国六排放标准对润滑油行业的影响

刘飞磊，郭昌维

(1.中国石化润滑油有限公司郑州分公司，河南 郑州450000；2.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116001)

0 引言

国家第六阶段机动车污染物排放标准，以下简称“国六”，包括《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[1]和《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[2]2部分，由环境保护部、国家质检总局分别于2016年12月23日、2018年6月22日发布，分别自2020年7月1日、2019年7月1日实施。此举将使中国成为汽车排放标准最严格的国家。

1 国六排放法规对柴油机商用车影响

虽然柴油车只占我国机动车保有量的不足10%，然而环保部数据显示78%的氮氧化物和82%的颗粒物排放均来自重型柴油车，所以控制汽车排放的重点之一就是减少重型柴油车的排放。[3]

1.1 实施时间表

重型柴油车国六标准分成a和b两个阶段，a比b 要稍微宽松一些。比如6a是不用测试PN(颗粒物数量)的，也不用远程OBD传输数据。具体实施时间见表1。

表1 国六a和国六b的实施时间

自规定的实施之日起，凡不满足本标准相应阶段要求的新车不得生产、进口、销售和注册登记。凡不满足本标准相应阶段要求的新发动机不得生产、进口、销售和投入使用。

对商用车而言，与国五标准相比，氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放限值都分别加严77%、67%；发动机测试工况从欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC)改为更具有代表性的世界统一稳态循环(WHSC)和世界统一瞬态循环(WHTC)；加严了排放控制装置的耐久里程要求，并对排放相关零部件提出了排放质保期的规定；首次将远程排放管理车载终端(远程OBD)的要求应用到国家标准；提出了更为严格的合规监管要求等。这些意味着，重型汽车国六标准将成为全球最严格的排放标准之一。

1.2 国六柴油机技术路线

针对减排，从技术层面上看无非是减少发动机本身产生排放物(机内净化)和对已经产生的排放物进行处理(机外净化)来实现减排。NOx主要是在燃烧过程中，空气中78%含量的氮气在高温下转化为NOx，温度低于1600 ℃时不明显，而高于此温度时NOx迅速增加，而高温则有利于减少PM的形成。因此，在各种减排路线中，针对这两种物质进行有所侧重的处理[4]。

国六阶段，柴油机需要燃油喷射系统、空气系统及尾气后处理系统的协同标定，才能保证达到国六排放标准。由于国六大幅提高了碳氢化合物、氮氧化物等排放物限制，国六发动机需要采取机内净化结合尾气处理联合方案，见表2。

表2 国六发动机机内净化和尾气处理联合方案

尾气处理方面，在国五阶段，重卡采用SCR(国四升国五难度不大，由于SCR系统相对成熟，发动机改变小，开发成本低，SCR仍为主流)。轻卡采用EGR、DPF、DOC技术(为主)或者SCR。到了国六阶段，需多种技术共同配合，各厂商技术路线出现分化，但SCR+DPF为标配。尾气处理系统路线见表3。

表3 尾气处理系统技术路线

1.3 对柴机油的影响

柴油机具有高的热效率、低的油耗和CO2排放，但其高的颗粒物(PM)和NOx排放是其满足未来严格排放法规的主要障碍。针对PM和NOx排放的机内净化技术往往自相矛盾，如采用排气再循环(EGR)技术，虽然可以大幅降低NOx排放，但PM排放和燃油经济性问题增加。从长远看，柴油机排气后处理技术是解决PM和NOx的一种有效手段[5]。

柴油机后处理系统中，柴油颗粒捕集器(DPF)对金属等污染物比较敏感。润滑油中的硫、磷及硫酸盐灰分等通过不同机制会影响DPF后处理装置，进而影响排放。

DPF对润滑油的要求其实也很简单，就是LOW SAPS(低硫、低磷、低灰分)，最主要的是低灰分，灰分过高，容易堵住DPF而产生问题。这一点是国六柴油车最重要的选油标准。目前来说，国六柴油发动机只能选择CJ-4、CK-4、E6和E9油品，该规格对SAPS限值见表4。

表4 最新柴油机油规格对SAPS的限值

2 国六排放法规对乘用车影响

2.1 排放法规实施时间

轻型车国六排放标准也分为a和b两个阶段，六a可以看做是一个过渡标准。排放标准限值和国五标准对比见表5。

表5 国六标准和国五标准排放限值变化 g/km(PN的单位：个/千米)

注：国五标准对PM的限值仅针对直喷汽油机。

自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合6a阶段限值要求。自2023年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合6b阶段限值要求。与国五相比，国六测试循环由新欧洲测试循环(NEDC)改变为世界轻型车统一测试循环(WLTC)。国六b阶段要求的常规气态物排放限值降低了50%，增加了N2O和颗粒物数量PN的限值。

第五阶段的乘用车燃耗限值将于2020年实施。第五阶段标准规定在不到10年的时间里燃耗将降低34%。

2.2 机内和机外技术相结合方可满足国六标准

为了配合此番排放法规和燃油经济性上的大跨步调整，汽车生产商在近些年已在硬件优化上做了非常多尝试和努力。

2.2.1 机内技术

通过涡轮增压缸内直喷技术(TGDI)、废弃再循环技术(EGR)、可变气门正时技术(VVT)等多种技术综合利用，提高发动机内部燃烧效率，降低CO、HC及NOx。

越来越多乘用车开始配备涡轮增压直喷(TGDI)发动机。据预测，截止2020年绝大多数的新发动机将采用TGDI，市场份额将超过50%。涡轮增压器的工作特点决定发动机零部件要承受较高的温度及更大的撞击、挤压和剪切力，需要油品具有更高的抗氧化性能、高温清净性能、抗磨性能以及抗剪切性能[6]。另外，TGDI发动机给润滑油带来的三大主要挑战[7]：

(1)烟炱和油泥。由于喷油和燃烧方式的改变，使得烟炱对TGDI发动机而言是一个直接而明显的挑战。TGDI发动机中的烟炱会导致机油迅速变稠，黏度急剧上升。不仅如此，喷油方式的改变还带来另外一个挑战——燃油稀释水平增高，从而生成大量的油泥。应对这些新的情况，就要求发动机油有更优异的抗氧化及油泥分散性能。

(2)低速早燃(LSPI)。相比传统进气道喷射发动机，TGDI发动机的一大优势是结构更为紧凑，可在更大载荷和更低转速条件下运行。可是，随之也带来了新问题。较高的缸内压力和较低的运行速度更容易形成非受控的燃烧环境。低速早燃就是TGDI发动机特有的发生于汽缸中的非受控燃烧形式。这一现象与传统发动机爆震相似，但破坏性更为严重。

(3)正时链磨损。所有发动机最终都会发生磨损，但TGDI发动机的正时链磨损得尤其快。由于TGDI发动机固有的特殊条件，窜漏气会将不完全燃烧产生的颗粒物带入机油中，从而使得发动机正时链可能过早地受到快速磨损。链节和销轴经过这种快速磨损后，正时链将会被明显拉伸，进而影响到其精确正时功能，并将进一步影响发动机的运行，甚至造成严重损坏。因此需要机油具有更好的颗粒物分散性能以及恰当的抗磨保护能力。

2.2.2 机外净化技术

借助三元催化转化器TWC和汽油机颗粒捕集器GPF。其中，TWC安装在排气管上，通过催化剂反应，进一步将HC氧化为H2O、CO2，且有效促使NOx和CO发生反应转变为CO2和N2。GPF作用是微粒物吸附在管壁上，降低颗粒物PM和PN。

对乘用车而言，颗粒物数量(PN)限值将导致汽油颗粒捕集器的大规模普及。虽然在短期内可以不依靠汽油颗粒捕集器(GPF)就能达到国6a的要求，但2023年的真实驾驶排放试验必将迅速推动所有类型的汽油车采用颗粒捕集器。而且一些主要城市还计划提前实施国6b，这将使整体情况变得更为紧迫。

考虑到主机厂商对于汽油颗粒捕集器(GPF)的广泛应用。后处理系统需要更低灰分(SAPS)的油品。

2.3 对汽机油的影响

2.3.1 开发GF-6、SP等规格满足排放和燃油经济性法规

现有的汽机油规格主要针对2009年以前出现的汽车，很难满足最新的发动机使用要求。基于以上问题，ILSAC决定开发性能更高的汽油机油规格GF-6，来解决新技术带来新问题以及满足日益严格的排放和燃油经济性法规。GF-6比GF-5在沉积物的控制与清净、燃油经济性的提高与保持、更好地抗磨保护和加入低速早燃试验等4个方面有明显提升[8]。主要变化见表6。

表6 GF-6与GF-5相比性能变化

对基础油和添加剂方面影响[9]：

(1)基础油：由于GF-6规格要求降低润滑油的挥发度以及更好的抗氧化性，因此迫使润滑油供应商使用更好的基础油，可以想象，在GF-6规格发布后，Ⅲ类基础油的使用将会得到广泛应用。

(2)添加剂：新标准中要求润滑油提供更好的磨损保护和清净分散性。要求添加剂公司开发更好的减摩剂和清净分散剂。特别注意的是，由于GF-6规格要求针对低速早燃问题有所改善，所以要求添加剂和润滑油公司在提高清净性的同时，还要考虑金属添加剂对低速早燃的影响，这无疑是个巨大挑战。

目前，ILSAC GF-6规格已获批准，ILSAC GF-6A和GF-6B的首次使用日期设定为2020年5月1日。同时，API SP和SP RC规格开发工作也基本完成。

2.3.2 GF-6规格推迟发布，导致SN Plus补充标准推出

因GF-6的推迟发布，低速早燃(LSPI)造成了越来越严重的负面影响， OEM迫切要求立刻实施ILSAC GF-5标准的补充标准，以保护涡轮增压汽油直喷发动机(TGDI)免遭灾难性损坏。API SN Plus建议标准不是一个全新的标准类别，而是一个与现有的API SN和ILSAC GF-5标准并列的类别。2018年5月1日，正式颁发API SN Plus的许可，作为油品升级到GF-6规格的过渡。

3 结束语

为达到国六标准的要求，发动机技术会采用机内净化和机外净化联合方案，新技术或设备的实施将助推润滑油行业产品结构升级。国六柴油机必须使用LOW SAPS油品，柴油机油将由当前市场主流级别CH-4、CI-4，升级至CJ-4、CK-4及E6等规格。汽油机方面，随着TGDI、GPF的应用，市场对ILSAC GF-6和API SP规格的呼声越来越高，低灰分(SAPS)的油品将能提供更好的硬件保护。