日本重負荷柴油機油規格的建立與發展

石順友，王雪梅，趙艷麗，湯占帥

(中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

發動機油被形象地稱為汽車發動機的“血液”，對發動機的動力性、經濟性和耐久可靠性有著直接影響。發動機油規格能夠反映發動機油的整體性能水平，對規范發動機油的生產、使用和市場秩序，促進發動機油更新換代具有重要作用[1]。隨著汽車工業技術的不斷發展，發動機油的規格開始建立，并不斷發展和完善。日本于1994年開始進行JASO柴油機油規格的開發工作，并于2000年公布了第一個柴油機油規格DH-1，通過十幾年的發展，日本重負荷柴油機油規格從無到有，現已成為具有世界影響力的三大柴油機油規格之一。借鑒日本JASO柴油發動機油規格發展中的成功經驗，對建立具有我國特色的，適應我國發展需求以及符合我國汽車工業特點的柴油機油規格具有重大意義。

1 日本潤滑油行業標準組織

日本車用潤滑油的發展工作與歐洲、美國一樣，也是由汽車制造部門、潤滑油和添加劑生產部門以及發動機臺架試驗方法部門組成。在日本，多數車用潤滑油標準被命名為“JASO標準”，JASO(Japanese Automobile Standards Organization，日本汽車標準委員會)是JSAE下屬負責材料標準、試驗方法和汽車標準的部門。為了更好地應用新建立的潤滑油標準，1994年，日本成立了JASO發動機油標準執行組織(JEOSIP)，以保障發動機油標準的切實執行。日本與潤滑油相關的行業組織[2]見表1。

表1 日本潤滑油行業組織

在標準制定過程中，JAMA起主導作用，PAJ、JSAE和JALOS是支持單位，JPI、JARI、PEC和JAST等行業/學術組織在需要時也給予支持和幫助。

2 日本柴油機油規格的建立背景與發展歷程

2.1 建立背景

日本是汽車生產大國，為使日本汽車暢銷世界，日本十分重視國際汽車標準和各國汽車標準的研究，且不斷建立自己的標準。在建立統一的柴油機油規格之前，日本一直采用美國API柴油機油標準，而據JAMA的研究，在日本制造的柴油機上采用API CG-4/CH-4規格油品時會出現適應性問題，因日本較多地采用平板式“滑動型”的氣門機構，相對于美國較多采用的滾柱式結構，其潤滑要求更加苛刻(見圖1)。此外，為滿足日趨嚴格的排放法規，日本汽車OEMs要求建立新的油品標準。與此同時，在日本汽車市場份額較高的亞洲市場需要建立類似于日本的質量標準，以及日本汽車制造商同樣參與并開展活動的亞洲SAE燃油和潤滑油事業部指導委員會也要求建立柴油機油的質量標準。在此背景下，日本開始著手建立統一的柴油機油規格。

圖1 日本與美國的柴油機結構差異

2.2 發展歷程

1994年，JSAE下屬發動機油分會與JALOS合作，采用硫含量低于0.05%的柴油開發柴油發動機油的試驗方法。1998年3月，采用Nissan柴油發動機(TD25)建立發動機油清凈性評定試驗方法(JASO M336：1998)。1999年3月，采用三菱發動機(4D34T4)建立閥系磨損評定試驗方法(JASO M354:1999)。2000年10月，JAMA與PAJ提議，根據日本各汽車廠家的要求，制定了柴油機油標準JASO M355:2000，并命名為“JASO DH-1”，規定了日本汽車OEM制造的四沖程柴油機裝填和售后服務用油的最低性能要求。該標準通過JEOSIP的On-File體系執行。同時，JEOSIP成立了工作組，見圖2，以確保試驗程序的開發和標準的執行。

圖2 JASO發動機油標準執行組織

JASO M355:2000標準于2005年升級修訂為JASO M355：2005，包括DH-1、DH-2、DL-1三種規格，其中DH-1、DH-2是針對重型柴油車的規格，DL-1則是針對輕型柴油車的規格[3]；于2017年升級修訂為JASO M355：2017，包括DH-1、DH-2、DL-1、DH-2F和DL-0五種規格，其中DH-2F為燃油經濟性型柴油機油規格[4]。期間，也多次對JASO M355標準內容進行了如下主要修訂：(1)2008年對DH-2規格中的氯元素含量指標的上限進行了修訂[5]；(2)2014年采用日野N04C發動機替換Nissan TD25發動機進行活塞清凈性試驗(JASP M366：2014)[6]；(3)2015年采用日野N04C發動機替換三菱4D34T4發動機進行閥系磨損試驗(JASO M354：2015)，并使用新的參考油DV3和DV4[7]。JASO重負荷柴油機油規格的發展歷程見表2[4]。

表2 JASO柴油機油規格的發展歷程

3 日本重負荷柴油機油規格

3.1 JASO DH-1

JASO DH-1柴油機油規格包含4個臺架評定試驗和7個理化試驗。4個臺架試驗分別是活塞清凈性、閥系磨損、煙炱分散性和高溫抗氧化試驗；7個理化試驗分別是熱管試驗、抗泡、抗腐蝕、蒸發損失、總堿值、剪切穩定性和橡膠密封性。JASO DH-1規格的性能要求與測試方法見表3[8]。

表3 JASO DH-1重負荷柴油機油性能要求和試驗方法

表3(續)

從表3可以看出，JASO DH-1規格的顯著特點是總堿值要求不小于10，分別采用了北美、歐洲以及日本的臺架評定試驗方法。其中JASO M336和JASO M354是日本新建的臺架評定試驗；抗腐蝕、煙炱分散性和高溫抗氧化分別為美國的ASTM D6594、Mack T-8A和Sequence ⅢE臺架試驗，Mack T-8A曾使用于API CF-4規格油品的性能評定、ASTM D6594和Sequence ⅢE曾使用于API CH-4規格油品的性能評定；橡膠密封性為歐洲的CEC-L-39-T試驗方法。該標準適用于燃燒高硫燃料的柴油機，同時也適用于使用低硫燃料的柴油機，滿足Japan NST、Euro Ⅱ&Ⅲ排放要求，得到了Hino、Mitsubishi Fuso和UD Trucks等日本發動機制造商的推薦。

3.2 JASO DH-2

為適應日本“新長期”排放法規，汽車OEM除了采用EGR、燃燒改進、高壓共軌、延遲噴射、電子控制等技術外，還必須采用如冷卻EGR、DPF和SCR等先進技術。然而PEC進行的系列試驗表明，高灰分的DH-1油品會造成DPF的堵塞，硫、磷元素對DPF和選擇性催化再生器是有較大影響，但磷元素含量太低又會造成凸輪軸承嚴重磨損，并出現點蝕[9]。于是日本推出了JASO DH-2重負荷柴油機油規格，該標準除對油品的硫酸鹽灰分、硫、磷元素含量進行了嚴格限制外，油品的活塞清凈性、閥系磨損、煙炱分散性、高溫氧化、蒸發損失以及剪切穩定性等指標與DH-1-05的基本一致，其性能要求和試驗方法見表4[4]。

表4 JASO DH-2重負荷柴油機油性能要求和試驗方法

表4(續)

JASO DH-2油品要求硫酸鹽灰分不大于(1.0±0.1)%、硫元素含量不大于0.5%、磷元素含量不大于0.12%，以降低油品對尾氣后處理系統的不良影響。JASO DH-2油品適用于硫含量不大于50 μg/g且帶有后處理系統的重負荷柴油機，如卡車和公交車。DH-2與DH-1的性能對比見表5。

表5 DH -1與DH-2的性能對比

3.3 JASO DH-2F與JASO DL-0

3.3.1 JASO DH-2F

隨著汽車工業的快速發展，石油資源短缺的矛盾日益突出，柴油機燃油經濟性問題已引起世界各國的廣泛關注。2015年日本發布了重負荷柴油機的燃油經濟性法規，并在研討下一步更加嚴格的重型車燃油經濟性目標。為適應燃油經濟性法規以及減少汽車CO2的排放，需要燃油經濟性型的柴油機油[10]。然而，在日本作為柴油機油標準應用的JASO M355中并不包括任何燃油經濟性要求，因此，日本在建立重負荷柴油機油燃油經濟性臺架試驗方法的基礎上，發展了燃油經濟性重負荷柴油機油規格“DH-2F”，該規格在JASO DH-2-17重負荷柴油機油規格的基礎上，增加了燃油經濟性要求，其性能指標見表6[4]。

表6 JASO DH-2F重負荷柴油機油性能要求和試驗方法

表6(續)

3.3.2 JASO DL-0

為滿足東南亞地區歐Ⅳ以下排放法規的要求，JAMA下屬的許多機構向該地區的客車客戶推薦API CF-4級別的油品，然而，API CF-4規格在2008年就已經廢除。JAMA認為，在東南亞地區，與API CF-4級別性能相當的油品依然有較大的市場需求，因此，在JAMA的建議下，由JAMA和PAJ聯合組建的轎車發動機油(PCMO)工作組建議建立新的發動機油規格JASO DL-0來替代API CF-4，以滿足東南亞地區的市場需求。

JASO DL-0要求硫酸鹽灰分不大于1.6%，堿值不小于8 mgKOH/g，蒸發損失不大于15%，且對高溫抗泡有要求，其他性能指標與2017年修訂版的JASO DH-1規格一致，JASO DL-0重負荷柴油機油性能要求和試驗方法見表7[4]。

表7 JASO DL-0重負荷柴油機油性能要求和試驗方法

表7(續)

4 日本重負荷柴油機油性能評定試驗方法

發動機臺架試驗評定與發動機油的使用性能具有良好的相關性，在發動機油規格建立和發展的過程中起到決定性作用。日本在建立和發展自己的重負荷柴油機油規格過程中，十分重視臺架評定試驗方法的開發，并在API規格臺架的基礎上，結合自己的國情，先后建立了閥系磨損試驗、活塞清凈性試驗、熱管試驗和燃油經濟性試驗等臺架試驗方法，為日本柴油機油規格的建立、發展與完善起到了推進作用。

4.1 活塞清凈性試驗(JASO M336：1998)

柴油機油在高溫氧化和各種雜質的催化下發生氧化、聚合、縮合等系列變化，在發動機活塞的頂部、底面、側面和曲軸中產生積炭、漆膜和油泥等沉積物，對發動機的活塞潤滑、傳熱、點火、爆震等產生重大影響。柴油機油高溫清凈性能是評定柴油機油在形成氧化產物后油品溶解、分散、中和氧化產物、抑制漆膜和積炭生成的能力，是柴油機油的重要使用性能之一。API采用卡特彼勒開發的系列臺架試驗方法來評定柴油機油的高溫清凈性，如API CF-4采用Cat 1K，API CH-4采用Cat 1K/1P。日本低排放柴油機與美國的相比，最典型的差異是活塞頂環槽位置較低，致使日本柴油機頂環槽溫度較低，對活塞的清凈性要求更加嚴格。為適應日本柴油機的設計特點，日本采用Nissan TD25發動機來建立評定油品活塞清凈性的試驗方法，其技術參數見表8，臺架試驗條件見表9[11]，JASO M336:1998發動機臺架試驗通過標準見表10[8]。

表8(續)

表9 JASO M336試驗條件

表10 JASO M336:1998發動機臺架試驗通過標準

4.2 閥系磨損試驗(JASO M354：1999)

因日本柴油機在應用API CG-4油品時會出現閥系磨損現象，為解決這一問題，JAMA與PAJ合作，采用具有代表性的三菱4D34T4發動機建立閥系磨損臺架試驗方法。該方法在4.5%煙炱含量下進行凸輪直徑損失測定，試驗條件較為苛刻，與API CH-4標準水平相當。技術參數見表11，試驗條件見表12[12]，JASO M354:1999臺架試驗通過標準見表13[8]。

表11(續)

表12 JASO M354試驗條件

表13 JASO M354:1999發動機臺架試驗通過標準

4.3 熱管試驗(JPI-5S-55-99)

由于JASO M336活塞清凈性臺架試驗方法不能準確有效地評定活塞頂部底面表面沉積物，于是JASO采用JPI熱管試驗(JPI-5S-55)來模擬評定油品的這一性能，試驗裝置見圖3。該方法的原理是被測試樣(柴油機油)在受控的高溫氧化環境中與氧氣混合后，在受高溫的玻璃管中循環回流，經過設定的溫度與時間后，受熱玻璃管的內管壁會產生沉積物。沉積物顏色的深淺及沉積量與試驗油品的清凈性有一定相關性，以試管漆膜顏色評級來模擬評定柴油機油的高溫清凈性。依據玻璃管內壁沉積漆膜顏色及沉積物長度將熱管沉積分為0～10級共11個等級，0級最好，10級最差。該試驗的試驗溫度為280 ℃，試驗油的流速為0.3 cm3/h，試驗結束后，洗凈反應管并與標準色管進行對比，油品試驗通過標準為不小于7級[8]。JASO DH-1與API CD熱管試驗對比結果見圖4，可以看出，JASO DH-1具有更優異的高溫清凈性。

圖3 熱管試驗裝置

圖4 JASO DH-1與API CD熱管試驗對比

4.4 燃油經濟性臺架試驗(JASO M362：2017)

為應對日益苛刻的柴油機燃油經濟性法規，許多先進技術被應用于柴油機的改進以獲得更好的燃油經濟性，比如先進的柴油機油和添加劑技術。然而，目前世界上還沒有評定重負荷柴油機油燃油經濟性的臺架試驗方法。為此，JAMA和PAJ下屬的大量機構進行了柴油發動機油燃油經濟性臺架試驗方法的研究工作。在由JAMA和PAJ組成的聯合工作組進行的系列重負荷柴油機油燃油經濟性研究的基礎上，日本建立了世界上第一個重負荷柴油機油燃油經濟性的臺架試驗方法，并命名為“JASO M362：2017”。該方法采用應用了最新發動機技術并滿足日本2010年排放法規的Hino Motors發動機N04C-VH，其技術參數見表14[8]，照片見圖5，試驗通過標準見表15[4]。該發動機同時也用于油品清凈性試驗和閥系磨損試驗的評定，大大節約了油品規格的開發成本和時間。

表14 N04C-VH發動機技術參數

圖5 N04C-VH發動機

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5 總結與建議

(1)通過政府的支持和國內多家潤滑油相關組織的共同努力，吸取北美API和歐洲ACEA規格發展中的成功經驗，在建立符合國情的臺架試驗方法的基礎上，日本建立了統一的JASO柴油機油規格，該規格作為日本柴油發動機填裝油和售后服務用油的最低質量要求，對發動機油的各項性能指標做了具體規定。JASO柴油機油規格的不斷升級與更新，順應了汽車技術、排放法規與燃油經濟性法規的發展，滿足了發動機的潤滑需求。

(2)我國排放法規、燃油經濟性法規、車輛工況和燃油質量等與美國的不盡相同，之前一直采用的API規格已無法滿足我國汽車工業的發展需求，因此，建立國內統一的柴油機油規格已迫在眉睫。當然，這不是一件簡單容易的事情，也不可能一蹴而就，可以先進行頂層規劃設計，再由易到難，逐步完善。

(3)目前，國內柴油機技術已實現自主化，且擁有建立自主柴油機油規格的技術條件和硬件資源。在規格建立過程中，可以根據國內OEM的用油需求，借鑒美國API、歐洲ACEA以及日本JASO的成功經驗，成立汽車、石油石化及相關行業共同組成的協會，建立各組織間良好的合作體制，共同制定自主柴油機油規格發展路線圖，進而早日建立我國統一的柴油機油規格。

參考文獻：

[1] 梁紅.我國發動機油際準化的最新進展[J]. 石油商技,2007(1):68-70.

[2] 濱口任.日本不斷制定新潤滑油標準[C]//中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會第11屆年會論文集，2004:82-90.

[3] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2005) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[4] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2017) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[5] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2008) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[6] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2014) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[7] JASO Engine Oil Standards Implementation Panel, Automotive Diesel Engine Oil Standard (JASO M355: 2015) Application Manual [EB/OL]. http://www.jalos.or.jp/.

[8] Hashimoto T, Niikura M, Ueda F, et al. New Standard for Four-Stroke Diesel Engine Oils: JASO DH-1[C/OL]. SAE Technical Paper.[2001-01-1970].https://doi.org/10.4271/2001-01-1970.

[9] Hoshino T, Kubo K, Nakamura K, et al. New Four-Stroke Diesel Engine Oil Standards for Japanese Market: JASO DH-2 and DL-1[C/OL]. SAE Technical Paper. [2005-01-3718].https://doi.org/10.4271/2005-01-3718.

[10] Hashimoto K, Tomizawa K, Nakamura Y, et al. The Development of Fuel Economy Test Method for Heavy Duty Diesel Engine Oil (The First HD Engine Test Method and the New JASO DH-2F Category)[J].SAE Int J Fuels Lubr, 2017, 10(2):502-509.

[11] Automobile Diesel Engine Oils - Detergency Test Procedure (JASO M336:1998) [S]，1998.

[12] Automobile Diesel Engine Oils - Valve Train Wear Test (JASO M354:1999) [S]，1999.