國六排放標準對潤滑油行業的影響

劉飛磊，郭昌維

(1.中國石化潤滑油有限公司鄭州分公司，河南 鄭州450000；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116001)

0 引言

國家第六階段機動車污染物排放標準，以下簡稱“國六”，包括《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[1]和《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[2]2部分，由環境保護部、國家質檢總局分別于2016年12月23日、2018年6月22日發布，分別自2020年7月1日、2019年7月1日實施。此舉將使中國成為汽車排放標準最嚴格的國家。

1 國六排放法規對柴油機商用車影響

雖然柴油車只占我國機動車保有量的不足10%，然而環保部數據顯示78%的氮氧化物和82%的顆粒物排放均來自重型柴油車，所以控制汽車排放的重點之一就是減少重型柴油車的排放。[3]

1.1 實施時間表

重型柴油車國六標準分成a和b兩個階段，a比b 要稍微寬松一些。比如6a是不用測試PN(顆粒物數量)的，也不用遠程OBD傳輸數據。具體實施時間見表1。

表1 國六a和國六b的實施時間

自規定的實施之日起，凡不滿足本標準相應階段要求的新車不得生產、進口、銷售和注冊登記。凡不滿足本標準相應階段要求的新發動機不得生產、進口、銷售和投入使用。

對商用車而言，與國五標準相比，氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放限值都分別加嚴77%、67%；發動機測試工況從歐洲穩態循環(ESC)和歐洲瞬態循環(ETC)改為更具有代表性的世界統一穩態循環(WHSC)和世界統一瞬態循環(WHTC)；加嚴了排放控制裝置的耐久里程要求，并對排放相關零部件提出了排放質保期的規定；首次將遠程排放管理車載終端(遠程OBD)的要求應用到國家標準；提出了更為嚴格的合規監管要求等。這些意味著，重型汽車國六標準將成為全球最嚴格的排放標準之一。

1.2 國六柴油機技術路線

針對減排，從技術層面上看無非是減少發動機本身產生排放物(機內凈化)和對已經產生的排放物進行處理(機外凈化)來實現減排。NOx主要是在燃燒過程中，空氣中78%含量的氮氣在高溫下轉化為NOx，溫度低于1600 ℃時不明顯，而高于此溫度時NOx迅速增加，而高溫則有利于減少PM的形成。因此，在各種減排路線中，針對這兩種物質進行有所側重的處理[4]。

國六階段，柴油機需要燃油噴射系統、空氣系統及尾氣后處理系統的協同標定，才能保證達到國六排放標準。由于國六大幅提高了碳氫化合物、氮氧化物等排放物限制，國六發動機需要采取機內凈化結合尾氣處理聯合方案，見表2。

表2 國六發動機機內凈化和尾氣處理聯合方案

尾氣處理方面，在國五階段，重卡采用SCR(國四升國五難度不大，由于SCR系統相對成熟，發動機改變小，開發成本低，SCR仍為主流)。輕卡采用EGR、DPF、DOC技術(為主)或者SCR。到了國六階段，需多種技術共同配合，各廠商技術路線出現分化，但SCR+DPF為標配。尾氣處理系統路線見表3。

表3 尾氣處理系統技術路線

1.3 對柴機油的影響

柴油機具有高的熱效率、低的油耗和CO2排放，但其高的顆粒物(PM)和NOx排放是其滿足未來嚴格排放法規的主要障礙。針對PM和NOx排放的機內凈化技術往往自相矛盾，如采用排氣再循環(EGR)技術，雖然可以大幅降低NOx排放，但PM排放和燃油經濟性問題增加。從長遠看，柴油機排氣后處理技術是解決PM和NOx的一種有效手段[5]。

柴油機后處理系統中，柴油顆粒捕集器(DPF)對金屬等污染物比較敏感。潤滑油中的硫、磷及硫酸鹽灰分等通過不同機制會影響DPF后處理裝置，進而影響排放。

DPF對潤滑油的要求其實也很簡單，就是LOW SAPS(低硫、低磷、低灰分)，最主要的是低灰分，灰分過高，容易堵住DPF而產生問題。這一點是國六柴油車最重要的選油標準。目前來說，國六柴油發動機只能選擇CJ-4、CK-4、E6和E9油品，該規格對SAPS限值見表4。

表4 最新柴油機油規格對SAPS的限值

2 國六排放法規對乘用車影響

2.1 排放法規實施時間

輕型車國六排放標準也分為a和b兩個階段，六a可以看做是一個過渡標準。排放標準限值和國五標準對比見表5。

表5 國六標準和國五標準排放限值變化 g/km(PN的單位：個/千米)

注：國五標準對PM的限值僅針對直噴汽油機。

自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合6a階段限值要求。自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合6b階段限值要求。與國五相比，國六測試循環由新歐洲測試循環(NEDC)改變為世界輕型車統一測試循環(WLTC)。國六b階段要求的常規氣態物排放限值降低了50%，增加了N2O和顆粒物數量PN的限值。

第五階段的乘用車燃耗限值將于2020年實施。第五階段標準規定在不到10年的時間里燃耗將降低34%。

2.2 機內和機外技術相結合方可滿足國六標準

為了配合此番排放法規和燃油經濟性上的大跨步調整，汽車生產商在近些年已在硬件優化上做了非常多嘗試和努力。

2.2.1 機內技術

通過渦輪增壓缸內直噴技術(TGDI)、廢棄再循環技術(EGR)、可變氣門正時技術(VVT)等多種技術綜合利用，提高發動機內部燃燒效率，降低CO、HC及NOx。

越來越多乘用車開始配備渦輪增壓直噴(TGDI)發動機。據預測，截止2020年絕大多數的新發動機將采用TGDI，市場份額將超過50%。渦輪增壓器的工作特點決定發動機零部件要承受較高的溫度及更大的撞擊、擠壓和剪切力，需要油品具有更高的抗氧化性能、高溫清凈性能、抗磨性能以及抗剪切性能[6]。另外，TGDI發動機給潤滑油帶來的三大主要挑戰[7]：

(1)煙炱和油泥。由于噴油和燃燒方式的改變，使得煙炱對TGDI發動機而言是一個直接而明顯的挑戰。TGDI發動機中的煙炱會導致機油迅速變稠，黏度急劇上升。不僅如此，噴油方式的改變還帶來另外一個挑戰——燃油稀釋水平增高，從而生成大量的油泥。應對這些新的情況，就要求發動機油有更優異的抗氧化及油泥分散性能。

(2)低速早燃(LSPI)。相比傳統進氣道噴射發動機，TGDI發動機的一大優勢是結構更為緊湊，可在更大載荷和更低轉速條件下運行。可是，隨之也帶來了新問題。較高的缸內壓力和較低的運行速度更容易形成非受控的燃燒環境。低速早燃就是TGDI發動機特有的發生于汽缸中的非受控燃燒形式。這一現象與傳統發動機爆震相似，但破壞性更為嚴重。

(3)正時鏈磨損。所有發動機最終都會發生磨損，但TGDI發動機的正時鏈磨損得尤其快。由于TGDI發動機固有的特殊條件，竄漏氣會將不完全燃燒產生的顆粒物帶入機油中，從而使得發動機正時鏈可能過早地受到快速磨損。鏈節和銷軸經過這種快速磨損后，正時鏈將會被明顯拉伸，進而影響到其精確正時功能，并將進一步影響發動機的運行，甚至造成嚴重損壞。因此需要機油具有更好的顆粒物分散性能以及恰當的抗磨保護能力。

2.2.2 機外凈化技術

借助三元催化轉化器TWC和汽油機顆粒捕集器GPF。其中，TWC安裝在排氣管上，通過催化劑反應，進一步將HC氧化為H2O、CO2，且有效促使NOx和CO發生反應轉變為CO2和N2。GPF作用是微粒物吸附在管壁上，降低顆粒物PM和PN。

對乘用車而言，顆粒物數量(PN)限值將導致汽油顆粒捕集器的大規模普及。雖然在短期內可以不依靠汽油顆粒捕集器(GPF)就能達到國6a的要求，但2023年的真實駕駛排放試驗必將迅速推動所有類型的汽油車采用顆粒捕集器。而且一些主要城市還計劃提前實施國6b，這將使整體情況變得更為緊迫。

考慮到主機廠商對于汽油顆粒捕集器(GPF)的廣泛應用。后處理系統需要更低灰分(SAPS)的油品。

2.3 對汽機油的影響

2.3.1 開發GF-6、SP等規格滿足排放和燃油經濟性法規

現有的汽機油規格主要針對2009年以前出現的汽車，很難滿足最新的發動機使用要求。基于以上問題，ILSAC決定開發性能更高的汽油機油規格GF-6，來解決新技術帶來新問題以及滿足日益嚴格的排放和燃油經濟性法規。GF-6比GF-5在沉積物的控制與清凈、燃油經濟性的提高與保持、更好地抗磨保護和加入低速早燃試驗等4個方面有明顯提升[8]。主要變化見表6。

表6 GF-6與GF-5相比性能變化

對基礎油和添加劑方面影響[9]：

(1)基礎油：由于GF-6規格要求降低潤滑油的揮發度以及更好的抗氧化性，因此迫使潤滑油供應商使用更好的基礎油，可以想象，在GF-6規格發布后，Ⅲ類基礎油的使用將會得到廣泛應用。

(2)添加劑：新標準中要求潤滑油提供更好的磨損保護和清凈分散性。要求添加劑公司開發更好的減摩劑和清凈分散劑。特別注意的是，由于GF-6規格要求針對低速早燃問題有所改善，所以要求添加劑和潤滑油公司在提高清凈性的同時，還要考慮金屬添加劑對低速早燃的影響，這無疑是個巨大挑戰。

目前，ILSAC GF-6規格已獲批準，ILSAC GF-6A和GF-6B的首次使用日期設定為2020年5月1日。同時，API SP和SP RC規格開發工作也基本完成。

2.3.2 GF-6規格推遲發布，導致SN Plus補充標準推出

因GF-6的推遲發布，低速早燃(LSPI)造成了越來越嚴重的負面影響， OEM迫切要求立刻實施ILSAC GF-5標準的補充標準，以保護渦輪增壓汽油直噴發動機(TGDI)免遭災難性損壞。API SN Plus建議標準不是一個全新的標準類別，而是一個與現有的API SN和ILSAC GF-5標準并列的類別。2018年5月1日，正式頒發API SN Plus的許可，作為油品升級到GF-6規格的過渡。

3 結束語

為達到國六標準的要求，發動機技術會采用機內凈化和機外凈化聯合方案，新技術或設備的實施將助推潤滑油行業產品結構升級。國六柴油機必須使用LOW SAPS油品，柴油機油將由當前市場主流級別CH-4、CI-4，升級至CJ-4、CK-4及E6等規格。汽油機方面，隨著TGDI、GPF的應用，市場對ILSAC GF-6和API SP規格的呼聲越來越高，低灰分(SAPS)的油品將能提供更好的硬件保護。