王茁　桃春生　王清国

摘要：文章介绍了美国、欧洲、日本以及中国的最新油耗法规和排放标准，以及为应对相关法规发动机所采取的技术。发动机设计的改进以及新技术的应用，对发动机油提出了更为苛刻的要求，需要对发动机油配方重新设计，新的发动机油规格也正是在这种背景下诞生的。

关键词：油耗法规；排放法规；发动机技术；发动机油规格

中图分类号：TE626.32文献标识码：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

环境保护和节能是发动机技术不断向前发展的驱动力，各个国家颁布实施的相关排放法规及油耗标准，促使汽车制造企业在发动机技术方面不断进行改进和创新。发动机油是发动机的重要组成部分，除为发动机提供润滑保护，保证发动机正常工作之外，还对发动机的燃油经济性以及对尾气排放特性有重要影响。发动机硬件不断更新的同时，对发动机油也提出了一系列的挑战。本文简单介绍了欧洲、美国、日本和中国在油耗和排放法规方面的现状，并就相关法规和发动机技术对发动机油规格的影响做了分析，以期能够为发动机油开发、应用工作提供一些参考。

1.各国油耗和排放法规

1.1美国法规

1.1.1美国油耗法规

美国的燃油消耗评价方式有并行的两种，一种是国家公路安全交通管理局（NHTSA）采用的企业平均油耗（CAFE）标准，于上世纪70年代生效；另一种是美国环保部采用的温室气体排放（GHG）标准，于2012年采用。

2010年和2012年，美国环保部和国家公路安全交通管理局先后联合颁布了对轻型车和商用车的温室气体排放和燃油消耗阶段标准。见表1。

除此之外，美国相关政府部门对大型商用车、公交车和重型皮卡车也提出了燃油经济性的要求，对以上三类不同用途的车辆规定了不同的CO2排放和燃油消耗的要求：

（1）对于装备柴油机的半挂车，符合要求的发动机和车辆从2014年开始，到2017年需在2010年的基准上降低CO2和燃油消耗约7%～20%；

（2）对于重型皮卡和厢式货车（heavy-duty pickup trucks and vans），从2014年开始，到2018年，装备汽油发动机的车辆燃油经济性要提高10%，若装备柴油发动机则要提高15%；

（3）除上述车辆外的其他诸如公交车、垃圾运输车和水泥搅拌车等降低9%的燃油消耗。

1.1.2美国排放法规

美国的汽油价格相对低廉，故乘用车主要以汽油机为动力。加利福尼亚州由于特殊的地理环境，使其最早开始制定相关排放标准，并成为美国控制尾气排放最严格的地区。美国于2014年3月3日签署的第三阶段轻负荷车辆排放标准基本与加州第三阶段排放限值一致。

1997年10月，美国环保局颁布了关于2004年及之后生产的重负荷柴油商用车和公交汽车发动机的排放标准。汽车制造商可根据实际情况按表2中的要求进行发动机认证。

2010年11月21日，美国环保局签发了适用于2007年及之后生产的重负荷高速公路柴油机的排放标准。见表3。表3重负荷高速公路柴油机排放标准g/bhp·h

排放污染物排放限值备注PM0.012007年生效NOx0.20NMHC0.14从2007年到2010年依销量基数逐步开展：2007年50%达标，2010年100%达标

1.2日本法规

1.2.1日本油耗法规

日本于1976年颁布了第一个有关汽车燃油消耗的法案（《能源保护法案》的一部分），作为对《能源保护法案》的补充，后续分别设定了2010年和2015年燃油消耗目标[1]。见表4。

1.3欧洲法规

1.3.1欧洲油耗标准

欧洲国家出于能源等方面的考虑，非常重视车辆的油耗，也是较早开展温室气体排放研究工作的。2009年，欧洲议会通过了乘用车到2015年CO2排放量限值130 g/km的目标。2013年欧洲汽车制造商协会投票确认通过了乘用车2020年的CO2排放量限值95 g CO2/km。

针对厢式货车为代表的轻型商用车，于2012年修订实施的标准要求到2016和2017年间实现CO2排放量175 g/km的目标。2013年5月，欧洲议会环境委员会提议到2020年和2025年，分别实现CO2排放量147 g/km和CO2排放量105～120 g/km的目标。

由于商用车种类、日常用途等方面存在较大差异，燃油消耗也不尽相同。通过车辆技术以及使用者日常合理的维护，可减少3%～5%的燃油消耗。商用车燃料费用占车辆使用成本的30%左右，故提高燃油经济性将对商用车使用大有益处，因此欧洲汽车厂商致力于基于2005年的燃油消耗水平，到2020年降低20%的燃油消耗。

1.3.2欧洲排放标准

欧洲的柴油轿车数量较多，占乘用车的比重较大，所以相关排放标准的制定，综合考虑了汽油发动机和柴油发动机的特性。

乘用车排放标准所要求的日期是对所有新车认证有效的，但在允许的情况下可以延后一年。见表8。

欧洲重负荷车辆的排放标准依据不同的测试方法分为两种限值，稳态测试只适用于柴油发动机，瞬态测试适用于柴油发动机和燃气发动机。见表9～表10。

1.4中国法规

1.4.1中国油耗标准

我国实行的汽车油耗限值，是按不同燃料、不同最大设计总质量和不同发动机排量，分阶段实施的。见表11。

2007年7月发布的GB 20997-2007《轻型商用车辆燃料消耗量限值》，主要对象为总重3.5 t以下、9～12座的轻型商用车即轻卡和轻客等。本标准分两个阶段实施，自2011年1月1日起，适用于此标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求，第二阶段的限值是在第一阶段限值基础上约加严5%～10%。

我国相关部门和机构也在对中重型车的燃油消耗工作进行研究。工业和信息化部于2011年12月31日颁布了QC/T 924-2011《重型商用车辆燃料消耗量限值（第一阶段）》，由全国汽车标准化技术委员会制定的GB 30510-2014《重型商用车辆燃料消耗量限值》强制性标准已于2014年2月19日颁布。

1.4.2中国排放标准

我国的机动车辆的排放法规是参照欧洲制定的，限值与其相同，在具体实施时间上落后于欧洲，并结合实际情况，对车辆分类及定义做了修改，如轻型车（乘用车和轻负荷商用车），定义为：

1型：6座以下，车辆总重不超过2.5 t的M1类车辆；

2型：基于基准重量将除1型外的其他车辆分为三类：

1类：基准质量不大于1305 kg；

2类：基准质量大于1305 kg且不大于1760 kg；

3类：基准质量大于1760 kg。

世界上有代表性的排放法规体系为美国、欧洲和日本三大体系，其中以美国和欧洲的排放法规最具影响力和代表性。中国第五阶段排放法规以及之前的标准均是参照欧洲体系制定的，但第六阶段排放法规会参照美国的排放标准制定，因为美国车辆的燃料结构、测试循环以及各工况的实际情况与中国较为接近。

欧洲燃料价格较高，排放标准较严，对燃油经济性具有较高的要求。柴油轿车以强劲的动力性，良好的节能效果和CO2减排效果，被越来越多的消费者接受，柴油轿车占轿车总量的近50%，在部分国家甚至超过了70%，柴油混合动力或许是乘用车为应对未来更为严格法规的方向和趋势。美国的燃料价格相对低廉，乘用车主要以汽油机为主，且车辆的总体排量也较大，近些年对燃油经济性的要求也越来越严格。日本由于能源自给率较低，对燃油经济性尤为重视。日本乘用车企业通过成熟的混合动力技术，在降油耗方面取得了良好的效果。

各国的商用车主要还是以装备柴油机为主。对于重型柴油车尾气后处理系统而言，现阶段欧洲主要采用SCR技术，北美以EGR+PDF为主流。美国的燃油价格低廉，车主对燃油经济性不太敏感，但会考虑由于尿素的加注带来的成本增加。中长途的牵引车，SCR技术更加适合，对于中短途以及排量较小的轻微型车EGR+PDF较为合适。对于未来更严格的欧Ⅳ排放法规，欧洲SCR仍是主流，并可能配合使用稀燃NOx补集器和稀燃NOx催化剂等。美国也有望采用SCR来应对更严格的排放法规。

2发动机技术与油品规格发展

越来越严格的油耗及排放法规的实施，促使发动机在提高燃烧效率、降低燃油消耗、保持耐久性和降低尾气排放等技术方面不断探索，大量的数据已经证明，发动机油对油耗以及排放具有重要影响，原有的发动机油配方及试验验证手段很难满足，新的油品规格和评定方法也应运而生。

2.1汽油机技术与油品规格发展

未来汽油机将采用混合动力、涡轮增压、直喷、均质燃烧、启停技术、空气动力学设计以及更高效的附件装置如空调系统等，但最为关键的仍是发动机的设计。

启停技术是指车辆在停车时间较长时，如等红绿灯及遇到堵车等情况时[2]，发动机怠速时熄火，在车辆达到重新启动条件时发动机迅速启动。装备启停技术的发动机可明显降低车辆的油耗和尾气排放。在NEDC城市道路试验中，油耗和排放减少量更高达8%。

涡轮增压技术是利用排放的废气推动涡轮对进气进行压缩，增加进气量，提高发动机的功率和热效率，在发动机体积和重量增加较少的情况下，可提高发动机功率输出20%～50%。有利于实现车辆的小型化。

缸内直喷技术是指将汽油直接喷入燃烧室与空气进行混合燃烧，通过控制燃烧策略，可使发动机在稀燃混合气的情况下燃烧，通过在发动机不同的运行条件下，控制燃烧方式，达到最大限度的燃料节省，于相同排量的普通发动机相比，功率和扭矩可提高10%[3]。

以上三种典型的发动机技术，通过小型增压以及高效的利用每一滴燃油，能够实现较好的燃油经济性，但由此对发动机油抗氧化性能、抗剪切性能、抗磨损性能等提出了更高的要求。国际润滑油规格认证委员会（ILSAC）提出的全新GF-6规格使用目标是2017年型车，除提供正常的润滑保护和能够与代用燃料有更好的相容性外，重点是提供燃油经济性。提供发动机燃油经济性主要有以下两个方面：一是油品可直接提供燃油经济性，另一方面是通过促使硬件的更新来提高发动机效率。如果要达到上述的目标，引入新的摩擦改进剂是不可避免的。

GF-6将引入6个新的发动机台架测试，如考虑由于涡轮增压直喷技术的引用，要避免发动机小型化因机油导致的低速早燃（LSPI）现象[5]和使用“怠速启停”技术时为发动机链条提供更好的抗磨损保护。除此之外，还包括程序ⅤH、程序ⅥB、程序ⅢH和程序ⅣE等，分别在防止油泥和漆膜生成、防凸轮磨损、抑制油品氧化和燃油经济性等方面要求更严格。以上诸多方面的关键点在于平衡发动机的燃油经济性和耐久性。

GF-6将包含GF-6A和GF-6B两个规格。GF-6A包括5W-20等黏度级别，可兼容之前的规格，GF-6B包括XW-16等黏度级别，不可兼容之前的规格。

2.2柴油机技术

柴油机主要污染排放物是NOx和PM。NOx是燃烧室高温燃烧的产物，温度越高，生成量越大。PM主要由烟炱和硫酸盐颗粒等组成。柴油机技术的发展主要是围绕上述二者开展的。

柴油车的机内净化污染物技术[4]主要是采用高压电控喷射和进气增压来降低PM， 采用EGR、进气中冷和推迟喷油提前角等技术来降低NOx；柴油机高压共轨技术借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化、最佳的点火时间和足够的点火能量，从而实现PM等污染物排放的降低。而新的活塞结构的设计对改进排放的同时，对油品性能提出了新的要求。顶环岸高度的降低，会导致顶环槽处温度增加，活塞沉积物增加进而导致缸套抛光和机油耗增加；更小的顶环岸间隙也增加了缸套抛光的可能性；活塞底部喷油冷却的设计将提高机油温度，上述活塞结构的改变对机油的抗氧化性能和磨损保护性能要求更高。

而在后处理技术方面，当前有效的技术主要有柴油机氧化催化器（DOC）、颗粒物催化氧化转化器（POC）、柴油机颗粒捕集器（DPF）和选择性催化还原系统（SCR）等。概括起来，处理柴油机排放污染物主要有EGR+DOC+DPF和SCR+DOC+DPF/POC两条路线。尾气后处理系统所使用的催化剂如贵金属铂、铑、钯等对燃油中的硫以及发动机油中的硫和磷等特别敏感，硫和磷沉积在催化剂表面会降低催化剂的活性。后处理催化剂孔道也易受发动机油灰分的堵塞影响，排气背压增加，从而降低尾气转化效率，增加燃料消耗。

柴油发动机设计、后处理技术和代用燃料如生物柴油的使用，以及对中重商用车燃油经济性的日益关注，促使新规格柴油机油的诞生。根据最新得到的信息，新规格PC-11将于2016年4月1日发布。此规格油品将重点关注油品的氧化稳定性、空气释放性、剪切稳定性、生物柴油相容性以及磨损保护性能等。

PC-11将沿用CJ-4规格中的7个台架评定试验，分别是Cummins ISB、Cummins ISM、Caterpillar C-13试验、Caterpillar 1N试验、Mack T-11试验、Mack T-12试验和通用汽车滚子随动件磨损试验（GM 6.5RFWT）试验。另外，为PC-11专门开发的试验包括Daimler DD13、Volvo/Mack T-13、Cat Oxidation/Nitration Test和程序ⅢH。

PC-11将分为A和B两种规格。PC-11A包括15W-40等黏度级别，可向后兼容的油品包括API CJ-4等。PC-11B包括5W-30、10W-30等黏度较小的级别，通过控制高温高剪切黏度（HTHS）提高燃油经济性，拟设定HTHS为2.9～3.2 mPa·s。

除上述外，开发组考虑将PC-11除0W-40外的其他等级的XW-40的油品黏度下限设为12.8 mm2/s，以保证油品在使用期间受剪切后黏度保持在本黏度级别内。最终新规格油品的命名以及所有相关试验的开发及指标的确定，将是今后工作的重点。

3总结

中国为应对大气污染和能源消耗问题，加紧了相关的立法工作，很多城市也针对黄标车的淘汰制定了具体的实施办法，政府对不符合油耗的汽车制造企业的监控和处罚力度也更为严格。排放及油耗法规是促使发动机技术不断发展的源动力，未来一段时间，如何降低发动机燃油消耗都将是发动机技术的热点，也对发动机油的综合性能提出了更高的要求。

（1）汽油机将更多地采用涡轮增压、直喷、可变气门正时、启停技术等，汽油机油要承受更高的热负荷和机械负荷，要求有更好的抗氧化性能、抗磨损性能、抗剪切性能，与代用燃料与更好的相容性，提供燃油经济性的同时保证发动机的耐久性。

（2）柴油机采用高压共轨、EGR、延迟燃油喷射、活塞结构设计的改进以及尾气后处理等技术，要求柴油机油有更好的抗氧化稳定性、清净分散性能、抗磨损性能、剪切稳定性和与生物柴油相容性等，降低其中的灰分及硫磷含量，使之与后处理系统有更好的相容性。

参考文献：

[1] 柴油网.日本燃油经济性法则＼[EB/OL＼].https：//www.dieselnet.com/standards/jp/fe.php.

[2]宋义忠，李韬，石磊，等.直喷汽油机直接起动停止技术研究发展与展望[J].内燃机与动力装置，2013，30（4）：42-46

[3]张俊红，李志刚，王铁宁.车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（1）：66-69.

[4]贺泓，翁端，资新运.柴油车尾气排放物控制技术综述[J].环境科学，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.