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                国内外柴油机油发展与国内现状
                来源:本站  发布日期:2021/4/1  点击次数:1504
                国内外柴油机油发展与国内现状

                国内外柴油机油发展与国内现状 

                1.
                前言 
                目前,就世界范围来看,美国,欧洲和日本润滑油规格的发展,对全球的润滑油规格发展起着引导作用,它们的润滑油规格之间,既有共同之处,又有所差异.但无论如何,推动油品规格进步的主要动力依然是环保和节能
                我国内燃机油规格是跟随美国API规格演变而来的,近几年,国内柴油机油规格紧随美国API规格的发展,柴油车用油档次也在不断升级换代.但美国API柴油机油规格主要是针对美国目前的环保要求,车况以及路况的要求而制定的,完全照搬美国API规格的柴油机油,并不一定能很好的满足国内重负荷柴油机的润滑要求,因而有必要发展更适合我国国情的润滑油规格
                本文从美国,欧洲及日本柴油机排放标准的发展历程,阐述了API,ACEA,JASO重负荷柴油机油规格的演变过程.并结合国内排放法规及重负荷柴油机油的发展现状,介绍了中国石油为满足国内柴油机的用油需求而进行的新产品开发状况,同时提出了国内柴油机油规格发展的建议
                2. 
                国外排放法规的发展对润滑油的要求 
                国外润滑油的发展经历了从初期的适应发动机要求,转变到不仅要满足发动机的改进要求,而且要满足环保与节能要求的过程,而发动机技术的不断改进也是一个为了满足排放法规以及用户的需求而不断改进的过程
                2.1
                国外柴油机排放法规的进展 
                目前,世界上主要有美国,欧洲和日本三大排放标准体系,其中美国和欧洲排放体系为各国广泛应用.1为近年来美国,欧洲所实施的排放法规的限值
                2.2
                国外柴油机油规格的发展 
                随着国外排放法规的不断严格,发动机制造商采取各种新的技术,以满足越来越苛刻的排放要求,发动机技术的不断进步,推动润滑油规格迅速发展
                2.2.1
                美国柴油机油规格的发展 
                近十年来,随着排放法规的日益严格,汽车和发动机制造商不断采用新技术以适应这些要求,从而促进了API体系中柴油机油规格的不断升级换代.目前,API已经发布的柴油机油最高规格为API CI-4+,并将于 2006  10 月发布APICJ-4/PC-10柴油机油规格.美国柴油机油规格的演变历程如表2所示
                美国柴油机油标准演变历程 
                年代 1955 1988 1991 1994 1998 2002 2007 2010 
                柴油机油规格 CD CE CF-4 CG-4 CH-4 CI-4 PC-10 PC-11 
                内燃机油规格的迅速升级,依靠的是发动机台架评定技术不断发展.柴油发动机试验从Caterpillar 1G2  1K,1P,1N以及 1R,使得清净性的评价不断接近当时发动机的实际工况,同时更加严格,并陆续增加了Mack T-9 缸套磨损以及Mack T-8E烟炱分散性试验,评价采用延迟喷射技术降低NOX排放量,从而带来烟炱对机油的污染和磨损问题.新发布的CI-4+,增加了一个比Mack T-8E试验条件更苛刻的Mack T-11发动机试验,强化了烟炱分散性的评价;CH-4油中提出的评价磨损及油泥的康明斯 M11 试验,CI-4 中要求采用带废气再循环(EGR)发动机系统.因此,柴油发动机试验除了科学地评价清净性外,同时更加重视烟炱分散,磨损以及排气后处理材料适应性等性能的评价.美国柴油机油规格所要求通过的发动机台架试验从表4可以看出,柴油机油规格的发展过程是其排放法规的不断严格的要求所推动的
                2.2.2 
                欧洲柴油机油规格的发展 
                欧洲柴油机油执行的最低工业规格为ACEA(欧洲汽车制造商协会)规格,其它OEM根据自己的实际需要,ACEA规格为基础,增加不同的OEM台架试验,形成自己的OEM发动机油规格.ACEA根据欧洲车辆及发动机特点,将重负荷柴油机油分为E系列,ACEA规格每两年进行一次修订,为了满足2005年开始实施的欧排放标准,ACEA发布了ACEA-04车辆发动机用油规格,以替代ACEA-02规格.ACEA-2004内燃机油新规格中,重负荷柴油机油设立了E2-96(ISSUE 5),E4-99 (ISSUE 3),E6-04,E7-04规格,保留E2-96是为了满足老式发动机的用油需要,取消了E3-02,E5-02两个规格,增加了E6-04,E7-04两个规格,E6-04适用于使用低硫柴油(小于50ppm),带尾气后处理系统,满足欧排放标准的重负荷柴油机油规格.欧洲重负荷柴油机油规格要求见表4. 
                欧洲重负荷柴油机油规格要求 
                由表3可见,ACEA柴油机油的发动机台架试验相对较少,除借鉴部分美国柴油机油台架试验外,还根据实际需要,发展了自己的发动机台架试验,从而能更好的满足欧洲发动机的工况及润滑需求.同时从发动机的设计特点和实验方法看,API规格相比,ACEA更注重发动机的高温清净性和缸套的抛光及磨损,这也是欧洲产发动机与美国发动机的主要差别
                2.3
                国外柴油机油规格的发展趋势 
                2005-2010 
                年排放进一步减少.传统的技术在降低NOx的同时倾向于增加颗粒物的排放,反之亦然.因此,EGR和延迟点火时间已经不能满足更为苛刻的
                排放标准,汽车生产厂商需要采用新的技术来降低排放,他们采用了后处理技术,例如氧化催化剂(DOC),颗粒物过滤器或捕集器(DPF),选择性还原催化剂(SCR),
                氮氧化合物捕集器(LNT)等技术然而这些后处理装置的采用,对柴油机油提出了严峻的考验,特别是要求对油品的硫,磷和灰分进行限制,以减少其对发动机后处理装置的不良影响.为满足这些新型发动机的用油要求,各国纷纷推出了各自的润滑油规格.日本,欧洲和美国为满足带有后处理设备的发动机润滑要求推出的油品规格对比见表5. 
                日本,欧洲和美国满足带后处理装备的柴油机油规格 
                项目 API CJ-4 JASO DH-2 ACEA E6-04 
                适用年代及排放
                法规 
                2006 (07
                ) 2005(日本新长期排放) 2004(IV) 
                元素限制,% 灰分≤1.0;S ≤ 0.4;P ≤ 0.12灰分1.0±0.1;S ≤ 0.5;P ≤ 0.12 
                灰分≤1.0;S ≤ 0.3;P ≤ 0.08 清净性 Cat. 1N; Cat.C13 JASO M336 CEC L-52-T-97 (OM441LA) 磨损 (活塞环-缸套-轴承) Mack T-12 - Mack T-10 烟炱分散 Mack T-11 Mack T-8A Mack T-8E 氧化 IIIG IIIE(粘度增长小于200%) IIIF (粘度增长小于275%)- 滚动随动件磨损 GM 6.5L - 凸轮轴缸套磨损CEC L-51-A-97 (OM602A)
                阀系磨损 Cummins ISB JASO M354 - 空气混入性 EOAT - - 烟炱引起的磨损 Cummins ISM - - 剪切稳定性 在原粘度等级范围内(90次循环)在原粘度等级范围内(30次循环在原粘度等级范围内(90次循环)挥发性 13 18 13

                在美国 CJ-4/PC-10 油品规格中, CI-4 油相比,增加了带有高水平 EGR Mark T-12 台架,主要用于评价缸套磨损和油耗;用带有EGR  Mark T-11替代了没有EGRMark T8E+,评价由于烟炱增加引起的粘度增长,烟炱含量提高到6.0%;用程序ⅢG替代了程序ⅢF,评价油品的抗氧化能力;此外,PC-10油品规格中,有两个评价油耗的试验,这是因为油耗对于减少颗粒排放以及减少氧化催化剂的负荷是非常重要的.这两个台架试验一个是CI-4油品规格中有的Cat 1N,它用的燃料硫含量是500ppm,另一个是新增的Cat C-13台架试验,它用的燃料硫含量是15ppm. 此外,由表5可见,虽然日本,欧洲和美国满足带后处理装备的柴油机油规格的发动机台架试验有所不同,但都对硫酸盐灰分,磷含量以及硫含量进行了限制,以降低发动机排放或对其排放控制系统的不良影响.随着以后排放的越来越严格,对油品元素及灰分含量的限制将会进一步加大
                3.
                国内排放法规的发展对润滑油的要求 
                3.1
                国内排放法规的发展及对润滑油品的要求 
                我国修改采用欧洲经济委员会(ECE)汽车技术法规体系来制定我国排放标准.随着我国对环保的不断重视,重负荷柴油机的排放不断严格,国内将在2007年实施国标准(北京市提前到2005,广州在20067月实行),2011年实施国Ⅳ,2013年实施国Ⅴ(某些大城市会提前实施),为达到排放要求,国内像一汽,二汽等汽车制造厂以及玉柴,锡柴,潍柴,上柴等柴油机厂也已开始或已开发出满足未来欧Ⅲ,排放标准的发动机.例如玉柴已在2006年国际发动机展览会上展出了带有选择性还原催化剂(SCR),满足欧排放标准的发动机发动机技术水平的不断提高,对油品的要求也越来越高,由于我国排放法规采用欧洲排放体系,而内燃机油规格又采用美国API规格,因而对于发动机的选油造成了一定的难度,6列出了美国,欧洲排放法规及相应油品规格的对应关系
                美国,欧洲排放法规及相应柴油机油规格的对应关系 
                排放法规 油品规格 
                欧洲 美国 欧洲 美国 
                EURO Ⅳ(2005) TierⅡ(2002)E7-04 CI-4 
                EURO Ⅲ(2000) TierⅠ(1998)E5-02 CH-4 
                EURO Ⅱ(1996) 1994 E3 CG-4 
                EURO Ⅰ /Ⅱ(1992) 1991 E2 CF-4 
                由表6可见,为满足欧排放标准发动机的润滑要求,油品的规格应为API 
                CH-4
                及以上油品
                3.2
                国内柴油机油的发展及使用状况 
                由于环保,节能要求的日益苛刻,柴油机技术的迅速发展,目前国内柴油机油的主流已升级为CD级油,CC级油的用量正在不断减少,而需要使用CF-4级润滑油的重载货车越来越多.由于现在的中,重型柴油发动机全部为直喷式,要求发动机使用CF-4及以上级别的油品,加之柴油车向着大功率,重载荷方向发展,同时随着国内高速公路的普及,成网,预计在今后35年里,绝大多数中型和重型货车将使用CF-4级油,有些会使用CH-4或更高级别的油品
                我国柴油机油经几十年的努力,经过科研,生产,销售,使用部门的密切协作和共同攻关,使我国润滑油基础油,添加剂,成品润滑油生产能力,技术水平,产品品种,产量质量及应用水平均有了很大发展及提高.目前我国润滑油市场上,中国石油,中国石化的"昆仑","长城"以及民营企业的"统一"通过技术攻关或对国外复合剂在国内基础油中的适应性进行研究,已成功推出了CF-4,CH-4,CI-4 等高档柴油机油,并加强与OEM 的沟通,取得合作机会,从而向高端市场进军,并取得了丰硕的成果
                3.3 
                中国石油为满足新的排放法规而进行的新产品开发 
                润滑油配方的研究是中国石油兰州润滑油研究开发中心的研究重点之一,已有四十多年的历史,截至目前在柴油机油方面,已成功开发了具有自主知识产权的CC,CD,CF4,CH4等一系列的配方技术;覆盖了从CCCH4产品线的全部配方,并已经获得广泛的应用,形成了独具特色的内燃机油配方技术
                为满足国内高档柴油机的用油需求,兰州研发中心联合国内发动机制造商,最新研制的CH-4/SJ通用内燃机油,在满足美国API CH-4/SJ规格的基础上,还完成了国内一汽CA6DL1-30,CA6DL2-35,二汽Cummins 6CTAOEM发动机台架试验.特别是在一汽的CA6DL2-35发动机台架试验中,由于该发动机采用钢活塞,油品使用温度高,同时又用延迟喷射等技术,在发动机运转过程中产生大量的烟炱,使得发动机对油品的要求非常苛刻,国内普通的满足API CH-4油品很难满足该发动机的使用要求
                1为兰州研发中心研制的CH-4/SJ通用内燃机油与普通满足API CH-4级油的油品在CA6DL2-35发动机上试验时,油品粘度随时间变化情况;2CA 6DL 
                2-35
                发动机产生的烟炱含量与MackT-8E的对比
                试验时间,h
                机油粘度,mm22 6DL2-35T-8E发动机烟炱生成量的对比
                由图1可见,满足美国API CH-4的油品(6DL 2-35-001),CA6DL2-35发动机台架试验中,并不能完全满足其对油品性能的要求,油品在CA 6DL 2-35发动机台架试验中,50h后油品粘度已开始急剧增长,而中国石油兰州润滑油研制的油品(6DL 2-35-003)在试验中表现出良好的控制油品粘度增长的能力,150h后才出现拐点,与参比油(6DL 2-35-002)相当.由图2,可见,6DL 2-35发动机的试验条件非常苛刻,100h产生的烟炱含量已达46%,Mack T-8E2,因此对油品烟炱分散性能的要求,要高于CH-4油品的要求从以上在OEM发动机的试验结果可见,由于我国与美国在发动机设计上的差异,使得满足API规格的油品,并不能很好的满足我国柴油机的润滑要求
                4.
                国内润滑油规格发展的建议 
                我国内燃机油规格等同采用美国API标准,但随着美国柴油机油更新换代的速度加快,用于评定油品的台架越来越多,发动机台架的升级换代也越来越快,美国在用柴油机油规格所要求通过的台架数及所需要的台架费用见表7. 
                美国在用柴油机油规格所要求通过的台架数及费用 
                规格 API CF API CF-4API CG-4API CH-4API CI-4 API CJ-4
                推出年代 1994 1990 1994 1998 2002 2006 
                发动机台架数,2 4 5 8 8 10 
                一次试验费,美元23000 148000 125000 300000 470000 607000 
                由表7可见,随着柴油机油规格的升级,所要求通过的发动机台架试验越来越多,API CF级油的2个发动机台架试验到API CJ-4级油时已增加到了10(不包括模拟试验),每个油品规格都会推出一系列新的发动机台架试验,这一方面是是为了更好,更全面的对润滑油的性能进行评价,同时也是为了平衡不同的发动机制造商的利益,例如一次完成API CJ-4柴油机油所需的费用在450520万元左右,更不要说引进全套的评定台架,因此要求柴油机油的研制不仅需要雄厚的技术力量,而且需要坚实的经济基础虽然我国花费了大量资金,不断引进Cat.1M-PC ,Cat.1K,Cat.1N,Mack T-8,Mack T-9等发动机台架试验,但到目前为止,我国的评定台架仍只能满足API CF-4及以下油品的评定,2006年美国将要颁布的柴油级油的最高级别API CJ-4级油相比,还差四个档次
                另外,美国 API 柴油机油规格主要针对美国目前的环保要求,车况以及路况的要求而制定的,而中国汽车市场的特点是:小轿车以欧洲技术为主,重型车中欧洲技术亦占重要地位,道路条件介于北美与欧洲之间,重型车超载严重,车型与技术更新速度加快.国际上欧洲和日本都根据自己的国情,发展了自己的柴油机油规格.从近几年我国在发动机台架引进方面积累的经验以及目前中国汽车工业,发动机技术的发展来看,我国已经具备一些发动机台架开发的基础,例如中国石油润滑油公司与汽车制造商合作,已开发成功了6DL发动机台架试验,其评定结果与行车有较好的相关性.因此我国柴油机油规格的发展,未必要一味照搬美国API柴油机油规格,应坚持引进与自己发展相结合,在发动机台架引进时充分考虑我国的实际,对欧洲,美国以及日本的评定台架进行综合考虑,在合理引进切合我国实际的发动机台架试验同时,与国内汽车厂家紧密合作,有针对性的建立有自己特色的润滑油评定台架,建立我国自己的柴油机油规格,以更适合我国发动机的润滑要求.

                 

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