美国重负荷柴油机油新规格CK-4和FA-4及其影响

石顺友,王雪梅

(中国石化润滑油有限公司茂名分公司, 广东 茂名 525011)

美国重负荷柴油机油新规格CK-4和FA-4及其影响

石顺友,王雪梅

(中国石化润滑油有限公司茂名分公司, 广东 茂名 525011)

为满足日益严格的环保法规和燃油经济性要求，车辆和发动机制造商采用了许多新的发动机技术，进而推动了发动机油规格的发展和更高质量等级机油的出现。文章主要介绍了最新的美国重负荷柴油机油规格CK-4和FA-4的性能要求、二者的区别及其影响，并对新增的台架试验进行了解析。与CJ-4相比，CK-4和FA-4具有更好的综合性能和燃油经济性，且对基础油类型和添加剂都提出了新的更高的要求。如何在更低的黏度下保持发动机的耐久性将是添加剂公司和润滑油生产商所面临的巨大挑战。

CK-4；FA-4；柴油机油；排放法规；燃油经济性

0 引言

随着全球汽车产销量的快速增长、石化能源的逐渐枯竭和环境问题的日益突出，世界汽车行业面临着能源短缺和降低排放的双重压力。许多国家和地区在持续加严轻型汽车燃油经济性和环保法规的基础上，开始着手制定重型车的相关法规，如美国陆续发布了针对中重型商用车的“燃油效率和温室气体排放”第一、二阶段标准，我国也制定了“重型商用车辆燃料消耗量限值”标准并完成第三阶段的征求意见稿[1]。商用车在各国社会经济中占据非常重要的地位，发动机油是车辆发动机正常运营的基本保证。日益严格的排放法规和燃油经济性要求促使车辆和发动机厂商不断发展和采用新的发动机技术，进而对发动机油提出了更高的技术要求，促进了发动机油规格的不断升级和更新。美国石油学会(API)柴油机油规格标准是世界上最早发布的柴油机油规格标准，也是世界上最重要的柴油机油规格标准之一，该标准的建立和发展对世界柴油机油质量等级的制定和发展产生了重要影响。

目前，我国的柴油机油规格标准基本参考API柴油机油规格标准制定，而我国排放法规、道路状况和车辆行驶工况等都与美国不尽相同，且发动机技术也有差异，导致车辆发动机对发动机油性能要求上的不同，因此研究API柴油机油规格的发展和最新规格的性能特点，对制定更加适合我国排放法规和汽车工业发展特点的柴油机油规格标准有十分重要的意义。

1 美国柴油机油规格

1.1API柴油机油规格的发展历程

环境保护、燃油经济性和延长换油周期是推动柴油机油规格不断向高质量等级发展的驱动力[2]。自20世纪40年代发布以来，紧随排放法规的不断加严和发动机技术的不断进步，API柴油机油规格进行了不断升级和及时更新，以满足发动机更高的润滑需求。为应对美国最新的汽车尾气排放标准、燃油经济性法规以及客户更长换油周期的需求，2016年底，API推出新的CK-4和FA-4柴油机油规格，首次为API柴油机油规格增添了“F”节能系列柴油机油规格，至此，现在API重负荷柴油机油规格发展成为包含“C”和“F”两个系列，规格标准得到进一步完善。美国柴油机油规格标准的发展历程如表1所示。

表1 美国柴油机油标准演变历程

从API柴油机油规格的发展历程可以看出， API柴油机油规格在90年代前的更新升级主要是以发动机的技术发展为导向；而90年代以后，环境保护成为规格标准更新升级的主要方向，技术也越来越先进。

1.2APICK-4和FA-4规格

1.2.1 CK-4和FA-4规格的性能要求

CK-4和FA-4规格是API自2006年推出CJ-4时隔10年之后推出的最新一代柴油机油规格，也是为应对美国最新的温室气体排放法规和燃油经济性法规推出的高性能柴油机油规格。CK-4定义为xW-30和xW-40黏度等级的油品，适用于高速四冲程柴油发动机，可满足2017年设计的公路用车排放标准和非道路用柴油车Tier 4尾气排放标准，所用柴油硫含量要求不大于500 μg/g，但硫含量高于15 μg/g就会影响尾气后处理系统的耐久性和发动机的换油周期。FA-4仅定义为xW-30黏度等级油品，满足2017年机型和按高燃油效率、低黏度油品标准设计的新型发动机的润滑要求，所用柴油硫含量要求不大于15 μg/g。CK-4和FA-4的理化指标要求和发动机台架试验要求[3]分别如表2、表3所示。

表3 CK-4和FA-4的台架试验要求

表3(续)

1.2.2 CK-4与FA-4的区别

从表2和表3可以看出，CK-4和FA-4除了油品黏度等级和高温高剪切(HTHS)黏度的指标要求不同外，其他理化性能和发动机台架试验要求一致。FA-4与CK-4的SAE xW-30区别主要在高温高剪切黏度：CK-4的SAE xW-30油品的高温高剪切黏度最小为3.5 mPa/s，而API FA-4油品最大为3.2 mPa/s，如图1所示。

图1 FA-4和CK-4与CJ-4的HTHS黏度对比

1.3机油黏度与燃油经济性

黏度是发动机油最基本的性能指标，是保证发动机获得良好润滑的关键。汽车节省燃料的主要潜力在于两个方面：一是改进汽车及发动机本身的设计和提高燃料的质量水平；二是利用减少发动机摩擦磨损的润滑技术。发动机的摩擦磨损与主要摩擦部位的润滑状态和发动机油的质量水平有关，其直接影响到发动机的燃油经济性和耐久性[4-5]。据相关研究[6]，汽车燃料燃烧释放的能量中40%用于汽车驱动，30%被气缸冷却系统所消耗，30%的能量由排放消耗。如果单独就摩擦损失来讲，燃料通过燃烧释放出的能量有20%～25%被零部件间的摩擦所消耗，可见，降低发动机的摩擦损失是提高燃油经济性的有效途径，而润滑油的流变特性是减少弹性流体润滑摩擦损失的关键影响因素，故发动机油的运动黏度和HTHS黏度与发动机的燃料经济性有重要关系。

1.3.1 运动黏度

汽车发动机构造的不断精密化和润滑技术的不断发展，使得低黏度的发动机油完全能够满足发动机的润滑要求，而在流体润滑状态下，降低机油黏度可以降低发动机内摩擦，进而改善发动机的燃料经济性。相关研究表明[7]，在2.0 L发动机中使用SAE 0W-20机油比使用5W-30机油可提高燃料效率1.5%；也有研究表明，在确保发动机正常运转的前提下，理论上降低一个SAE黏度等级，可节省燃料0.5%～2.5%。对于重负荷柴油发动机，多年来各大汽车OEM一直坚持推荐使用SAE 20W-50或15W-40高黏度机油以保护发动机部件免受磨损。近年来，部分汽车OEM制造商也开始逐渐推荐使用较低黏度等级的机油，如Caterpillar、Cummins、Detroit、Paccar、Volvo和Navistar等推荐10W-30机油，以获得更好的燃油经济性。据有关研究者在采用精确且具有可重复性的Mercedes-Benz OM501LA 12L，V6发动机上进行重负荷柴油机油燃油经济性的台架试验验证，CK-4 10W-30对比CJ-4 10W-40燃油经济性可以提升达到0.89%，FA-4 10W-30对比CJ-4 10W-40燃油经济性可以提升达到1.1%，如图2所示。

图2 OM501燃油经济性对比

为获得重负荷发动机的燃油经济性仅仅降低黏度是不够的，机油的黏度也不能无限降低，因机油黏度过低会导致无法形成有效油膜，从而造成发动机部件磨损加剧，因此，需要通过机油配方技术的调整来实现在低黏度下保持发动机的耐久性，如图3所示。

图3 黏度与凸轮磨损

从图3可以看到，简单地通过降低机油黏度来获得燃油经济性会加剧发动机的磨损，但通过配方技术的优化之后，在获得良好燃油经济性的同时可以不损害发动机耐久性。

1.3.2 高温高剪切黏度

高温高剪切黏度表示在高温高剪切条件下的油膜强度，反映的是机油在高温高剪切条件下黏度保持能力。与机油运动黏度反映发动机运转时发动机油的流动性好坏和流动阻力不同的是，HTHS黏度通常被认为是多级发动机油在缸套-活塞和连杆轴承区域的真实黏度，反映了缸套活塞环间润滑以及发动机油的燃料经济性。在保持发动机部件正常润滑的前提下，适当降低发动机油HTHS黏度有利于提高发动机的燃油经济性[8]。

API 最新推出的FA-4规格是专门为新型节能发动机开发的节能型柴油机油规格，但FA-4规格并未发展燃料经济性的台架试验，而是通过更低的高温高剪切黏度来实现改善发动机的燃料经济性，这点从其台架性能试验要求中可以看到。也有研究者在沃尔沃D12D发动机上进行了五个不同黏度等级的机油(其中两个的HTHS黏度不同)与15W-30黏度的参比机油的节能试验，试验结果如图4所示。

图4 沃尔沃D12D发动机燃油经济性试验

从图4可以看到，用较低黏度润滑油确实能够改善发动机的燃油经济性。在相同的运动黏度条件下，较低HTHS黏度的发动机油具有更好的燃油经济性。

2 CK-4和FA-4与CJ-4的比较

最新的API柴油机油规格在向低黏化发展的同时，也兼顾了对原有规格的兼容性，并加强了在剪切稳定性、燃油经济性、抗氧化硝化、腐蚀磨损、抗黏着磨损以及通风控制等方面的性能。CK-4和FA-4与CJ-4、CI-4的总体性能对比如图5所示。

图5 CK-4和FA-4与CJ-4、CI-4性能对比

2.1理化性能对比

CK-4和FA-4规格在CJ-4的基础上对油品氧化、发动机磨损、高速剪切、活塞积炭等性能进行了改进，其理化指标对比如表4所示。

表4 CK-4和FA-4与CJ-4理化指标对比

从表4可以看出，与CJ-4规格相比，CK-4和FA-4规格中的部分理化性能指标更加严格了，详细情况如下：

在蒸发损失方面，与CJ-4规格相比，CK-4和FA-4规格的蒸发损失更加严格，CJ-4规格中SAE 10W-30黏度级别的油品要求不大于15%，而CK-4和FA-4规格中所有等级的油品都要求不大于13%。

在高温高剪切方面，与CJ-4规格相比，CK-4规格中SAE xW-30的要求与CJ-4规格相同，而SAE xW-40需要满足SAE J300的要求，即对于0W-40、5W-40和10W-40黏度级别的油品要求不小于3.5，与CJ-4规格中的要求相同，而对15W-40、20W-40、25W-40和40黏度级别的油品要求不小于3.7；FA-4规格为改善燃料经济性油品，与CJ-4规格相比，则具有更低的高温高剪切黏度，为2.9～3.2 mPa·s。

在剪切稳定性方面，CK-4和FA-4规格仍然沿用了CJ-4的Bosch 90循环，但CJ-4规格中SAE xW-30和SAE xW-40的要求分别是9.3 mm2/s和12.5 mm2/s，CK-4和FA-4规格中SAE xW-30油品中90个循环后的黏度要求不变；对SAE 0W-40的要求为12.5 mm2/s，而其他40黏度的要求为12.8 mm2/s。同时，CK-4和FA-4规格都对SAE xW-30油品在90个循环后的高温高剪切黏度做了严格要求，分别是不小于3.4 mm2/s和不小于2.8 mm2/s。

2.2台架试验对比

CK-4和FA-4与CJ-4的发动机台架试验对比如表5所示。

表5 CK-4和FA-4与CJ-4台架试验对比

从表5可以看出，CK-4和FA-4规格延用CJ-4规格中的大部分台架试验，分别为通用汽车公司滚子从动件磨损试验、康明斯ISB气门磨损测试验、康明斯ISM试验、CAT C13试验、Caterpillar 1N试验和Mack T-11和Mack T-12试验，其中Mack T-12台架试验的指标要求相比CJ-4更加严格，对顶环磨损失重和缸套磨损做了具体的指标规定，而CJ-4中只是对其进行优点评分，如表6所示。

表6 CK-4和FA-4与CJ-4的Mack T-12台架试验指标对比

此外，CK-4和FA-4规格采用了两个新的台架试验，即Volvo/Mack T-13和发动机油充气试验(ASTM D6894)来评定油品的热稳定性和充气性。

2.2.1 热稳定性试验

CK-4和FA-4规格中采用了由Mack和Volvo动力总成部门联合研制的新的Volvo/Mack T-13台架来评定测试油品的氧化安定性，硝化性能和曲轴的腐蚀性。Volvo/Mack T-13台架所用发动机为带有废气循环(EGR)和可变截面涡轮增压系统(VGT)的六缸四冲程Mack MP8柴油发动机[9]。试验在转速为1500 r/min、载荷为2200 N·m、机油温度为88 ℃的条件下运行360 h，在运行过程中通过EGR和VGT控制系统精确控制进气歧管中CO2的含量和进气歧管压力。试验结束后通过分析机油的氧化和硝化、活塞/缸套磨损、轴瓦腐蚀以及机油耗等情况来考察油品的热稳定性能力。发动机运行条件和发动机台架试验通过标准[10]分别如表7、表8所示。

表7 试验条件(ASTM D8048)

2.2.2 发动机油充气试验

曝气是在机油中包含微小的气泡或泡沫，其会影响发动机油冷却和保护发动机的能力[11]。新型发动机中，较高的工作温度、压力和转速会增加机油中夹带的空气量，机油中过多的空气含量会造成其被用做更加频繁使用阀门机构动作的液压液体这一个功能受到危害，甚至可能造成发动机穴蚀和磨损等，故具有优异的抗空气卷入性能对机油来说是相当重要的。

在CJ-4规格中，发动机油充气试验(ASTM D 6894)采用纳威司达(Navister)旗下的万国卡车(International Truck)发动机，但该方法存在两个问题[12 ]：(1)不能有效反映不同发动机油抗空气卷入性能的真实差异；(2)测试结果的重复性和再现性较差。为了克服现有方法的不足，卡特彼勒公司为此开发了一个新的发动机充气试验(CAT-EOAT)，以真实有效地反映不同机油的抗空气卷入性能。该试验是基于CAT-C13发动机，采用高速空转无负载模式并使用微动技术测量空气卷入体积。采用Nav-EOAT和CAT-EOAT这两种方法分别对两种不同机油的空气卷入性进行测试，结果如图6所示。从图6可以看出，使用Nav-EOAT方法进行测试，两种机油的空气卷入量没有明显的区别；而使用CAT-EOAT方法，两种机油的空气卷入量则出现了较大的差异，这说明CAT-EOAT方法比Nav-EOAT方法能够更加有效地反映不同机油的抗空气卷入性能。故CK-4和FA-4规格采用了CAT-EOAT方法来评定其抗空气卷入性能。CAT-EOAT台架试验运行条件和试验通过标准[13]分别如表9、表10所示。

图6 Nav-EOAT和CAT-EOAT试验对比

表9 CAT-EOAT台架试验运行条件(ASTM D8047)

表9(续)

表10 CAT-EOAT台架试验通过标准

3 CK-4和FA-4带来的问题及其影响

3.1兼容问题

CK-4不仅适用于现有新型的高排放标准的非公路柴油机，也能向后兼容各种旧式的非公路重负荷柴油机，能够为柴油机提供更好的保护，并延长换油周期。FA-4则主要针对公路车辆所使用的柴油机，可满足更严苛的环保法规，具有低黏度特征，以提高车辆的燃油经济性。但FA-4不兼容现有的柴油机，只适用于新生产的符合道路尾气排放法规要求的新型柴油机。

CK-4可向下兼容CH-4、CI-4、CI-4+和CJ-4等现行的柴油机油规格，而FA-4则不能向下兼容，但在保持与CK-4具有相同发动机耐久性的同时提供了更好的燃油经济性。

CK-4和FA-4的台架试验性能要求一致，但CK-4和FA-4的高温高剪切黏度要求不同，二者不兼容且不能混用。

3.2对添加剂的影响

CK-4和FA-4规格中要求磷元素含量不大于0.12%，使得ZDDP抗磨剂的使用受到严格限制，而CK-4和FA-4规格在较低的黏度下要求更好的发动机耐久性，因此需要发展新型的抗磨添加剂，这也是添加剂公司和油品生产商所面临的挑战。

CK-4和FA-4规格中要求硫酸盐灰分不大于1.0%，硫酸盐灰分主要来源于含有钙、锌等金属元素的添加剂。为了避免发动机的酸性腐蚀要求柴油机油必须具有较高的碱值，而一般钙配方的碱值较低，因此要求使用碱值高而灰分含量低的添加剂。

CK-4和FA-4规格中的Mack T-11/ T-11A台架试验对试验后油品的低温泵送性能有严格要求，而黏度指数改进剂是影响油品氧化后低温泵送性能升高的关键因素，因此，此前在柴油机油配方中广泛使用的传统的黏度指数改进剂(如OCP)将难以达到要求。

3.3对基础油的影响

CK-4和FA-4对硫元素含量要求不大于0.4%，且要求更好的氧化安定性，比CJ-4更低的蒸发损失，这都决定了配方中基础油类型，Ⅰ类基础油将不能满足配方要求，Ⅱ/Ⅲ类基础油和合成基础油将会受到青睐。

3.4试验费用

CK-4和FA-4比以往的柴油机油规格需要通过的台架试验更多，部分台架试验的试验条件也更加苛刻，增加了台架试验费用。CJ-4做一次全套发动机试验费用为56.7万美元，而CK-4和FA-4则需要91.8万美元，试验费用大大增加，大幅度增加了油公司的认证成本。

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The New CK-4 amp; FA-4 Specification of American Heavy-duty Diesel Engine Oil and Their Impacts

SHI Shun-you, WANG Xue-mei

(Maoming Branch, Sinopec Lubricating Oil Co., Ltd., Maoming 525011, China)

In order to meet the increasingly stringent environmental regulations and fuel economy requirements, vehicles and engine manufacturers are developing and adopting many new engine technologies, thus promoting the development of engine oil specifications and the appearance of higher quality grade oils. This paper mainly introduces the performance requirements and impacts of American' s newest specifications CK-4 amp; FA-4 of heavy-duty diesel engine oils as well as the differences between them，and analyzes the newly added bench tests. Compared with CJ-4, CK-4 and FA-4 have better comprehensive performance and fuel economy. And the new higher demands on base stocks and additives were put forward. How to keep the durability of engines with engine oils in lower viscosity will be a huge challenge for the additive companies and lubricating oil producers.

CK-4; FA-4; diesel engine oil; emission regulation; fuel economy

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.06.010

1002-3119(2017)06-0047-09

TE626.32

A

2017-05-20。

石顺友，硕士研究生，工程师，2012年毕业于北京化工大学化学工程学院化学工程与技术专业，现主要从事车船用润滑油的开发和技术支持工作。E-mail：shisy.lube@sinopec.com