新汽车排放标准实施对汽车行业及发动机油的影响
2020-01-03 中国润滑技术论坛(2019)论文专集根据《中国机动车环境管理年报(2018)》和各地城市大气细颗粒物(PM2.5)源解析结果显示,2017年全国机动车4项污染物排放总量达到4359.7万t,机动车已成为我国空气污染的重要来源之一,是造成环境空气污染的重要原因。随着机动车保有量快速増加,我国部分城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点,本地排放源中移动源对PM2.5浓度的贡献范围为13.5%至52.1%。汽车是机动车大气污染排放的主要贡献者,其排放的CO和HC超过80%,NOx和PM超过90%。
2001年,国家第一阶段机动车排放标准开始实施,经过18年的发展,目前全国实施第五阶段排放标准,单车污染物排放降低90%以上。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国大气污染防治法》,有效促进汽车行业技术升级,进ー步强化机动车污染防治工作,从源头减少排放,实施国六排放标准和相应油品标准的要求,国家生态环境部(原环境保护部)与国家质检总局先后出台了国家第六阶段机动车污染物排放标准,简称国六,对汽车生产环节进行监督约束,该标准比目前国际最严排放限值——欧六标准,还要略高ー些,是目前世界上最严苛的机动车排放标准。国六标准于2019年逐步开展实施,对大气环境管理有特殊需求的重点区域已经提前实施。
国五标准相比国六做了哪些修订
国六与国五相比在污染物排放限值、检验方法、试验エ况、耐久性要求、具体监管要求等诸方面都做了修订升级,该标准比目前国际最严排放限值——欧六标准,还要略高ー些,是目前世界上最严苛的机动车排放标准。
(1)测试循环不同。从国五的NEDC循环变为WLTC循环,エ况(速度)曲线瞬态变化明显,最高速度达到131km/h,对车辆的冷启动、加减速以及高速大负荷状态下的排放进行了全面考核,覆盖了更大的发动机工作范围,对车辆的排放控制性能提出了更高的要求。
(2)测试程序要求不同。试验车辆的质量要求和道路载荷设定直接影响车辆的油耗和排放表现。国六标准用更加严格的测试要求,例如提高试验车辆的重量,要求轮胎规格必须与量产车一致等措施,有效避免实验室测试数据与实际使用的差距。
(3)限值要求加严,相比闰五加严了40%~50%左右,増加了汽油车颗粒物排放数量测试要求。与国五阶段汽柴油车采用不同的限值相比,国六标准根据燃料中立原则,对汽柴油车采用了相同的限值要求,对柴油车的氮氧化物和汽油车的颗粒物不再设立较松限值。
(4)新増加了实际道路行驶排放,将排放测试从实验室转移到了实际道路,要求汽车既要在试验室测试达标,还要在市区、郊区和高速公路上达标,在车辆正常行驶状态下利用便携式排放测试设备进行尾气测试,保证排放检测结果反映真实驾驶情况,有效避免排放作弊行为。
(5)加严了蒸发排放控制要求,引人48h蒸发排放试验以及加油过程VOCs排放试验,对车辆在停车、行驶以及高温天气下的汽油蒸发排放控制提出了严格要求,要求车辆安装ORVR油气在线回收装置,増加了对加油过程的油气控制,将蒸发排放控制水平提高到90%以上。
(6)増加了排放质保期的要求,即要求在3年或6×lO4km内,如果车辆的排放出现相关故障和损坏,导致排放超标,由汽车生产企业承担相应的维修和更换零部件的费用。
(7)提高了低温试验要求,相比国五的CO和HC限值加严1/3,同时还增加了对NOx的控制要求,
4国六标准的实施对汽车、主机和润滑油的影响
国六排放标准的推出,对排放限值、检测监管方式、耐久性以及排放和油耗的联合管控等多方面提高要求,必将促进主机厂改进发动机设计、后处理设备应用,进而对燃油和发动机油提出更高的要求。
4.1国六排放标准的要求及在用车的监管监测对汽车要求
国六汽车对汽车的排放要求比国五要严格得多,关键污染物的限值进ー步收紧(一些限值甚至不到国五规定的一半)。在排除了工况和测试影响的情況下,汽油车的一氧化碳排放量降低了50%,总碳氢化物排放量下降50%,氮氧化合物下降42%,颗粒排放物下降40%,重型车国六标准的氮氧化物和颗粒排放物要求都下降约60%;测试的エ况在原有固定条件实验室测试的基础上增加实际道路试验循环测试RDE试验,排放检测和限值包含了新车生产一致性、抽查和在用车符合性。
国六排放标准増加了排放质保期的要求,即要求在3年或6×lO4km内,如果车辆的排放相关出现故障和损坏,导致排放超标,由汽车生产企业承担相应的维修和更换零部件的费用。对尾气处理设备的耐久性提出了更高的要求,轻型车国六a为1.6×105km(2023年国六b升级为2×丨05km),重型柴油卡车的要求最高是7×lO5km,相当严苛。
首次提出排放和油耗联合管控,即在进行发动机污染物排放测试时,必须同时测定C02排放和燃油消耗量,整车在进行油耗测试的时候,必须同时测定气态污染物和颗粒物的排放情况,满足国六标准中PEMS排放限值的要求,.企业还需要将排放结果上报环境部并进行信息公开,平衡发动机功率和排放要求,对发动机的设计运行提出了很高的挑战。
4.2 应对国六排放标准对主机厂的挑战
随着国六排放标准的逐步开展实施,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很多尝试和努力。主机厂围绕国六标准要求对发动机和尾气处理装置进行硬件的改造升级,包括改进燃烧喷射方式,配备涡轮增压直喷(TGDI)发动机,改进ECU电控单元,改进发动机燃烧室的构造(包括吸气时的控制等),増大炭罐容积,改进燃油系统密封性,升级OBD系统,加装更复杂的尾气处理装置(乘用车上加装汽油颗粒捕集器GPF,柴油车要加装柴油颗粒捕集器DPF),改进催化转化器中的催化剂(増加贵金属用量等)。废气再循环EGR和选择性催化还原装置SCR的应用将越来越广泛。有预测数据显示,到2020年超过80%的新乘用车都会配有汽油颗粒捕集器,其和尾气再循环系统等装置是国六发动机的标配。
据机动车排污监控中心主办的中国机动车环保网(www.vecc.org.cn)披露,截至2019年6月13日,轻型车共有93家企业2080个车型(4250个信息公开编号)4112866辆车进行了轻型车国六环保信息公开,其中国内生产企业75家、1708个车型,国外生产企业18家、372个车型,公开车型除12款车型为国六a外,均为国六b。重型车共有49家整车生产企业的781个车型280辆车进行了重型车国六环保信息公开,20家发动机生产企业的304款发动机型按重六标准完成型式检验(重型柴油机283款,重型燃气机21款)。
4.3 国六排放标准的实施对发动机油的挑战和发展方向
机动车国六排放标准逐步实施,更严格的在用车排放监管,不但意味新车制造环节和在用车维护环节的技术难度和成本的提高,更对燃油和发动机油润滑质量提出更高要求。
国六时代下的发动机润滑油面临多重问题和挑战,市场亟需新型润滑油解决方案。与后处理设备兼容的润滑油可以使催化剂、颗粒捕集器和其他装置在整个汽车使用寿命中持续有效地降低排放,对发动机及后处理装置提供保护,进一步延长换油期,提升燃油经济性等,在此基础上降低润滑油黏度,提升燃油经济性。更高质量级别的低灰分、高性能和低黏化油品将是未来发动机油的发展方向。
(1)低灰分。随着符合国六排放标准的新车型推出,为使在用车排放达标,汽车后处理装置的安装日益普及,包括柴/汽油颗粒捕集器、废气再循环、催化转换器等,兼顾对后处理装置的兼容性成为油品配方设计时一个重点。硫、磷、锌是三种廉价且高效的抗磨元素,在机油中广泛存在。发动机在工作时少量机油会进入燃烧室参与燃烧,生成大量的硫酸盐灰分、无机物灰分和块状沉积物,随着燃烧废气进入排放系统,日积月累会造成氧传感器和三元催化堵塞、中毒失效,EGR阀堵塞卡滞,GPF/DPF堵塞等故障,从而使后处理装置无法正常工作,影响车辆尾气排放值达标。与燃料燃烧产生的积炭不同,机油添加剂燃烧产生的灰分对三元催化器、DPF/GPF等设备的堵塞是不可逆的,设备只能更换,不可修复。
为使车辆满足国六排放标准,减少使用过程中对后处理装置的影响,就需要新的油品适应排放标准和主机的发展,严格控制机油中的硫、磷、锌含量,转而使用其他高效的灰分更小的化学组分来维持机油的润滑减摩功效,这对发动机油的开发是一个挑战。
(2)高性能。为了达到国六排放标准的要求,主机厂对发动机的改造也做了很多工作,应用最多的是采用涡轮增压汽油直喷发动机(GDI/TGDI)的解决方案,有预测到2020年,国内发动机将有35%~44%装备涡轮增压或直喷发动机(主要是TGDI)。随着TGDI发动机越来越广泛地使用,很多新问题也相应产生,如低速早燃(LSPI),即在发动机低转速(1200~2000r/min)大扭矩(如车辆起步、加速)工况时,发动机出现了常见的不正常燃烧,引发缸内超级爆震,可能对发动机造成巨大损坏。而传统润滑油品是导致低速早燃的重要原因之一,因此需要油品研发人员通过研究涡轮增压汽油直喷发动机发生低速早燃的原因和规律,调整基础油和添加剂成分,开发最新性能标准的发动机油,适应涡轮增压汽油直喷发动机大量应用的趋势。
同时,国六标准中对整车保质期和排放控制设备的耐久性的要求大大提高,几乎与车辆的平均使用寿命一致,还必须通过实车道路排放(RDE)测试,难度远远超过在受控的实验室条件下的测试。
因此优质高性能的车用润滑油才能提供优良的润滑作用,减少沉积物和磨损,维护使发动机和传动系的长周期高效率运转,发挥正常功能并长期保持较低的排放水平。
(3)低黏化。国六排放标准首次提出排放和油耗联合管控,即发动机污染物排放测试与C02排放和燃油消耗同时进行,平衡发动机功率和排放要求,对发动机的设计运行エ况提出了很高的挑战。通过降低油品黏度减少燃油消耗,提高燃油经济性已是全球趋势,在这样的前提下同时兼顾给硬件提供充分的抗磨保护。
5排放标准及监管措施的不断提高对发动机油的影响
2001年第一阶段机动车排放标准开始实施,经过18年的发展,到目前第五阶段排放标准,排放标准不断加严,单车污染物排放降低90%以上,我国的排放标准一直沿用欧洲的法规体系,马上将要实施的国六排放标准在某些指标上已经超过欧洲标准,与北美标准齐平,已是世界上最严的机动车排放标准。在未来几年时间,国六推出及在用车监管加强因素的影响,“国三”以下标准的车辆会逐步淘汰,低质量级别的润滑油市场占有率会逐步快速下降。
伴随着排放标准的不断加严以及更低油耗限值的压力驱动,推动市场车辆硬件不断升级,提髙发动机效率和车辆轻量化是未来发展的趋势,车辆需要全新的润滑油技术以提供更好的硬件保护。无论是汽油机油还是柴油机油,高质量等级也在快速提升,也将推动低灰分髙效添加剂和Ⅱ、Ⅲ类及PAO和和合成基础油需求增长。国内机动车排放标准实施时间顺序见表3。
5.1加强存量在用车的监管
2016年7月,生态环境部和公安等部门印发《关于进一步规范排放检验加强机动车环境监督管理工作的通知》,提出严格执行机动车排放检验制度、优化机动车排放和安全技术检验流程、加强排放检验信息联网核査,通过严格排气检验发现后处理装置老化失效车辆,要求超标车辆在更换后处理装置或进行相应维修检验合格后方可上路行驶。2017年7月,生态环境部发布《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求(遥感检测法)》HJ845-2017,实时发现在道路上实际行驶柴油车的排放超标问题。督促车辆更换后处理装置或进行相应维修,严格检验识别后处理装置失效车辆,确保上路行驶的车辆达标排放。
实际操作中,加快建设包括在用车排放检验、遥感监测和路检路查数据的监管平台,严格禁止后处理装置老化失效的不达标车辆上路行驶,鼓励各地出台政策定期更换出租车等营运车辆催化转化器。因此车况差、尾气处理装置失效、排放超标的老旧车辆,尽管没有达到机动车报废标准规定的年限或里程,如果不及时通过维修或安装合格后处理设备以达到排放要求,也会被禁止上路行驶,强制报废。
5.2老旧车辆淘汰
2014-2017年黄标车基本淘汰完毕后,国Ⅰ、国Ⅱ汽油车和国Ⅲ前柴油车已成为排放污染最严重车辆,成为监管和淘汰的重点,尤其是柴油货车,已经成为机动车污染防治的重中之重。2018年6月27日国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,2019年1月4日生态环境部等11个部门联合发布《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》,两个文件均提出“2020年底前,京津冀及周边地区和汾渭平原淘汰国瓜及以下排放标准营运中型和重型柴油货车100万辆以上”。重点地区通过限行、加大报废补贴力度等措施鼓励国Ⅲ以前的柴油车提前报废。同时加大执法力度,强化抽检执法,増加检测频次,安装尾气遥测和黑烟车智能抓拍系统,对超标排放、冒黑烟、环保装置缺失等排放不合格车辆强制报废。—些重点地区迫于环境排放压力出台的政策偏严,2019-2020年是淘汰国Ⅲ高排放柴油车的髙峰期,有资料统计截至2018年5月,统计到的各地方目标淘汰数量合计达到230万辆,国Ⅲ以下柴油车数量和占比下降会很快。
同时,2019年6月1日起施行的最新《报废机动车回收管理办法》,建立回收信息系统,鼓励报废机动车“五大总成”再制造、再利用,由市场主体自行协商确定回收价格。使旧车的剩余价值得到体现,也有利于老旧车辆的提前报废。
总之,新排放、油耗法规和在用车辆的监管监测加严,各地现行补贴政策的实施,以及最新机动车回收办法的实施,部将加速老旧车辆报废。车辆结构快速向高标准过渡,与之对应的车辆发动机等硬件结构行驶参数都将进ー步提高,车用润滑油的结构也将快速向高质量级别、低黏度、长周期发展。如SF-4以下柴油机油的占比将大幅下降,高性能添加剂和性能更加稳定的Ⅱ、Ⅲ类基础油以及IV、V类合成基础油的用量占比也将有较快增长。