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一、國Ⅵ法規(guī)介紹

 

排放法規(guī)

 

近年來，國內(nèi)汽車工業(yè)在以前所未有的速度發(fā)展。同時，由于汽車保有量的迅速增加以及由此帶來的環(huán)境污染問題和能源緊缺問題也越來越得到人們的重視。為了適應(yīng)國內(nèi)日趨嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，汽車行業(yè)做出了積極響應(yīng)和努力，開發(fā)新機(jī)型，使新生產(chǎn)的汽車的排放水平不斷提高。2019—2023年分步推進(jìn)實(shí)施，中國正式進(jìn)入“國Ⅵ”排放時代，見圖1。

 

 

相比國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)限值，國Ⅵ階段排放標(biāo)準(zhǔn)在CH、NOx、PM、PN等各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的加嚴(yán)，詳見表1。

 

 

 

 

節(jié)能法規(guī)

 

隨著各種車型的普及，汽車的能耗問題逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，由于我國重型商用車油耗量占汽車油耗量的比重最大，其油耗管理緊迫性比任何國家都強(qiáng)烈，節(jié)能法規(guī)的演變歷程見圖2。

 

 

另外國內(nèi)也推出了針對重型商用車的節(jié)能測試方法，見表2。GB17691排放法規(guī)要求記錄WHTC和WHSC的油耗，但是沒有作限值要求。

 

 

二、國Ⅵ柴油機(jī)相比國Ⅴ的變化

 

為滿足國Ⅵ排放法規(guī)的升級，國Ⅵ柴油機(jī)主要在發(fā)動機(jī)本體和排放后處理系統(tǒng)兩方面均作出了相應(yīng)改變。

 

國Ⅵ柴油機(jī)本體變化◇國Ⅵ柴油機(jī)相比國Ⅴ發(fā)動機(jī)本體變化簡述如下：

 

◇燃燒系統(tǒng)：爆壓提升、共軌油壓（燃油噴射壓力）提升；

◇潤滑及冷卻系統(tǒng)：國Ⅵ相比國Ⅴ冷卻液流量升高，國Ⅵ冷卻系統(tǒng)工作效率提升；

◇渦輪增壓器：中冷前溫升高，中冷前壓提高；

◇發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷：國Ⅵ相比國Ⅴ活塞等部位的溫度有所提升。

 

排放后處理系統(tǒng)變化

 

國Ⅵ柴油機(jī)排放處理技術(shù)路線可分為有EGR（廢氣再循環(huán)，位于發(fā)動機(jī)本體）和無EGR：其中采用帶有EGR的技術(shù)路線，結(jié)構(gòu)通常為“EGR+DOC(氧化性催化器)+DPF（柴油顆粒捕集器）+SCR（選擇性催化還原）+ASC（氨逃逸催化器）”，采用此種路線的OEM（原始設(shè)備制造商）較多；采用無EGR的技術(shù)路線，尾氣處理結(jié)構(gòu)通常為“DOC+DPF+Hi-SCR（高轉(zhuǎn)化效率選擇性催化還原）+ASC”，采用此路線的OEM較少，詳見圖3。

 

 

SCR氮氧化物催化還原系統(tǒng)依然在延用，在無EGR排放技術(shù)路線中，Hi-SCR催化還原反應(yīng)的效率進(jìn)一步得到提高，SCR車用尿素溶液依然在國Ⅵ作為催化還原劑大量應(yīng)用。國Ⅵ對PM的限值相對于國Ⅴ嚴(yán)格了不少，通過優(yōu)化標(biāo)定、進(jìn)排氣相位等手段已經(jīng)無法讓原機(jī)PM排放在滿足動力性的同時還滿足法規(guī)要求，因此只能通過加裝DPF后處理來解決。加裝ASC氨逃逸催化器的目的是對尿素催化還原過程中產(chǎn)生的未發(fā)生反應(yīng)的氨氣進(jìn)行進(jìn)一步的分解，降低SCR后端排氣中的氨含量，進(jìn)一步優(yōu)化排放。

 

由于EGR系統(tǒng)廢氣會劣化燃燒，導(dǎo)致soot（煙炱）增多，EGR系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)功率會存在一定的損耗，同時發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、安裝空間和后期維護(hù)會更加復(fù)雜。無EGR系統(tǒng)對SCR系統(tǒng)處理NOx的效率提出了更高的要求，同時PM的減少有利于DPF系統(tǒng)延長使用壽命和再生周期，簡化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，易于后期維護(hù)，不影響發(fā)動機(jī)動力輸出，對降低油耗有一定幫助。DPF主動再生方式有兩種：如果采用在排氣管噴射柴油，對柴油機(jī)油中的燃油稀釋沒有影響；如果采用在缸內(nèi)噴射柴油，燃油液滴不能在排氣沖程完全帶走，會增加柴油機(jī)油中的燃油稀釋。

 

OEM采用較多的后處理系統(tǒng)布置見表3。其中國Ⅵ相比國Ⅴ增加了EGR、DOC、DPF、ASC。

 

三、國Ⅵ商用車潤滑油應(yīng)對策略

 

面對各項(xiàng)法規(guī)及商用車總成結(jié)構(gòu)的變化，國Ⅵ商用車潤滑油必須要積極應(yīng)對，其中，國VI柴油機(jī)在發(fā)動機(jī)本體以及排放后處理裝置方面也有所變化，對柴油機(jī)油的性能要求相比國V有所提升。傳動系（變速箱、驅(qū)動橋）總成雖然不受排放標(biāo)準(zhǔn)限制，但是為了配方新車型平臺開發(fā)，提升產(chǎn)品競爭力，傳動系總成在耐久性等方面有一定升級，對傳動系油品的性能有更高的要求。

 

國Ⅵ柴油機(jī)油性能要求

 

排放法規(guī)、節(jié)能法規(guī)、新增后處理系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)噴油壓力、爆壓等變化均對柴機(jī)油的使用提出了新的要求，其中增加EGR雖然降低氮氧化物，但是需控制煙炱；增加DPF要求低灰分；國Ⅵ柴油機(jī)相比國Ⅴ熱負(fù)荷提升，對機(jī)油高溫抗氧化性能要求更加嚴(yán)苛。法規(guī)及發(fā)動機(jī)變化對柴油機(jī)油的新要求見圖4。

 

 

低灰分

 

國Ⅴ階段主流的柴油機(jī)油級別如API的CI-4和ACEA的E4/E7，采用的都是高灰分添加劑配方，灰分值大于1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。潤滑油中過高的金屬元素參與燃燒會生成無機(jī)鹽和氧化物，造成DPF顆粒捕捉器堵塞，背壓增加，嚴(yán)重時可損壞DPF系統(tǒng)。國Ⅵ排放且加裝DPF尾氣裝置的商用車一定要選擇CJ-4/CK-4或E6/E9級別的產(chǎn)品。未來中國自主柴油機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)D1也將兼容國VI排放要求。

 

高性能

 

國Ⅵ階段，絕大部分重型商用車發(fā)動機(jī)引入了EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，這對潤滑油的清凈分散性和抗腐蝕性能提出了更高要求。同時為應(yīng)對長換油周期，要求能夠更好地控制油品黏度增長老化程度，提升機(jī)油的高溫抗氧化性能等；因此適配重卡國Ⅵ柴油機(jī)的油品級別將升級為CJ-4/CK-4。CK-4與CJ-4級別產(chǎn)品相比，抗氧化性能有所提升。國Ⅴ與國Ⅵ柴油機(jī)油性能對比見圖5。

 

 

 

長壽命

 

目前100000km柴油機(jī)油技術(shù)已基本成熟，國外OEM已有150000kmODI（換油周期）推薦，今后國Ⅵ階段重點(diǎn)驗(yàn)證150000km，200000km換油周期可作為未來挑戰(zhàn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)存在技術(shù)難度，詳見圖6。

 

 

傳動系油品性能要求

 

國內(nèi)商用車手動變速箱油的規(guī)格主要是以O(shè)EM規(guī)格和APIMT-1為主，MT-1主要用于不帶同步器的重型卡車和客車的手動變速箱潤滑，該規(guī)格在北美地區(qū)應(yīng)用廣泛，目前APIMT-1由美國ASTM機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)方法的維護(hù)，規(guī)格號為ASTMD5760。目前也有部分商用車OEM在使用APIGL-5、APIGL-4規(guī)格作為手動變速箱的標(biāo)準(zhǔn)，GL-5和GL-4都是驅(qū)動橋油的應(yīng)用規(guī)格，重點(diǎn)考察油品的齒輪保護(hù)能力，其中GL-4已經(jīng)不再維護(hù)和更新，考察GL-4性能的臺架也已經(jīng)無法測試，GL-5方法由美國ASTM機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)方法的維護(hù)，規(guī)格號為ASTMD7450。因此使用GL-4和GL-5規(guī)格可以一定程度上考察手動變速箱的齒輪保護(hù)能力，但是沒有考察油品與同步器摩擦材料的適配性，GL-4和GL-5并不能考察手動變速箱的同步器性能，因此應(yīng)該使用滿足OEM規(guī)格的用手動變速箱油。國內(nèi)存在將GL-4和GL-5齒輪油用于商用車手動變速箱的誤區(qū)，換油周期短的情況下用戶可能體驗(yàn)不到對同步器的影響，但對于長換油周期的手動變速箱油，一定要考察與同步器材料的適配性。

 

國內(nèi)商用車驅(qū)動橋油的規(guī)格主要是以O(shè)EM規(guī)格和APIGL-5為主。APIGL-4只能適用于中等到苛刻轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下的螺旋傘齒輪驅(qū)動橋、中等負(fù)荷條件下的準(zhǔn)雙曲線齒輪驅(qū)動橋，而且GL-4已經(jīng)不再維護(hù)更新，試驗(yàn)臺架也不再存在。APIGL-5(ASTMD7450)適用于苛刻工況下準(zhǔn)雙曲線齒輪驅(qū)動橋，是目前中低里程驅(qū)動橋油主要參考的規(guī)格。目前國內(nèi)、國外高端的傳動系油品由于對于更長里程數(shù)的要求，通用做法是變速箱油采用OEM規(guī)格，驅(qū)動橋油采用在通用規(guī)格SAEJ2360基礎(chǔ)上進(jìn)行性能補(bǔ)強(qiáng)，SAEJ2360與GL-5規(guī)格相比具有更長的里程、更苛刻的試驗(yàn)條件，詳見表4。長里程驅(qū)動橋油OEM規(guī)格通常是在SAEJ2360規(guī)格基礎(chǔ)上增加了更嚴(yán)苛的抗高溫氧化性能、齒輪保護(hù)耐久試驗(yàn)、剪切穩(wěn)定性、抗點(diǎn)蝕、橡膠相容性等一系列試驗(yàn)考核,同時通過整箱耐久以及行車試驗(yàn)充分驗(yàn)證油品在整箱和整車上的性能，性能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SAEJ2360規(guī)格。

 

 

另外由于對燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，傳動系油品呈現(xiàn)低黏化的趨勢，整箱和整車的效率試驗(yàn)通常也是OEM需要考核的因素，油品的低黏化對于潤滑油的齒輪保護(hù)性能提出了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

 

傳動系油品未來性能要求是在滿足長里程耐久保護(hù)前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提升傳動系總成的燃油經(jīng)濟(jì)性的思路主要有調(diào)整潤滑油黏度、潤滑油使用的基礎(chǔ)油、黏度指數(shù)改進(jìn)劑等、硬件材料涂層、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中從潤滑油的方向改進(jìn)最簡單直接，可以在對硬件改變較小的情況下實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。目前國外OEM已將傳動系油品的換油周期提升到較高的水平，詳見圖7。

 

 

四、制約潤滑油換油周期延長的因素

 

制約柴油機(jī)油實(shí)現(xiàn)長換油周期的主要因素：

 

◇使用工況：由于國Ⅵ發(fā)動機(jī)本體及后處理系統(tǒng)的變化，國Ⅵ柴油機(jī)油相比國Ⅴ使用工況更加苛刻，柴油機(jī)油的性能有所提升；

 

◇成分限制：較高的TBN（總堿值）對實(shí)現(xiàn)更長的換油周期有一定幫助，總堿值主要來源于柴油機(jī)油中的灰分，國Ⅴ及以下排放階段對灰分未做要求，而國Ⅵ階段要求柴油機(jī)油灰分≤1.0%，故TBN無法做得很高，國Ⅵ階段想實(shí)現(xiàn)200000km換油周期對發(fā)動機(jī)本身和外界條件要求相比國Ⅴ階段難度更大；

 

◇燃油品質(zhì)：柴油機(jī)油換油里程跟柴油品質(zhì)也有關(guān)聯(lián)，雖然2019年1月1日全國范圍內(nèi)開始實(shí)行國Ⅵ柴油標(biāo)準(zhǔn)，但劣質(zhì)柴油問題仍然存在，劣質(zhì)柴油燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)混入機(jī)油中，對發(fā)動機(jī)腐蝕磨損的影響不容忽視。傳動系油品與柴油機(jī)油相比，手動變速箱油有APIMT-1(ASTMD5760)作為參考，驅(qū)動橋油有APIGL-5（ASTMD7450）規(guī)范，但是這兩個規(guī)格都具有一定的局限性。

 

首先，手動變速箱油沒有通用的可以評估同步器性能的規(guī)格，不管是APIMT-1還是已經(jīng)淘汰的APIGL-4都沒有同步器的性能驗(yàn)證。其次，APIGL-5作為入門級別驅(qū)動橋油，無法滿足長壽命（100000km以上）使用要求。美國SAEJ2360是目前可以參考的最長里程數(shù)的通用驅(qū)動橋油規(guī)格，其里程數(shù)可以達(dá)到320000km，但是更長里程數(shù)（320000km以上）的傳動系油品沒有通用的規(guī)范（API、ACEA）可循，國外商用車OEM通常使用自己的企業(yè)規(guī)格來驗(yàn)證更長里程的傳動系油品，詳見圖8。

 

因此，國內(nèi)OEM提升傳動系油品換油周期的工作方向主要是根據(jù)實(shí)際使用要求制定符合自己硬件條件和使用工況的自主傳動系油品規(guī)范，另外傳動系總成加工、裝配精度，以及總成清潔度控制水平也是制約傳動系實(shí)現(xiàn)長壽命的重要因素。

 

國Ⅵ柴油機(jī)油發(fā)展的驅(qū)動力主要是排放法規(guī)，國Ⅵ柴油機(jī)硬件及參數(shù)的改變要求柴油機(jī)油規(guī)格必須升級；要求國Ⅵ柴油機(jī)油相比國Ⅴ在高溫抗氧化性能等方面需要加強(qiáng)，同時要求在保證發(fā)動機(jī)可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)低黏化以滿足國家日益嚴(yán)格的節(jié)能法規(guī)要求。

 

傳動系總成沒有排放法規(guī)的限制，更新?lián)Q代沒有發(fā)動機(jī)那樣快，所以傳動系油品（變速箱油、橋油）升級沒有柴油機(jī)油頻繁，但為實(shí)現(xiàn)更長的換油周期等目標(biāo)，要求國內(nèi)OEM根據(jù)實(shí)際使用要求制定符合自己硬件條件和使用工況的自主傳動系油品規(guī)范。