欧洲ACEA重负荷柴油发动机油规格的最新发展

2023-01-16石顺友

润滑油 2022年6期

石顺友

(中国石化润滑油有限公司华南分公司，广东广州 510620)

0 引言

绿色低碳是当今汽车行业的发展趋势[1]。为满足日益严格的重型车排放法规和燃油经济性法规，汽车OEM(原始设备制造商)普遍采用柴油机涡轮增压中冷、直喷、高压共轨以及电控等发动机先进技术和EGR/SCR/TWC/DPF(废气再循环/选择性催化还原/三元催化器/柴油机颗粒捕捉器)等先进的汽车尾气后处理技术，以提高柴油机的综合性能，降低其尾气排放。同时对润滑油的性能要求也越来越高，推动着发动机油规格的不断升级发展[2]。

目前，世界重负荷发动机油规格主要有API(美国石油学会)、ACEA(欧洲汽车制造商协会)、JASO(日本汽车标准委员会)重负荷发动机油规格以及OEM规格。ACEA重负荷发动机油规格规定了欧洲汽车OEM及其生产的重负荷柴油发动机填装以及售后服务用发动机油的最低性能标准。许多汽车OEM在汽车使用手册中将其列为汽车换油保养时发动机油必须满足的最低性能标准[3]。ACEA发动机油规格在推动全球发动机润滑油技术发展的过程中发挥着十分重要作用，是大多数汽车OEM制定内部规格的性能参考基准。虽然我国重负荷发动机油规格主要参照采用API规格制定，但重负荷柴油机技术多来自欧洲，且重型车的排放标准参照欧洲的制定[4]，因此，研究欧洲发动机油规格的发展情况对推动我国发动机油规格的自主化发展具有重要意义。文章将主要介绍ACEA规格的发展情况，并对最新版的ACEA-2022重负荷柴油发动机油规格进行解读。

1 ACEA发动机油规格的发展概况

欧洲在实行统一的发动机油规格之前采用的是美国API规格。由于欧洲在发动机设计、车辆工况及节能环保要求等方面与美国存在显著差异，符合API规格的发动机油无法完全满足欧系车的润滑要求[5]。欧洲汽车制造商协会(European Automobile Manufacturers' Association，简称ACEA)的前身，欧洲共同市场汽车制造商协会(CCMC)于1983年开始陆续发布了欧洲汽油机油规格G1、G2、G3、G4和G5及柴油机油规格D1、D2、D3、D4和D5。20世纪90年代，由于欧洲大量的汽车制造厂商重组，CCMC解体，并由ACEA取代。ACEA从1996年开始发布ACEA系列发动机油规格，以替代CCMC发布的发动机油规格[6]。

早期的ACEA发动机油规格分为汽油机油、轻负荷柴油机油和重负荷柴油机油三类，分别以英文字母A、B、E加以区分。随着环保法规和燃油经济性法规日益严苛，以及汽车工业技术的发展，ACEA发动机油规格不断进行更新升级，以确保油品性能能够满足最新发动机技术的润滑要求。2004年，ACEA规格进行了较大的修订，取消了单独的“Ax”和“Bx”系列，将其合并为“Ax/Bx”系列，以规定轿车汽油机和轻负荷柴油机装填和售后服务用发动机油的性能要求；引入全新的“Cx”系列，以规定带尾气后处理装置的轿车汽油机和轻负荷柴油机装填和售后服务用发动机油的性能要求，且与催化剂相兼容；同时保留了规定重负荷柴油机装填和售后服务用发动机油性能要求的“Ex”系列，形成了由轻负荷发动机油规格“Ax/Bx”和“Cx”系列以及重负荷发动机油规格“Ex”系列组成的ACEA发动机油规格[7]，并一直沿用至今。2021年4月30号，ACEA打破以往ACEA轻重负荷发动机油规格同时发布的惯例，发布了ACEA-2021轻负荷发动机油规格，以更加灵活的方式来应对行业和市场变化。时隔一年，2022年5月1号，ACEA推出了ACEA-2022重负荷柴油发动机油规格，以替代2016年版的ACEA重负荷发动机油规格。ACEA重负荷发动机油规格的历次更新情况如表1所示。

表1 ACEA重负荷发动机油规格的历次更新情况

2 ACEA-2022规格介绍

在ACEA-2022重负荷柴油机油规格中，重负荷柴油机油规格依然被分为4个性能级别，分别为E4-22、E8-22、E7-22和E11-22。其中E4-22和E7-22为原有级别，与E4-16和E7-16相比性能变化不大，满足E4-22和E7-22规格的发动机油属于高灰型、长换油周期的产品，灰分要求不大于2.0%，满足欧Ⅰ、欧Ⅱ、欧Ⅲ、欧Ⅳ和欧Ⅴ的排放法规要求和在非常苛刻条件下运行的要求；而E8-22和E11-22是新增级别，引入了新的台架试验测试，性能有显著提升，满足E8-22和E11-22规格的发动机油属于低灰型产品，产品灰分要求不大于1%，满足欧Ⅰ、欧Ⅱ、欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ和欧Ⅵ的排放法规要求和在非常苛刻条件下运行的要求，特别适用于装配DPF和使用低硫燃料的重型柴油车辆。

2.1 技术要求

ACEA-2022规格各性能级别的技术要求[8]如表2所示。

表2 ACEA-2022规格各性能级别的技术要求

表2(续)

2.2 性能对比

从ACEA-2022重负荷柴油发动机油规格各性能级别的技术要求可以看出，各性能级别的性能和应用范围存在差异，以下从缸套抛光、后处理系统兼容性、腐蚀保护、烟炱处理能力、抗氧化性能、活塞清净性以及磨损保护等方面对各级别油品进行综合性能对比分析。

2.2.1 E11-22与E9-16的性能对比

E11-22是ACEA-2022中新增的性能级别，用以替代E9-16，二者的综合性能对比如图1。从图1可以看出，E11-22和E9-16在缸套抛光、后处理系统兼容性、腐蚀保护、烟炱处理能力、活塞清净性以及磨损保护等方面的性能基本一致。作为新增的发动机油规格，与E9-16相比，E11-22在机油抗氧化方面具有更好的表现。

图1 E11-22与E9-16的性能对比

2.2.2 E8-22与E6-16的性能对比

E8-22是ACEA-2022中新增的性能级别，用以替代E6-16，二者的综合性能对比如图2。从图2可以看出，E8-22和E6-16在缸套抛光、后处理系统兼容性、腐蚀保护、烟炱处理能力及磨损保护等方面的性能基本一致。作为新增的发动机油规格，与E6-16相比，E8-22能够为发动机提供更好的活塞清净性保护，并具有更好的抗氧化性能。

图2 E8-22与E6-16的性能对比

2.2.3 E8-22与E11-22的性能对比

E8-22和E11-22均是ACEA-2022中新增的级别，均具有优异的综合产品性能，但二者的侧重点稍有不同。E8-22和E11-22的综合产品性能对比如图3。从图3可以看出，在缸套抛光和抗氧化性能方面，E8-22和E11-22的性能相当，其他性能方面，E8-22侧重于与后处理系统兼容性和活塞清净性保护方面，E11-22侧重于腐蚀磨损保护、烟炱处理能力和磨损保护方面。

图3 E11-22与E8-22的性能对比

2.2.4 E4-22与E7-22的性能对比

ACEA-2022中E4和E7是原有的性能级别，与E4-16和E7-16相比性能变化不大。E4-22和E7-22的性能对比如图4。从图4可以看出，E4-22和E7-22均不与后处理系统相兼容，因二者未对硫、磷等元素进行限值，且灰分限值较高，属于高灰分产品。同时，可以看出，与E4-22相比，E7-22在腐蚀磨损保护、烟炱处理能力和磨损保护方面更加出色，而E4-22更加侧重于缸套抛光、抗氧化和活塞清净性等方面的性能保护。

图4 E7-22与E4-22的性能对比

3 ACEA-2022规格变化

3.1 ACEA-2022序列变化

与ACEA-2016重负荷发动机油规格相比[8-9]，ACEA-2022重负荷柴油机油规格保留了原有的E4和E7，取消了E6和E9，同时新增了E8和E11，分别替代E6-16和E9-16，要求HTHS≥3.5 mPa·s。2016年API在发布CK-4规格的时候，同时发布了基于CK-4规格的具有燃油经济性的低黏度重负荷柴油发动机油规格FA-4[10]，而被行业期待已久的基于E8和E11规格的具有燃油经济性的欧洲版低黏度重负荷柴油发动机油规格F8和F11(要求HTHS 2.9～3.2 mPa·s)，因还在开发当中，而未能在此次规格升级时与E8和E11一同发布。预计待摩擦磨损试验开发成功后单独发布。

3.2 理化性能要求变化

与ACEA-2016规格相比，在理化性能上，ACEA-2022规格主要在元素含量、橡胶相容性和泡沫特性等方面进行了升级，其他的如HTHS、硫酸盐灰分、磷含量、硫含量等理化指标沿用ACEA-2016的指标要求。

(1)元素含量

ACEA-2022规格增加了检测氯元素含量的要求，指标为“报告”，而ACEA-2016规格对氯元素含量无测试要求。

(2)橡胶相容性

在橡胶相容性方面，ACEA-2022规格对橡胶相容性指标中的体积变化率要求更加严格，如表3所示。

表3 ACEA-2022与ACEA-2016橡胶相容性的体积变化指标要求对比 %

(3)泡沫特性

ACEA-2022将抗泡特性中程序II(94 ℃)的指标由ACEA-2016的“50/0”调整为“20/0”，说明抗泡特性的要求更加严格。同时，ACEA-2022的所有性能级别都有高温抗泡的性能要求，而ACEA-2016中的E9-16无高温抗泡的性能要求。

3.3 台架试验要求变化

3.3.1 指标限值变化

(1)Mack T-12评价指标限值变化

在ACEA-22规格中，对于新增的E8和E11规格，由于引入了Volvo T-13台架试验，可以取代Mack T-12中的铅含量变化，用于评估与氧化相关的腐蚀磨损性能。因此，E8-22和E11-22两个规格级别中的Mack T-12评定参数仅保留其磨损参数，而E7-22中Mack T-12的评定参数不变，且保持与ACEA-2016中的E7-16规格一致，如表4所示。

表4 ACEA-2016与ACEA-2022的Mack T-12评价指标对比

(2)OM646LA Bio评价指标限值变化

在ACEA重负荷发动机油规格中，对于E6-16和E9-16以及E8-22和E11-22，要求评定生物燃料存在的情况下的活塞清净性问题，且均采用OM646LA Bio评定，但在ACEA-22新规格中，其平均活塞清净性优点评分评定指标的限值进一步加严(如表5所示)，由不小于RL255+4调整为不小于RL255+6，以进一步强化生物燃料存在下对活塞的润滑保护。

表5 ACEA-2016与ACEA-2022的OM646LA Bio台架试验评价指标对比

3.3.2 替代台架试验

随着发动机硬件的停产和剩余备件库存的不断消耗，经典的活塞清净性台架测试OM501LA试验，将因无发动机硬件支持而结束其使用寿命，因此，在新发布的ACEA规格中，OM501LA活塞清净性台架试验的替代试验是新规格的重要变化之一。在ACEA-2016规格中，所有性能级别均采用OM501LA台架测试评定发动机的活塞清净性，并通过设定不同的评定指标限值来体现各性能级别的性能差异，但在ACEA-2022新规格中，各性能级别采用了不同的台架测试方法来评定发动机的活塞清净性。

3.3.2.1 E4-22和E8-22

对于ACEA-2022新规格中的E4-22和E8-22两个性能级别，要求采用OM471替代OM501LA来测试发动机活塞清净性。OM471是Daimler最新的清净性发动机试验，且在发动机硬件设计和测试苛刻程度上均远超OM501LA。在发动机硬件设计上，OM471的硬件更能代表最先进的发动机技术，比如采用钢活塞、高压共轨喷射系统、不对称废气涡轮增压器，以及基于SCR、EGR和DPF技术的满足欧Ⅵ排放标准的尾气后处理系统。在测试苛刻程度上，OM471引入启停概念，测试时长增加至600 h，是OM501LA的2倍[11-12]。因此，OM471对发动机油有更高的性能要求，旨在长换油期内为发动机提供持续优异的耐久性保护。OM471台架试验与OM501LA台架试验的发动机参数及试验时间对比如表6[13]所示。

表6 OM471台架试验与OM501LA台架试验的发动机参数及试验时间对比

3.3.2.2 E7-22和E11-22

在ACEA-2022新规格中，E4-22和E8-22分别采用Caterpillar 1N和Caterpillar C13替代OM501LA评定发动机的活塞清净性。Caterpillar系列发动机油台架测试是评定柴油机油高温清净性及机油消耗性能的重要方法[14]。

(1)Caterpillar 1N发动机台架试验

Caterpillar 1N发动机台架试验使用1Y540单缸直喷四气门发动机，排量2.44 L。试验用含硫量为0.04%的低硫柴油，转速为2100 r/min，润滑油在110 ℃下运行252 h，初始加油量(4.95±0.11) kg，中间不换油。Caterpillar 1N用于API CG-4油的评定，它通过模拟1998年以前的、使用低硫柴油的高速、涡轮增压柴油机运行工况，评定油对活塞沉积物、活塞环黏结以及活塞环、气缸套的擦伤和油耗的影响[15]。Caterpillar 1N台架试验条件如表7所示，试验通过和失败的发动机活塞照片如图5所示。

表7 Caterpillar 1N台架试验条件

图5 Caterpillar 1N台架试验活塞沉积物

(2)Caterpillar C13发动机台架试验

Caterpillar C13用于API CJ-4级油的评定，首次增加了二环积炭评分，采用2004年生产的Caterpillar 320 kW C13发动机，模拟高速、重负荷工况。测定高温清净性的Caterpillar C13发动机配置电子控制、双涡轮增压器、直喷、六缸、四气门发动机。试验用含硫量为15 mg/kg以下的超低硫柴油，转速为1800 r/min，润滑油温度为98 ℃，运行时间500 h，采用内部热废气循环(ACERT)技术[16]。Caterpillar C13发动机台架试验运行参数如表8所示，试验通过和失败的活塞照片如图6所示。

表8 Caterpillar C13 500 h试验条件

图6 Caterpillar C13活塞沉积物

3.3.3 新引入台架试验

在ACEA-2022规格中，对于新增的E8-22和E11-22性能级别，在原有性能要求的基础上，新引入了氧化稳定性台架试验Volvo T-13和充气试验COAT(Caterpillar Oil Aeration Test)两个台架试验，以进一步强化发动机油的抗氧化性、抗腐蚀性、黏度控制和空气卷入性能。

(1)Volvo T-13台架试验

现代发动机的运行工况更加苛刻，温度更高，如果发动机油的抗氧化性能不好，则极易引起机油氧化，而机油氧化是造成柴油发动机油性能劣化的主要原因。因此，为进一步强化发动机油的抗氧化性能，ACEA引入了API CK-4规格中用于评定抗氧化性能的Volvo T-13台架试验，用以评定E8-22和E11-22两个新增性能级别的抗氧化性能，以强化这两个级别发动机油的抗氧化性、抗腐蚀性和黏度增长控制性能。Volvo T-13台架试验所用发动机为带有废气循环(EGR)和可变截面涡轮增压系统(VGT)的六缸四冲程Volvo/Mack D13/MP8柴油发动机。试验在转速为1500 r/min、载荷为2200 N·m、机油温度为88 ℃的条件下运行360 h，在运行过程中，通过EGR和VGT控制系统精确控制进气歧管中CO2的含量和进气歧管压力。试验结束后，通过分析机油的氧化值和硝化值、活塞/缸套磨损、轴瓦腐蚀以及机油耗等情况来考察油品的热稳定性能力[17]。Volvo T-13台架试验条件如表9所示，台架试验通过指标要求与API CK-4的指标要求保持一致。

表9 Volvo T-13台架试验条件

(2)COAT充气试验

由于现代发动机运行工况苛刻、热负荷高、机油用量少，在一些发动机油系统中，机油在油底壳中的循环频率增加，停留时间变短，因而造成油底壳中发动机油的空气难以及时释放，进而形成气泡甚至是泡沫，发动机油中的气泡或泡沫会严重影响油膜的形成，大大降低发动机油保护发动机的能力。同时，发动机油除了为发动机硬件提供有效保护外，还经常充当“液压油”来执行重要的液压操作。比如在发动机系统中使用发动机油来驱动燃料喷射器或保持打开或保持关闭阀门的情况下，发动机油必须在整个换油周期内充当性能优异高效的液压油，来实现“液压”驱动功能。而当发动机油中含有空气时，过多的空气会影响发动机油的性能，使发动机油可压缩，进而严重影响发动机油作为“液压油”实现液压操作的能力，进而对发动机正时特性和发动机运行产生不利影响[18]。因此，COAT空气卷入测试被引入E8和E11，以强化发动机油的空气释放性能和控制直接喷射涡轮增压柴油发动机中机油充气带来的风险，为发动机提供更加卓越的全面润滑保护性能。COAT台架试验照片如图7，试验条件如表10[19]所示，试验通过指标要求为不大于11.8%，与API CK-4保持一致。