汽車油耗和排放法規對發動機油規格的影響

王茁　桃春生　王清國

摘要：文章介紹了美國、歐洲、日本以及中國的最新油耗法規和排放標準，以及為應對相關法規發動機所采取的技術。發動機設計的改進以及新技術的應用，對發動機油提出了更為苛刻的要求，需要對發動機油配方重新設計，新的發動機油規格也正是在這種背景下誕生的。

關鍵詞：油耗法規；排放法規；發動機技術；發動機油規格

中圖分類號：TE626.32文獻標識碼：A

Abstract：The article introduces the latest fuel economy regulations and emission legislation of American， Europe， Japan and China. To meet the requirements，new techniques have been used and improvements of engines have been done. These changes require engine oils to have better performance，so new specifications are formed.

Key words：fuel economy regulations； emission legislation； engine technology； engine oil specification

0引言

環境保護和節能是發動機技術不斷向前發展的驅動力，各個國家頒布實施的相關排放法規及油耗標準，促使汽車制造企業在發動機技術方面不斷進行改進和創新。發動機油是發動機的重要組成部分，除為發動機提供潤滑保護，保證發動機正常工作之外，還對發動機的燃油經濟性以及對尾氣排放特性有重要影響。發動機硬件不斷更新的同時，對發動機油也提出了一系列的挑戰。本文簡單介紹了歐洲、美國、日本和中國在油耗和排放法規方面的現狀，并就相關法規和發動機技術對發動機油規格的影響做了分析，以期能夠為發動機油開發、應用工作提供一些參考。

1.各國油耗和排放法規

1.1美國法規

1.1.1美國油耗法規

美國的燃油消耗評價方式有并行的兩種，一種是國家公路安全交通管理局（NHTSA）采用的企業平均油耗（CAFE）標準，于上世紀70年代生效；另一種是美國環保部采用的溫室氣體排放（GHG）標準，于2012年采用。

2010年和2012年，美國環保部和國家公路安全交通管理局先后聯合頒布了對輕型車和商用車的溫室氣體排放和燃油消耗階段標準。見表1。

除此之外，美國相關政府部門對大型商用車、公交車和重型皮卡車也提出了燃油經濟性的要求，對以上三類不同用途的車輛規定了不同的CO2排放和燃油消耗的要求：

（1）對于裝備柴油機的半掛車，符合要求的發動機和車輛從2014年開始，到2017年需在2010年的基準上降低CO2和燃油消耗約7%～20%；

（2）對于重型皮卡和廂式貨車（heavy-duty pickup trucks and vans），從2014年開始，到2018年，裝備汽油發動機的車輛燃油經濟性要提高10%，若裝備柴油發動機則要提高15%；

（3）除上述車輛外的其他諸如公交車、垃圾運輸車和水泥攪拌車等降低9%的燃油消耗。

1.1.2美國排放法規

美國的汽油價格相對低廉，故乘用車主要以汽油機為動力。加利福尼亞州由于特殊的地理環境，使其最早開始制定相關排放標準，并成為美國控制尾氣排放最嚴格的地區。美國于2014年3月3日簽署的第三階段輕負荷車輛排放標準基本與加州第三階段排放限值一致。

1997年10月，美國環保局頒布了關于2004年及之后生產的重負荷柴油商用車和公交汽車發動機的排放標準。汽車制造商可根據實際情況按表2中的要求進行發動機認證。

2010年11月21日，美國環保局簽發了適用于2007年及之后生產的重負荷高速公路柴油機的排放標準。見表3。表3重負荷高速公路柴油機排放標準g/bhp·h

排放污染物排放限值備注PM0.012007年生效NOx0.20NMHC0.14從2007年到2010年依銷量基數逐步開展：2007年50%達標，2010年100%達標

1.2日本法規

1.2.1日本油耗法規

日本于1976年頒布了第一個有關汽車燃油消耗的法案（《能源保護法案》的一部分），作為對《能源保護法案》的補充，后續分別設定了2010年和2015年燃油消耗目標[1]。見表4。

1.3歐洲法規

1.3.1歐洲油耗標準

歐洲國家出于能源等方面的考慮，非常重視車輛的油耗，也是較早開展溫室氣體排放研究工作的。2009年，歐洲議會通過了乘用車到2015年CO2排放量限值130 g/km的目標。2013年歐洲汽車制造商協會投票確認通過了乘用車2020年的CO2排放量限值95 g CO2/km。

針對廂式貨車為代表的輕型商用車，于2012年修訂實施的標準要求到2016和2017年間實現CO2排放量175 g/km的目標。2013年5月，歐洲議會環境委員會提議到2020年和2025年，分別實現CO2排放量147 g/km和CO2排放量105～120 g/km的目標。

由于商用車種類、日常用途等方面存在較大差異，燃油消耗也不盡相同。通過車輛技術以及使用者日常合理的維護，可減少3%～5%的燃油消耗。商用車燃料費用占車輛使用成本的30%左右，故提高燃油經濟性將對商用車使用大有益處，因此歐洲汽車廠商致力于基于2005年的燃油消耗水平，到2020年降低20%的燃油消耗。

1.3.2歐洲排放標準

歐洲的柴油轎車數量較多，占乘用車的比重較大，所以相關排放標準的制定，綜合考慮了汽油發動機和柴油發動機的特性。

乘用車排放標準所要求的日期是對所有新車認證有效的，但在允許的情況下可以延后一年。見表8。

歐洲重負荷車輛的排放標準依據不同的測試方法分為兩種限值，穩態測試只適用于柴油發動機，瞬態測試適用于柴油發動機和燃氣發動機。見表9～表10。

1.4中國法規

1.4.1中國油耗標準

我國實行的汽車油耗限值，是按不同燃料、不同最大設計總質量和不同發動機排量，分階段實施的。見表11。

2007年7月發布的GB 20997-2007《輕型商用車輛燃料消耗量限值》，主要對象為總重3.5 t以下、9～12座的輕型商用車即輕卡和輕客等。本標準分兩個階段實施，自2011年1月1日起，適用于此標準的所有車輛應符合第二階段限值要求，第二階段的限值是在第一階段限值基礎上約加嚴5%～10%。

我國相關部門和機構也在對中重型車的燃油消耗工作進行研究。工業和信息化部于2011年12月31日頒布了QC/T 924-2011《重型商用車輛燃料消耗量限值（第一階段）》，由全國汽車標準化技術委員會制定的GB 30510-2014《重型商用車輛燃料消耗量限值》強制性標準已于2014年2月19日頒布。

1.4.2中國排放標準

我國的機動車輛的排放法規是參照歐洲制定的，限值與其相同，在具體實施時間上落后于歐洲，并結合實際情況，對車輛分類及定義做了修改，如輕型車（乘用車和輕負荷商用車），定義為：

1型：6座以下，車輛總重不超過2.5 t的M1類車輛；

2型：基于基準重量將除1型外的其他車輛分為三類：

1類：基準質量不大于1305 kg；

2類：基準質量大于1305 kg且不大于1760 kg；

3類：基準質量大于1760 kg。

世界上有代表性的排放法規體系為美國、歐洲和日本三大體系，其中以美國和歐洲的排放法規最具影響力和代表性。中國第五階段排放法規以及之前的標準均是參照歐洲體系制定的，但第六階段排放法規會參照美國的排放標準制定，因為美國車輛的燃料結構、測試循環以及各工況的實際情況與中國較為接近。

歐洲燃料價格較高，排放標準較嚴，對燃油經濟性具有較高的要求。柴油轎車以強勁的動力性，良好的節能效果和CO2減排效果，被越來越多的消費者接受，柴油轎車占轎車總量的近50%，在部分國家甚至超過了70%，柴油混合動力或許是乘用車為應對未來更為嚴格法規的方向和趨勢。美國的燃料價格相對低廉，乘用車主要以汽油機為主，且車輛的總體排量也較大，近些年對燃油經濟性的要求也越來越嚴格。日本由于能源自給率較低，對燃油經濟性尤為重視。日本乘用車企業通過成熟的混合動力技術，在降油耗方面取得了良好的效果。

各國的商用車主要還是以裝備柴油機為主。對于重型柴油車尾氣后處理系統而言，現階段歐洲主要采用SCR技術，北美以EGR+PDF為主流。美國的燃油價格低廉，車主對燃油經濟性不太敏感，但會考慮由于尿素的加注帶來的成本增加。中長途的牽引車，SCR技術更加適合，對于中短途以及排量較小的輕微型車EGR+PDF較為合適。對于未來更嚴格的歐Ⅳ排放法規，歐洲SCR仍是主流，并可能配合使用稀燃NOx補集器和稀燃NOx催化劑等。美國也有望采用SCR來應對更嚴格的排放法規。

2發動機技術與油品規格發展

越來越嚴格的油耗及排放法規的實施，促使發動機在提高燃燒效率、降低燃油消耗、保持耐久性和降低尾氣排放等技術方面不斷探索，大量的數據已經證明，發動機油對油耗以及排放具有重要影響，原有的發動機油配方及試驗驗證手段很難滿足，新的油品規格和評定方法也應運而生。

2.1汽油機技術與油品規格發展

未來汽油機將采用混合動力、渦輪增壓、直噴、均質燃燒、啟停技術、空氣動力學設計以及更高效的附件裝置如空調系統等，但最為關鍵的仍是發動機的設計。

啟停技術是指車輛在停車時間較長時，如等紅綠燈及遇到堵車等情況時[2]，發動機怠速時熄火，在車輛達到重新啟動條件時發動機迅速啟動。裝備啟停技術的發動機可明顯降低車輛的油耗和尾氣排放。在NEDC城市道路試驗中，油耗和排放減少量更高達8%。

渦輪增壓技術是利用排放的廢氣推動渦輪對進氣進行壓縮，增加進氣量，提高發動機的功率和熱效率，在發動機體積和重量增加較少的情況下，可提高發動機功率輸出20%～50%。有利于實現車輛的小型化。

缸內直噴技術是指將汽油直接噴入燃燒室與空氣進行混合燃燒，通過控制燃燒策略，可使發動機在稀燃混合氣的情況下燃燒，通過在發動機不同的運行條件下，控制燃燒方式，達到最大限度的燃料節省，于相同排量的普通發動機相比，功率和扭矩可提高10%[3]。

以上三種典型的發動機技術，通過小型增壓以及高效的利用每一滴燃油，能夠實現較好的燃油經濟性，但由此對發動機油抗氧化性能、抗剪切性能、抗磨損性能等提出了更高的要求。國際潤滑油規格認證委員會（ILSAC）提出的全新GF-6規格使用目標是2017年型車，除提供正常的潤滑保護和能夠與代用燃料有更好的相容性外，重點是提供燃油經濟性。提供發動機燃油經濟性主要有以下兩個方面：一是油品可直接提供燃油經濟性，另一方面是通過促使硬件的更新來提高發動機效率。如果要達到上述的目標，引入新的摩擦改進劑是不可避免的。

GF-6將引入6個新的發動機臺架測試，如考慮由于渦輪增壓直噴技術的引用，要避免發動機小型化因機油導致的低速早燃（LSPI）現象[5]和使用“怠速啟停”技術時為發動機鏈條提供更好的抗磨損保護。除此之外，還包括程序ⅤH、程序ⅥB、程序ⅢH和程序ⅣE等，分別在防止油泥和漆膜生成、防凸輪磨損、抑制油品氧化和燃油經濟性等方面要求更嚴格。以上諸多方面的關鍵點在于平衡發動機的燃油經濟性和耐久性。

GF-6將包含GF-6A和GF-6B兩個規格。GF-6A包括5W-20等黏度級別，可兼容之前的規格，GF-6B包括XW-16等黏度級別，不可兼容之前的規格。

2.2柴油機技術

柴油機主要污染排放物是NOx和PM。NOx是燃燒室高溫燃燒的產物，溫度越高，生成量越大。PM主要由煙炱和硫酸鹽顆粒等組成。柴油機技術的發展主要是圍繞上述二者開展的。

柴油車的機內凈化污染物技術[4]主要是采用高壓電控噴射和進氣增壓來降低PM， 采用EGR、進氣中冷和推遲噴油提前角等技術來降低NOx；柴油機高壓共軌技術借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量，從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化、最佳的點火時間和足夠的點火能量，從而實現PM等污染物排放的降低。而新的活塞結構的設計對改進排放的同時，對油品性能提出了新的要求。頂環岸高度的降低，會導致頂環槽處溫度增加，活塞沉積物增加進而導致缸套拋光和機油耗增加；更小的頂環岸間隙也增加了缸套拋光的可能性；活塞底部噴油冷卻的設計將提高機油溫度，上述活塞結構的改變對機油的抗氧化性能和磨損保護性能要求更高。

而在后處理技術方面，當前有效的技術主要有柴油機氧化催化器（DOC）、顆粒物催化氧化轉化器（POC）、柴油機顆粒捕集器（DPF）和選擇性催化還原系統（SCR）等。概括起來，處理柴油機排放污染物主要有EGR+DOC+DPF和SCR+DOC+DPF/POC兩條路線。尾氣后處理系統所使用的催化劑如貴金屬鉑、銠、鈀等對燃油中的硫以及發動機油中的硫和磷等特別敏感，硫和磷沉積在催化劑表面會降低催化劑的活性。后處理催化劑孔道也易受發動機油灰分的堵塞影響，排氣背壓增加，從而降低尾氣轉化效率，增加燃料消耗。

柴油發動機設計、后處理技術和代用燃料如生物柴油的使用，以及對中重商用車燃油經濟性的日益關注，促使新規格柴油機油的誕生。根據最新得到的信息，新規格PC-11將于2016年4月1日發布。此規格油品將重點關注油品的氧化穩定性、空氣釋放性、剪切穩定性、生物柴油相容性以及磨損保護性能等。

PC-11將沿用CJ-4規格中的7個臺架評定試驗，分別是Cummins ISB、Cummins ISM、Caterpillar C-13試驗、Caterpillar 1N試驗、Mack T-11試驗、Mack T-12試驗和通用汽車滾子隨動件磨損試驗（GM 6.5RFWT）試驗。另外，為PC-11專門開發的試驗包括Daimler DD13、Volvo/Mack T-13、Cat Oxidation/Nitration Test和程序ⅢH。

PC-11將分為A和B兩種規格。PC-11A包括15W-40等黏度級別，可向后兼容的油品包括API CJ-4等。PC-11B包括5W-30、10W-30等黏度較小的級別，通過控制高溫高剪切黏度（HTHS）提高燃油經濟性，擬設定HTHS為2.9～3.2 mPa·s。

除上述外，開發組考慮將PC-11除0W-40外的其他等級的XW-40的油品黏度下限設為12.8 mm2/s，以保證油品在使用期間受剪切后黏度保持在本黏度級別內。最終新規格油品的命名以及所有相關試驗的開發及指標的確定，將是今后工作的重點。

3總結

中國為應對大氣污染和能源消耗問題，加緊了相關的立法工作，很多城市也針對黃標車的淘汰制定了具體的實施辦法，政府對不符合油耗的汽車制造企業的監控和處罰力度也更為嚴格。排放及油耗法規是促使發動機技術不斷發展的源動力，未來一段時間，如何降低發動機燃油消耗都將是發動機技術的熱點，也對發動機油的綜合性能提出了更高的要求。

（1）汽油機將更多地采用渦輪增壓、直噴、可變氣門正時、啟停技術等，汽油機油要承受更高的熱負荷和機械負荷，要求有更好的抗氧化性能、抗磨損性能、抗剪切性能，與代用燃料與更好的相容性，提供燃油經濟性的同時保證發動機的耐久性。

（2）柴油機采用高壓共軌、EGR、延遲燃油噴射、活塞結構設計的改進以及尾氣后處理等技術，要求柴油機油有更好的抗氧化穩定性、清凈分散性能、抗磨損性能、剪切穩定性和與生物柴油相容性等，降低其中的灰分及硫磷含量，使之與后處理系統有更好的相容性。

參考文獻：

[1] 柴油網.日本燃油經濟性法則＼[EB/OL＼].https：//www.dieselnet.com/standards/jp/fe.php.

[2]宋義忠，李韜，石磊，等.直噴汽油機直接起動停止技術研究發展與展望[J].內燃機與動力裝置，2013，30（4）：42-46

[3]張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術的發展回顧、現狀及展望[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[4]賀泓，翁端，資新運.柴油車尾氣排放物控制技術綜述[J].環境科學，2007，28（6）：1169-1177.

[5]Welling O，Collings N，Williams J，et al.Impact of Lubricant Composition on Low-speed Pre-Ignition.SAE Technical Paper 2014-01-1213， 2014， doi：10.4271/2014-01-1213.