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国Ⅵ商用车对润滑油的新要求

发布者:admin2021-04-08

一、国Ⅵ法规介绍


排放法规


近年来,国内汽车工业在以前所未有的速度发展。同时,由于汽车保有量的迅速增加以及由此带来的环境污染问题和能源紧缺问题也越来越得到人们的重视。为了适应国内日趋严格的汽车排放法规,汽车行业做出了积极响应和努力,开发新机型,使新生产的汽车的排放水平不断提高。2019—2023年分步推进实施,中国正式进入“国Ⅵ”排放时代,见图1。

相比国Ⅴ排放标准限值,国Ⅵ阶段排放标准在CH、NOx、PM、PN等各项指标均有不同程度的加严,详见表1。



节能法规
随着各种车型的普及,汽车的能耗问题逐渐成为人们关注的重点,由于我国重型商用车油耗量占汽车油耗量的比重最大,其油耗管理紧迫性比任何国家都强烈,节能法规的演变历程见图2。

另外国内也推出了针对重型商用车的节能测试方法,见表2。GB17691排放法规要求记录WHTC和WHSC的油耗,但是没有作限值要求。

二、国Ⅵ柴油机相比国Ⅴ的变化


为满足国Ⅵ排放法规的升级,国Ⅵ柴油机主要在发动机本体和排放后处理系统两方面均作出了相应改变。
国Ⅵ柴油机本体变化◇国Ⅵ柴油机相比国Ⅴ发动机本体变化简述如下:

◇燃烧系统:爆压提升、共轨油压(燃油喷射压力)提升;◇润滑及冷却系统:国Ⅵ相比国Ⅴ冷却液流量升高,国Ⅵ冷却系统工作效率提升;◇涡轮增压器:中冷前温升高,中冷前压提高;◇发动机热负荷:国Ⅵ相比国Ⅴ活塞等部位的温度有所提升。
排放后处理系统变化
国Ⅵ柴油机排放处理技术路线可分为有EGR(废气再循环,位于发动机本体)和无EGR:其中采用带有EGR的技术路线,结构通常为“EGR+DOC(氧化性催化器)+DPF(柴油颗粒捕集器)+SCR(选择性催化还原)+ASC(氨逃逸催化器)”,采用此种路线的OEM(原始设备制造商)较多;采用无EGR的技术路线,尾气处理结构通常为“DOC+DPF+Hi-SCR(高转化效率选择性催化还原)+ASC”,采用此路线的OEM较少,详见图3。

SCR氮氧化物催化还原系统依然在延用,在无EGR排放技术路线中,Hi-SCR催化还原反应的效率进一步得到提高,SCR车用尿素溶液依然在国Ⅵ作为催化还原剂大量应用。国Ⅵ对PM的限值相对于国Ⅴ严格了不少,通过优化标定、进排气相位等手段已经无法让原机PM排放在满足动力性的同时还满足法规要求,因此只能通过加装DPF后处理来解决。加装ASC氨逃逸催化器的目的是对尿素催化还原过程中产生的未发生反应的氨气进行进一步的分解,降低SCR后端排气中的氨含量,进一步优化排放。
由于EGR系统废气会劣化燃烧,导致soot(烟炱)增多,EGR系统对发动机功率会存在一定的损耗,同时发动机结构、安装空间和后期维护会更加复杂。无EGR系统对SCR系统处理NOx的效率提出了更高的要求,同时PM的减少有利于DPF系统延长使用寿命和再生周期,简化发动机结构,易于后期维护,不影响发动机动力输出,对降低油耗有一定帮助。DPF主动再生方式有两种:如果采用在排气管喷射柴油,对柴油机油中的燃油稀释没有影响;如果采用在缸内喷射柴油,燃油液滴不能在排气冲程完全带走,会增加柴油机油中的燃油稀释。
OEM采用较多的后处理系统布置见表3。其中国Ⅵ相比国Ⅴ增加了EGR、DOC、DPF、ASC。

三、国Ⅵ商用车润滑油应对策略


面对各项法规及商用车总成结构的变化,国Ⅵ商用车润滑油必须要积极应对,其中,国VI柴油机在发动机本体以及排放后处理装置方面也有所变化,对柴油机油的性能要求相比国V有所提升。传动系(变速箱、驱动桥)总成虽然不受排放标准限制,但是为了配方新车型平台开发,提升产品竞争力,传动系总成在耐久性等方面有一定升级,对传动系油品的性能有更高的要求。
国Ⅵ柴油机油性能要求
排放法规、节能法规、新增后处理系统、发动机喷油压力、爆压等变化均对柴机油的使用提出了新的要求,其中增加EGR虽然降低氮氧化物,但是需控制烟炱;增加DPF要求低灰分;国Ⅵ柴油机相比国Ⅴ热负荷提升,对机油高温抗氧化性能要求更加严苛。法规及发动机变化对柴油机油的新要求见图4。

低灰分
国Ⅴ阶段主流的柴油机油级别如API的CI-4和ACEA的E4/E7,采用的都是高灰分添加剂配方,灰分值大于1.0%(质量分数)。润滑油中过高的金属元素参与燃烧会生成无机盐和氧化物,造成DPF颗粒捕捉器堵塞,背压增加,严重时可损坏DPF系统。国Ⅵ排放且加装DPF尾气装置的商用车一定要选择CJ-4/CK-4或E6/E9级别的产品。未来中国自主柴油机油标准D1也将兼容国VI排放要求。
高性能
国Ⅵ阶段,绝大部分重型商用车发动机引入了EGR废气再循环系统,这对润滑油的清净分散性和抗腐蚀性能提出了更高要求。同时为应对长换油周期,要求能够更好地控制油品黏度增长老化程度,提升机油的高温抗氧化性能等;因此适配重卡国Ⅵ柴油机的油品级别将升级为CJ-4/CK-4。CK-4与CJ-4级别产品相比,抗氧化性能有所提升。国Ⅴ与国Ⅵ柴油机油性能对比见图5。

长寿命
目前100000km柴油机油技术已基本成熟,国外OEM已有150000kmODI(换油周期)推荐,今后国Ⅵ阶段重点验证150000km,200000km换油周期可作为未来挑战目标,实现存在技术难度,详见图6。

传动系油品性能要求
国内商用车手动变速箱油的规格主要是以OEM规格和APIMT-1为主,MT-1主要用于不带同步器的重型卡车和客车的手动变速箱润滑,该规格在北美地区应用广泛,目前APIMT-1由美国ASTM机构进行试验方法的维护,规格号为ASTMD5760。目前也有部分商用车OEM在使用APIGL-5、APIGL-4规格作为手动变速箱的标准,GL-5和GL-4都是驱动桥油的应用规格,重点考察油品的齿轮保护能力,其中GL-4已经不再维护和更新,考察GL-4性能的台架也已经无法测试,GL-5方法由美国ASTM机构进行试验方法的维护,规格号为ASTMD7450。因此使用GL-4和GL-5规格可以一定程度上考察手动变速箱的齿轮保护能力,但是没有考察油品与同步器摩擦材料的适配性,GL-4和GL-5并不能考察手动变速箱的同步器性能,因此应该使用满足OEM规格的用手动变速箱油。国内存在将GL-4和GL-5齿轮油用于商用车手动变速箱的误区,换油周期短的情况下用户可能体验不到对同步器的影响,但对于长换油周期的手动变速箱油,一定要考察与同步器材料的适配性。
国内商用车驱动桥油的规格主要是以OEM规格和APIGL-5为主。APIGL-4只能适用于中等到苛刻转速和负荷条件下的螺旋伞齿轮驱动桥、中等负荷条件下的准双曲线齿轮驱动桥,而且GL-4已经不再维护更新,试验台架也不再存在。APIGL-5(ASTMD7450)适用于苛刻工况下准双曲线齿轮驱动桥,是目前中低里程驱动桥油主要参考的规格。目前国内、国外高端的传动系油品由于对于更长里程数的要求,通用做法是变速箱油采用OEM规格,驱动桥油采用在通用规格SAEJ2360基础上进行性能补强,SAEJ2360与GL-5规格相比具有更长的里程、更苛刻的试验条件,详见表4。长里程驱动桥油OEM规格通常是在SAEJ2360规格基础上增加了更严苛的抗高温氧化性能、齿轮保护耐久试验、剪切稳定性、抗点蚀、橡胶相容性等一系列试验考核,同时通过整箱耐久以及行车试验充分验证油品在整箱和整车上的性能,性能要求远远超过SAEJ2360规格。

另外由于对燃油经济性的要求,传动系油品呈现低黏化的趋势,整箱和整车的效率试验通常也是OEM需要考核的因素,油品的低黏化对于润滑油的齿轮保护性能提出了更严苛的挑战。
传动系油品未来性能要求是在满足长里程耐久保护前提下实现节能,提升传动系总成的燃油经济性的思路主要有调整润滑油黏度、润滑油使用的基础油、黏度指数改进剂等、硬件材料涂层、结构设计,其中从润滑油的方向改进最简单直接,可以在对硬件改变较小的情况下实现燃油经济性的提高。目前国外OEM已将传动系油品的换油周期提升到较高的水平,详见图7。

四、制约润滑油换油周期延长的因素


制约柴油机油实现长换油周期的主要因素:
◇使用工况:由于国Ⅵ发动机本体及后处理系统的变化,国Ⅵ柴油机油相比国Ⅴ使用工况更加苛刻,柴油机油的性能有所提升;
◇成分限制:较高的TBN(总碱值)对实现更长的换油周期有一定帮助,总碱值主要来源于柴油机油中的灰分,国Ⅴ及以下排放阶段对灰分未做要求,而国Ⅵ阶段要求柴油机油灰分≤1.0%,故TBN无法做得很高,国Ⅵ阶段想实现200000km换油周期对发动机本身和外界条件要求相比国Ⅴ阶段难度更大;
◇燃油品质:柴油机油换油里程跟柴油品质也有关联,虽然2019年1月1日全国范围内开始实行国Ⅵ柴油标准,但劣质柴油问题仍然存在,劣质柴油燃烧产生的酸性物质混入机油中,对发动机腐蚀磨损的影响不容忽视。传动系油品与柴油机油相比,手动变速箱油有APIMT-1(ASTMD5760)作为参考,驱动桥油有APIGL-5(ASTMD7450)规范,但是这两个规格都具有一定的局限性。
首先,手动变速箱油没有通用的可以评估同步器性能的规格,不管是APIMT-1还是已经淘汰的APIGL-4都没有同步器的性能验证。其次,APIGL-5作为入门级别驱动桥油,无法满足长寿命(100000km以上)使用要求。美国SAEJ2360是目前可以参考的最长里程数的通用驱动桥油规格,其里程数可以达到320000km,但是更长里程数(320000km以上)的传动系油品没有通用的规范(API、ACEA)可循,国外商用车OEM通常使用自己的企业规格来验证更长里程的传动系油品,详见图8。

因此,国内OEM提升传动系油品换油周期的工作方向主要是根据实际使用要求制定符合自己硬件条件和使用工况的自主传动系油品规范,另外传动系总成加工、装配精度,以及总成清洁度控制水平也是制约传动系实现长寿命的重要因素。
国Ⅵ柴油机油发展的驱动力主要是排放法规,国Ⅵ柴油机硬件及参数的改变要求柴油机油规格必须升级;要求国Ⅵ柴油机油相比国Ⅴ在高温抗氧化性能等方面需要加强,同时要求在保证发动机可靠性的前提下实现低黏化以满足国家日益严格的节能法规要求。
传动系总成没有排放法规的限制,更新换代没有发动机那样快,所以传动系油品(变速箱油、桥油)升级没有柴油机油频繁,但为实现更长的换油周期等目标,要求国内OEM根据实际使用要求制定符合自己硬件条件和使用工况的自主传动系油品规范。