

(6)较低的黏度和极佳的减摩性能，使油品具备优异的节能性；

(7)较低的硫酸盐灰分、硫、磷含量，使油品具备优异的环保性。

而轻负荷汽油机油相对比较复杂，要同时兼顾美国和日本汽车制造协会的规格，最新公布的SP、GF-6规格[11]，在低速早燃、磨损、抗氧化和油泥分散性等方面有了很大的性能提升。轻负荷汽油机油规格具体要求见表6。

表6 轻负荷汽油机油规格中发动机台架试验要求

由此可见，轻负荷汽油机油技术发展的主要方向和难点有以下几个方面：

(1)优异的黏温性能，具有优异的低温流动性，满足较宽温域范围内使用，给发动机提供良好润滑保护；

(2)优异的油泥分散性，抑制油泥生成，并能将油泥均匀分散在油中，减少部件磨损；

(3)优异的氧化安定性，有效控制油品由于氧化导致的黏度增长及活塞沉积物的生成，延长发动机油使用寿命；

(4)优异的燃油经济性；

(5)优异的抗磨性，防止凸轮、正时链条等部件磨损，延长发动机使用寿命；

(6)低的黏度和极佳的减摩性能，使油品具备优异的节能性；

(7)较低的钙含量，抑制发动机低速早燃。

4 国Ⅵ排放阶段内燃机油市场需求

近年来，随着国民经济水平快速发展，高速物流、快递行业得到了飞速发展，消费能力大幅提高，与之紧密结合的汽车行业的发展也不容小觑，目前国内汽车市场中商用车和乘用车销量虽略有起伏，但全国机动车保有量仍然高居3.1亿辆，商用车以我国一汽、二汽、重汽、陕汽、福田等自主品牌为主，而乘用车则是国产品牌和合资品牌平分天下。

我国润滑油年消费量约600万t，其中柴油机油的年消费量约110万t，汽油机油为75万t，国内润滑油市场结构丰富多样，不仅是品牌多样化，除国际知名品牌外，民族品牌也异军突起，如昆仑、长城、统一等；而且在质量等级方面，高、中、低档油并存。随着未来经济和汽车行业的共同发展，市场需求将以现有主流产品CH-4、CI-4柴油机油、SN汽油机油逐步向高端产品CK-4柴油机油、SP汽油机油迅速过渡，高档内燃机油产品必将从无到有，逐步扩大并占据大量的市场份额。

5 小结

(1)国Ⅵ排放的实施，大大降低了CO、THC、NOx和PM的排放，同时带来发动机技术的革新，对内燃机油在烟炱分散性、高温清净性、抗氧化能力、油泥分散以及磨损、元素含量等性能方面提出了苛刻的要求。

(2)未来我国内燃机油将由CH-4、CI-4柴油机油、SN汽油机油逐渐向CK-4柴油机油、SP汽油机油过渡。