汽车油耗和排放法规对发动机油规格的影响.docx

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1、2014大连润滑油技术经济论坛论文专辑汽车油耗和排放法规对发动机油规格的影响王茁，桃春生，王清国(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春130000)摘要：文章介绍r美国、欧洲、日本以及中国的最新油耗法规和排放标准，以及为应对相关法规发动机所采取的技 术。发动机设计的改进以及新技术的应用，对发动机油提出了更为苛刻的要求，需要对发动机油配方重新设计， 新的发动机油规格也正是在这种背景下诞生的。关键词：油耗法规；排放法规；发动机技术；发动机油规格0引言环境保护和节能是发动机技术不断向前发展的驱动力，各个国家颁布实施的相关排放法规及油耗 标准，促使汽车制造企业在发动机技术方面不断进行改进和创新。

2、发动机油是发动机的重要组成部 分，除为发动机提供润滑保护，保证发动机正常工作之外，还对发动机的燃油经济性以及对尾气排放特 性有重要影响。发动机硬件不断更新的同时，对发动机油也提出了一系列的挑战。文章介绍了欧洲、 美国、日本和中国在油耗和排放法规方面的现状，并就相关法规和发动机技术对发动机油规格的影响 做了分析，以期能够为发动机油开发、应用工作提供一些参考。1各国油耗和排放法规11美国法规111美国油耗法规 美国的燃油消耗评价方式有并行的两种，一种是国家公路安全交通管理局(NHTSA)采用的企业平均油耗(CAFE)标准，于_=世纪70年代生效；另一种是美国环保部采用的温室气体排放(GHG)标准，

3、于 2012年采用。2010年和2012年，美国环保部和国家公路安全交通管理局先后联合颁布了对轻型车和商用车的 温室气体排放和燃油消耗阶段标准。表i 美国乘用车和轻型卡车油耗和温室气体排放标准除此之外，美国相关政府部门对大型商用车、公交车和重型皮卡车也提出了燃油经济性的要求，对 以上i类不同用途的车辆规定了不同的cO，排放和燃油消耗的要求：(1)对于装备柴油机的半挂车，符合要求的发动机和车辆从2014年开始，到2017年需在2010年 的基准上降低CO，和燃油消耗约720；(2)对于重型皮卡和厢式货车(heavyduty pickup trucks and vans)，从2014年开始，到20

4、18年，装 备汽油发动机的车辆燃油经济性要提高10，若装备柴油发动机则要提高15；(3)除上述车辆外的其他诸如公交车、垃圾运输车和水泥搅拌车等降低9的燃油消耗。 112美国排放法规美国的汽油价格相对低廉，故乘用车主要以汽油机为动力。加利福尼亚州由于特殊的地理环境， 使其最早开始制定相关排放标准，并成为美国控制尾气排放最严格的地区。美国于2014年3月3日签 署的第三阶段轻负荷车辆排放标准基本与加州第三阶段排放限值一致。1997年10月，美国环保局颁布了关于2004年及之后生产的重负荷柴油商用车和公交汽车发动机 的排放标准。汽车制造商可根据实际情况按表2的要求进行发动机认证。353王茁等汽车油耗

5、和排放法规对发动机油规格的影响2010年11月21日，美国环保局签发了适用于21)07年及之后生产的重负荷高速公路柴油机的排 放标准。表3重负荷高速公路柴油机排放标准gbhph12日本法规12，1日本油耗法规 日本于1976年颁布了第一个有关汽车燃油消耗的法案(能源保护法案的一部分)，作为对能源保护法案的补充，后续分别设定了2010年和2015年燃油消耗目标 。表4 日本汽车燃油消耗控制目标122日本排放法规 日本乘用车排放法规有两种，分别用均值和最大值表示。表5表7分别是日本柴油乘用车和轻、重负荷柴油商用车的排放标准。表5 日本柴油乘用车排放标准km3542014年润滑油技术经济论坛论文专辑

6、续表coHCNOxPM车辆重量年份测i式循环均值(最大)均值(最大)均值(最大)均值(最大)1250 kg19981015 I强2 l(2 7)0 40(0 62)O 40(0 55)008(0-14)1250 kg20021015T况0630 120 30 0-0561250 kg2005JC080630 0240150014-_-_-，25生kg!竺竺!：!兰!竺坠竺日本2009年10月开始实行的对本国内所有柴油乘用车的排放标准堪称是世界上最为严格的。表6日本轻负荷柴油车排放标准(总重不大f 35 E)COHCNOxPM车辆重量年份测试循环单位均值(最大)均值(最大)均值(最大)均值(最大

7、)1700 k19881015工况km21(2 7)0 40(0 62)0 90(1 26)1700 h1993101 5工况告，km21(2 7)040(0 62)0 60(0 84)020(034)1700 h19971015工况e-kIn21(2 7)0 40 CO 62)0 40(O 55)0 08(014)1700 k20021015【况gkr,0 630120 2800521700 k2005JC08gkm0 630 024014 0 0131700虹2009JC08吕，km0 630 024008 0 0051700 k19886工况“eg790(980)510(670)DI：3

8、80(5110)1700 k1993101 5丁况吕，km2 1(27)0 40(0 62)1 30(182)025(0 43)1700 kE199710。15。【况gkm2 l(2 7)0 40(0 62)0 70(o 97)0 09(O18)1700k20031015工MV-km0 63012049 0 061700虹2005JC08km0 630 0240 250 01 5)1700h2009JC08鼻kfllO 63O 0240150，007表7日本重型柴油商用车排放标准(总重大于35t)C0HCNOxPM年份测试循环单位均值(最大)均值(最大)均值(最大)均值(最大)1988896

9、T况g790(980)510(670)DI：400(520)19941 3上况gkwh7 40(9 20)290(3 80)DI：6 00(7 80)0 70(O 96)199713 T况kwh7 40(9 20)2 90(380)450(580)o25(O 49j200313工况kWh2220 873 380 1 82005JE05rdkWh2 22O172 O 0 1027JE05一芝!：!：丝!：!：坚!：!一2009_-_-_-_-_-_-_13欧洲法规131欧洲油耗标准 欧洲国家出于能源等方面的考虑，非常重视车辆的油耗，也是较早开展温室气体排放研究工作的。2009年，欧洲议会通过了乘

10、用车到2015年CO：排放量限值130 gkm的目标。2013年欧洲汽车制造商 协会投票确认通过，乘用车2020年的cO：排放量限值95 g CO：kin。针对厢式货车为代表的轻型商用车，于2012年修订实施的标准要求到2016和2017年问实现(：()z 排放量175 gkm的目标。2013年5月，欧洲议会环境委员会提议到2020年和2025年，分别实现coz 排放量147km和C02排放量105120 gkm的目标。由于商用车种类、日常用途等方面存在较大差异，燃油消耗也不尽相同。通过车辆技术以及使用 者日常合理的维护，可减少35的燃油消耗。商用车燃料费用占车辆使用成本的30左右，故提 高燃

11、油经济性将对商用车使用大有益处，因此欧洲汽车厂商致力于基于2005年的燃油消耗水平，到355王茁等。汽车油耗和排放法规对发动机油规格的影响 2020年降低20的燃油消耗。132欧洲排放标准欧洲的柴油轿车数量较多，占乘用车的比重较大，所以相关排放标准的制定，综合考虑了汽油发动机和柴油发动机的特性。 乘用车排放标准所要求的日期是对所有新车认证有效的，但在允许的情况下可以延后一年。表8欧洲乘用车排放标准阶段嗍COKmyg?罟K。黑一，个薯1Kmg k1g+s。K柴油发动机欧I1992 07272(316)0 97(I 13)O14(0，18)欧ID1996011 00 7 0 08欧，Dl1996

12、0lOO 90 IO欧2000 Ol0 64O 560 50005欧2005 0l0 500 30O 25O 025欧Va2009 090 500 230 18 0 005欧Vb2011 090 500 230 18O 0056 0 xlO畋2014 1390 S00 170 080呻56 010汽油发动机欧I1992 97272(316)O97113)欧111996叭2 205欧11120000l2 300 200 15欧2005 011 00 10O 08欧V2009 091 00 100 06 0 005欧2014 09l O010O 06O 00560 xtO“欧洲重负荷车辆的排放标准

13、依据不同的测试方法分为两种限值，稳态测试只适用于柴油发动机， 瞬态测试适用于柴油发动机和燃气发动机。表9欧洲重负荷柴油机排放标准(稳态测试)阶段日期测试循环(kWCOg叫kWHCgh)-NwOxh)g1(kPwM_h)g。叫黔；一。0挈。欧I1992(。85kW)ECE R 494 5l 180036欧I1996 10ECE R一494 0l l7 0 0 25欧II1998 10ECE R一494 01 17 00 15欧1999 10(只针对EEV)ESCELR1 50 252 00 02015欧2000 10ESCELR20 665 00 100 8欧IV2005 10ESC&ELRI

14、50463 5O 02 0 5欧V2008 10ESCELR1 50 462 00 020 5欧201301wTISC1 50 1304000l80 x10“表10欧洲重负荷柴油机和燃气发动机排放标准(瞬态测试)阶段a期测试循环。mCOg旷。NMwH?。嚣4。紧瓢。詈。黔i一，欧199910(只EEV车辆)ETC3 00 400 652 0 0 02欧2000 10ETC5 450 781 65 00 16c欧IV20(15 IOFTC4 0O 55I 13 5O 033562014年润滑油技术经济论坛论文专辑14中国法规141中国油耗标准 我国实行的汽车油耗限值，是按不同燃料、不同最大设计总

15、质量和不同发动机排量，分阶段实施的。表1l 中国乘用车燃料消耗标准2007年7月发布的GB 209972007(轻型商用车辆燃料消耗量限值，主要对象为总重35t以下、912座的轻型商用车即轻卡和轻客等。本标准分两个阶段实施，自2011年1月】日起，适用于此标 准的所有车辆应符合第二阶段限值要求，第二阶段的限值是在第一阶段限值基础上约加严510。 我国相关部门和机构也在对中重型车的燃油消耗工作进行研究。工业和信息化部于201 1年12 月31日颁布了QCT 924201l重型商用车辆燃料消耗量限值(第一阶段)，由全国汽车标准化技术委员会制定的GB 305102014(重型商用车辆燃料消耗量限值强

16、制性标准已于2014年2月19日颁 布。142中国排放标准我国的机动车辆的排放法规是参照欧洲制定的，限值与其相同，在具体实施时间L落后于欧洲，并结合实际情况，对车辆分类及定义做了修改，如轻型车(乘用车和轻负荷商用车)，定义为： 1型：6座以下，车辆总重不超过25 t的M1类车辆；2型：基于基准重量将除1型外的其他车辆分为三类：1类：基准质量不大于1 305 kg；2类：基准质量大于1305 kg且不大于1760 kg；3类：基准质量大于1760 kg。表12装备汽油发动机轻型车排放标准357王茁等汽车油耗和排放法规对发动机油规格的影响表13装备柴油发动机轻型车排放标准表14重负荷发动机排放标准

17、世界上有代表性的排放法规体系为美国、欧洲和日本三大体系，其中以美国和欧洲的排放法规最 具影响力和代表性。中国第五阶段排放法规以及之前的标准均是参照欧洲体系制定的，但第六阶段排 放法规会参照美国的排放标准制定，因为美国车辆的燃料结构、测试循环以及各工况的实际情况与中 国较为接近。欧洲燃料价格较高，排放标准较严，对燃油经济性具有较高的要求。柴油轿车以强劲的动力性，良 好的节能效果和CO。减排效果，被越来越多的消费者接受，柴油轿车占轿车总量的近50，在部分国家 甚至超过了70，柴油混合动力或许是乘用车为应对未来更为严格法规的方向和趋势。美国的燃料价 格相对低廉，乘用车主要以汽油机为主，且车辆的总体排

18、量也较大，近些年对燃油经济性的要求也越来3582014年润滑油技术经济论坛论文专辑 越严格。日本由于能源自给率较低，对燃油经济性尤为重视。日本乘用车企业通过成熟的混合动力技术，在降油耗方面取得了良好的效果。各国的商用车主要还是以装备柴油机为主。对于重型柴油车尾气后处理系统而言，现阶段欧洲主 要采用SCR技术，北美以EGR+PDF为主流。美国的燃油价格低廉，车主对燃油经济性不太敏感，但 会考虑由于尿素的加注带来的成本增加。中长途的牵引车，SCR技术更加适合，对于中短途以及排量 较小的轻微型车EGR+PDF较为合适。对于未来更严格的欧排放法规，欧洲SCR仍是主流，并可能 配合使用稀燃NOx补集器和

19、稀燃NOx催化剂等。美国也有望采用SCR来应对更严格的排放法规。 2发动机技术与油品规格发展越来越严格的油耗及排放法规的实施，促使发动机在提高燃烧效率、降低燃油消耗、保持耐久性和 降低尾气排放等技术方面不断探索，大量的数据已经证明，发动机油对油耗以及排放具有重要影响，原 有的发动机油配方及试验验证手段很难满足，新的油品规格和评定方法也应运而生。21汽油机技术与油品规格发展未来汽油机将采用混合动力、涡轮增压、直喷、均质燃烧、起停技术、空气动力学设计以及更高效的 附件装置如空调系统等，但最为关键的仍是发动机的设计。起停技术是指车辆在停车时间较长时，如等红绿灯及遇到堵车等情况时。21，发动机怠速时熄

20、火，在 车辆达到重新起动条件时发动机迅速启动。装备起停技术的发动机可明显降低车辆的油耗和尾气排 放。在NEDC城市道路试验中，油耗和排放减少量更高达8。涡轮增压技术是利用排放的废气推动涡轮对进气进行压缩，增加进气量，提高发动机的功率和热 效率，在发动机体积和重量增加较少的情况下，町提高发动机功率输出20一50。有利于实现车辆 的小型化。缸内直喷技术是指将汽油直接喷人燃烧室与空气进行混合燃烧，通过控制燃烧策略，可使发动机 在稀燃混合气的情况下燃烧，通过在发动机不同的运行条件下，控制燃烧方式，达到最大限度的燃料节 省，于相同排量的普通发动机相比，功率和扭矩可提高103j。以上三种典型的发动机技术，

21、通过小型增压以及高效的利用每一滴燃油，能够实现较好的燃油经 济性，但由此对发动机油抗氧化性能、抗剪切性能、抗磨损性能等提出了更高的要求。国际润滑油规格 认证委员会(ILSAC)提出的全新GF一6规格使用目标是2017年型车，除提供正常的润滑保护和能够与代用燃料有更好的相容性外，重点是提供燃油经济性。提供发动机燃油经济性主要有以下两个方面：一是油品可直接提供燃油经济性，另一方面是通过促使硬件的更新来提高发动机效率。如果要达 到上述的目标，引入新的摩擦改进剂是不可避免的。GF6将引入6个新的发动机台架测试，如考虑由于涡轮增压直喷技术的引用，要避免发动机小 型化因机油导致的低速早燃(LSPI)现象。

22、5和使用“怠速肩停”技术时为发动机链条提供更好的抗磨损 保护。除此之外，还包括程序VH、程序B、程序H和程序E等，分别在防止油泥和漆膜生成、防凸 轮磨损、抑制油品氧化和燃油经济性等方面要求更严格。以上诸多方面的关键点在于平衡发动机的燃 油经济性和耐久性。GF一6将包含GF一6A和GF一6B两个规格。GF一6A包括5W一20等黏度级别，可兼容之前的规格，GF一6B包括XW一16等黏度级别，不可兼容之前的规格。22柴油机技术柴油机主要污染排放物是NOx和PM。NOx是燃烧室高温燃烧的产物，温度越高，生成量越大。PM主要由烟炱和硫酸盐颗粒等组成。柴油机技术的发展主要是围绕上述二者开展的。 柴油车的机

23、内净化污染物技术。4j主要是采用高压电控喷射和进气增压来降低PM，采用EGR、进气中冷和推迟喷油提前角等技术来降低NOx；柴油机高压共轨技术借助于集成在每个喷油器上的高 速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达 到最佳的燃烧比和良好的雾化、最佳的点火时间和足够的点火能量，从而实现PM等污染物排放的降 低。而新的活塞结构的设计对改进排放的同时，对油品性能提出了新的要求。顶环岸高度的降低，会359王茁等汽车油耗和排放法规对发动机油规格的影响 导致顶环槽处温度增加，活塞沉积物增加进而导致缸套抛光和机油耗增加；更小的顶环岸问隙也增加了缸套抛光的可能性；

24、活塞底部喷油冷却的设汁将提高机油温度，上述活塞结构的改变对机油的抗氧化性能和磨损保护性能要求更高。： 而在后处理技术方面，当前有效的技术主要有柴油机氧化催化器(DOC)、颗粒物催化氧化转化器(POC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)和选择性催化还原系统(SCR)等。概况起来，处理柴油机排放污染 物主要有EGR+DOC+DPF和SCR+DOC+DPFPOC两条路线。尾气后处理系统所使用的催化剂如 贵金属铂、铑、钯等对燃油中的硫以及发动机油中的硫和磷等特别敏感，硫和磷沉积在催化剂表面会降 低催化剂的活性。后处理催化剂孔道也易受发动机油灰分的堵塞影响，排气背压增加，从而降低尾气 转化效率，增加燃料消耗。

25、柴油发动机设计、后处理技术和代用燃料如生物柴油的使用，以及对中重商用车燃油经济性的13 益关注，促使新规格柴油机油的诞生。根据最新得到的信息，新规格PC一11将于2016年4月1日发 布。此规格油品将重点关注油品的氧化稳定性、空气释放性、剪切稳定性、生物柴油相容性以及磨损保 护性能等。PC一1l将沿用CJ一4规格中的7个台架评定试验，分别是Cummins ISB、Cummins ISM、Caterpillar c13试验、Caterpillar 1N试验、Mack rI一11试验、Mack T一12试验和通用汽车滚子随动件磨损试验 (GM 65 RFWT)试验。另外，为Pc一11专f J开发的

26、试验包括Daimler DDl3、VolvoMack T一13、Cat OxidatiolrNitration Test和程序H。PC一11将分为A和B两种规格。PC一11A包括15W一40等黏度级别，可向后兼容的油品包括 API CJ一4等。PC一1lB包括5W一30、IOW一30等黏度较小的级别，通过控制高温高剪切黏度 (HTHS)提高燃油经济性，拟设定H。FHS为2932 mPas。除上述外，开发组考虑将PC一11除0W一40外的其他等级的XW一40的油品黏度下限设为128 mm2s，以保证油品在使用期间受剪切后黏度保持在本黏度级别内。最终新规格油品的命名以及所有 相关试验的开发及指标的

27、确定，将是今后工作的重点。3总结中国为应对大气污染和能源消耗问题，加紧了相关的立法_丁作，很多城市也针对黄标车的淘汰制 定r具体的实施办法，政府对不符合油耗的汽车制造企业的监控和处罚力度也更为严格。排放及油耗 法规是促使发动机技术不断发展的源动力，未来一段时问，如何降低发动机燃油消耗都将是发动机技 术的热点，也对发动机油的综合性能提出了更高的要求。(1)汽油机将更多的采用涡轮增压、直喷、可变气门正时、起停技术等，汽油机油要承受更高的热负 荷和机械负荷，要求有更好的抗氧化性能、抗磨损性能、抗剪切性能，与代用燃料与更好的相容性，提供 燃油经济性的同时保证发动机的耐久性。(2)柴油机采用高压共轨、E

28、GR、延迟燃油喷射、活塞结构设计的改进以及尾气后处理等技术，要求 柴油机油有更好的抗氧化稳定性、清净分散性能、抗磨损性能、剪切稳定性和与生物柴油相容性等，降 低其中的灰分及硫磷含量，使之与后处理系统有更好的相容性。参考文献： 1柴油网排放标准，https：wwwdieselnetcomstandardsjpfe php2宋义忠，李韬，石磊，等直喷汽油机直接起动停止技术研究发展与展望内燃机与动力装置，2013，30(4)：4246 3张俊红，李志刚，王铁宁车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望小型内燃机与摩托车，2007，36(1)：6669 4贺泓，翁端，资新运柴油车尾气排放物控制技术综述环境科学，2007，28(6)：116911775Welling 0，Collings N，Williams J，et al Impact of Lubricant Composition on Lowspeed PreIgnition SAE TechnicalPaper 2014011213，2014，doi：1042712014011213作者简介：王蔺，助理工程师，2009年毕业于吉林大学应用化学专业，现从事车用油品的分析评价和在用油监测T作。Email-wangzhuord(-law corncn