歐洲ACEA重負荷柴油發動機油規格的最新發展

石順友

(中國石化潤滑油有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

綠色低碳是當今汽車行業的發展趨勢[1]。為滿足日益嚴格的重型車排放法規和燃油經濟性法規，汽車OEM(原始設備制造商)普遍采用柴油機渦輪增壓中冷、直噴、高壓共軌以及電控等發動機先進技術和EGR/SCR/TWC/DPF(廢氣再循環/選擇性催化還原/三元催化器/柴油機顆粒捕捉器)等先進的汽車尾氣后處理技術，以提高柴油機的綜合性能，降低其尾氣排放。同時對潤滑油的性能要求也越來越高，推動著發動機油規格的不斷升級發展[2]。

目前，世界重負荷發動機油規格主要有API(美國石油學會)、ACEA(歐洲汽車制造商協會)、JASO(日本汽車標準委員會)重負荷發動機油規格以及OEM規格。ACEA重負荷發動機油規格規定了歐洲汽車OEM及其生產的重負荷柴油發動機填裝以及售后服務用發動機油的最低性能標準。許多汽車OEM在汽車使用手冊中將其列為汽車換油保養時發動機油必須滿足的最低性能標準[3]。ACEA發動機油規格在推動全球發動機潤滑油技術發展的過程中發揮著十分重要作用，是大多數汽車OEM制定內部規格的性能參考基準。雖然我國重負荷發動機油規格主要參照采用API規格制定，但重負荷柴油機技術多來自歐洲，且重型車的排放標準參照歐洲的制定[4]，因此，研究歐洲發動機油規格的發展情況對推動我國發動機油規格的自主化發展具有重要意義。文章將主要介紹ACEA規格的發展情況，并對最新版的ACEA-2022重負荷柴油發動機油規格進行解讀。

1 ACEA發動機油規格的發展概況

歐洲在實行統一的發動機油規格之前采用的是美國API規格。由于歐洲在發動機設計、車輛工況及節能環保要求等方面與美國存在顯著差異，符合API規格的發動機油無法完全滿足歐系車的潤滑要求[5]。歐洲汽車制造商協會(European Automobile Manufacturers' Association，簡稱ACEA)的前身，歐洲共同市場汽車制造商協會(CCMC)于1983年開始陸續發布了歐洲汽油機油規格G1、G2、G3、G4和G5及柴油機油規格D1、D2、D3、D4和D5。20世紀90年代，由于歐洲大量的汽車制造廠商重組，CCMC解體，并由ACEA取代。ACEA從1996年開始發布ACEA系列發動機油規格，以替代CCMC發布的發動機油規格[6]。

早期的ACEA發動機油規格分為汽油機油、輕負荷柴油機油和重負荷柴油機油三類，分別以英文字母A、B、E加以區分。隨著環保法規和燃油經濟性法規日益嚴苛，以及汽車工業技術的發展，ACEA發動機油規格不斷進行更新升級，以確保油品性能能夠滿足最新發動機技術的潤滑要求。2004年，ACEA規格進行了較大的修訂，取消了單獨的“Ax”和“Bx”系列，將其合并為“Ax/Bx”系列，以規定轎車汽油機和輕負荷柴油機裝填和售后服務用發動機油的性能要求；引入全新的“Cx”系列，以規定帶尾氣后處理裝置的轎車汽油機和輕負荷柴油機裝填和售后服務用發動機油的性能要求，且與催化劑相兼容；同時保留了規定重負荷柴油機裝填和售后服務用發動機油性能要求的“Ex”系列，形成了由輕負荷發動機油規格“Ax/Bx”和“Cx”系列以及重負荷發動機油規格“Ex”系列組成的ACEA發動機油規格[7]，并一直沿用至今。2021年4月30號，ACEA打破以往ACEA輕重負荷發動機油規格同時發布的慣例，發布了ACEA-2021輕負荷發動機油規格，以更加靈活的方式來應對行業和市場變化。時隔一年，2022年5月1號，ACEA推出了ACEA-2022重負荷柴油發動機油規格，以替代2016年版的ACEA重負荷發動機油規格。ACEA重負荷發動機油規格的歷次更新情況如表1所示。

表1 ACEA重負荷發動機油規格的歷次更新情況

2 ACEA-2022規格介紹

在ACEA-2022重負荷柴油機油規格中，重負荷柴油機油規格依然被分為4個性能級別，分別為E4-22、E8-22、E7-22和E11-22。其中E4-22和E7-22為原有級別，與E4-16和E7-16相比性能變化不大，滿足E4-22和E7-22規格的發動機油屬于高灰型、長換油周期的產品，灰分要求不大于2.0%，滿足歐Ⅰ、歐Ⅱ、歐Ⅲ、歐Ⅳ和歐Ⅴ的排放法規要求和在非常苛刻條件下運行的要求；而E8-22和E11-22是新增級別，引入了新的臺架試驗測試，性能有顯著提升，滿足E8-22和E11-22規格的發動機油屬于低灰型產品，產品灰分要求不大于1%，滿足歐Ⅰ、歐Ⅱ、歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ和歐Ⅵ的排放法規要求和在非常苛刻條件下運行的要求，特別適用于裝配DPF和使用低硫燃料的重型柴油車輛。

2.1 技術要求

ACEA-2022規格各性能級別的技術要求[8]如表2所示。

表2 ACEA-2022規格各性能級別的技術要求

表2(續)

表2(續)

2.2 性能對比

從ACEA-2022重負荷柴油發動機油規格各性能級別的技術要求可以看出，各性能級別的性能和應用范圍存在差異，以下從缸套拋光、后處理系統兼容性、腐蝕保護、煙炱處理能力、抗氧化性能、活塞清凈性以及磨損保護等方面對各級別油品進行綜合性能對比分析。

2.2.1 E11-22與E9-16的性能對比

E11-22是ACEA-2022中新增的性能級別，用以替代E9-16，二者的綜合性能對比如圖1。從圖1可以看出，E11-22和E9-16在缸套拋光、后處理系統兼容性、腐蝕保護、煙炱處理能力、活塞清凈性以及磨損保護等方面的性能基本一致。作為新增的發動機油規格，與E9-16相比，E11-22在機油抗氧化方面具有更好的表現。

圖1 E11-22與E9-16的性能對比

2.2.2 E8-22與E6-16的性能對比

E8-22是ACEA-2022中新增的性能級別，用以替代E6-16，二者的綜合性能對比如圖2。從圖2可以看出，E8-22和E6-16在缸套拋光、后處理系統兼容性、腐蝕保護、煙炱處理能力及磨損保護等方面的性能基本一致。作為新增的發動機油規格，與E6-16相比，E8-22能夠為發動機提供更好的活塞清凈性保護，并具有更好的抗氧化性能。

圖2 E8-22與E6-16的性能對比

2.2.3 E8-22與E11-22的性能對比

E8-22和E11-22均是ACEA-2022中新增的級別，均具有優異的綜合產品性能，但二者的側重點稍有不同。E8-22和E11-22的綜合產品性能對比如圖3。從圖3可以看出，在缸套拋光和抗氧化性能方面，E8-22和E11-22的性能相當，其他性能方面，E8-22側重于與后處理系統兼容性和活塞清凈性保護方面，E11-22側重于腐蝕磨損保護、煙炱處理能力和磨損保護方面。

圖3 E11-22與E8-22的性能對比

2.2.4 E4-22與E7-22的性能對比

ACEA-2022中E4和E7是原有的性能級別，與E4-16和E7-16相比性能變化不大。E4-22和E7-22的性能對比如圖4。從圖4可以看出，E4-22和E7-22均不與后處理系統相兼容，因二者未對硫、磷等元素進行限值，且灰分限值較高，屬于高灰分產品。同時，可以看出，與E4-22相比，E7-22在腐蝕磨損保護、煙炱處理能力和磨損保護方面更加出色，而E4-22更加側重于缸套拋光、抗氧化和活塞清凈性等方面的性能保護。

圖4 E7-22與E4-22的性能對比

3 ACEA-2022規格變化

3.1 ACEA-2022序列變化

與ACEA-2016重負荷發動機油規格相比[8-9]，ACEA-2022重負荷柴油機油規格保留了原有的E4和E7，取消了E6和E9，同時新增了E8和E11，分別替代E6-16和E9-16，要求HTHS≥3.5 mPa·s。2016年API在發布CK-4規格的時候，同時發布了基于CK-4規格的具有燃油經濟性的低黏度重負荷柴油發動機油規格FA-4[10]，而被行業期待已久的基于E8和E11規格的具有燃油經濟性的歐洲版低黏度重負荷柴油發動機油規格F8和F11(要求HTHS 2.9～3.2 mPa·s)，因還在開發當中，而未能在此次規格升級時與E8和E11一同發布。預計待摩擦磨損試驗開發成功后單獨發布。

3.2 理化性能要求變化

與ACEA-2016規格相比，在理化性能上，ACEA-2022規格主要在元素含量、橡膠相容性和泡沫特性等方面進行了升級，其他的如HTHS、硫酸鹽灰分、磷含量、硫含量等理化指標沿用ACEA-2016的指標要求。

(1)元素含量

ACEA-2022規格增加了檢測氯元素含量的要求，指標為“報告”，而ACEA-2016規格對氯元素含量無測試要求。

(2)橡膠相容性

在橡膠相容性方面，ACEA-2022規格對橡膠相容性指標中的體積變化率要求更加嚴格，如表3所示。

表3 ACEA-2022與ACEA-2016橡膠相容性的體積變化指標要求對比 %

(3)泡沫特性

ACEA-2022將抗泡特性中程序II(94 ℃)的指標由ACEA-2016的“50/0”調整為“20/0”，說明抗泡特性的要求更加嚴格。同時，ACEA-2022的所有性能級別都有高溫抗泡的性能要求，而ACEA-2016中的E9-16無高溫抗泡的性能要求。

3.3 臺架試驗要求變化

3.3.1 指標限值變化

(1)Mack T-12評價指標限值變化

在ACEA-22規格中，對于新增的E8和E11規格，由于引入了Volvo T-13臺架試驗，可以取代Mack T-12中的鉛含量變化，用于評估與氧化相關的腐蝕磨損性能。因此，E8-22和E11-22兩個規格級別中的Mack T-12評定參數僅保留其磨損參數，而E7-22中Mack T-12的評定參數不變，且保持與ACEA-2016中的E7-16規格一致，如表4所示。

表4 ACEA-2016與ACEA-2022的Mack T-12評價指標對比

(2)OM646LA Bio評價指標限值變化

在ACEA重負荷發動機油規格中，對于E6-16和E9-16以及E8-22和E11-22，要求評定生物燃料存在的情況下的活塞清凈性問題，且均采用OM646LA Bio評定，但在ACEA-22新規格中，其平均活塞清凈性優點評分評定指標的限值進一步加嚴(如表5所示)，由不小于RL255+4調整為不小于RL255+6，以進一步強化生物燃料存在下對活塞的潤滑保護。

表5 ACEA-2016與ACEA-2022的OM646LA Bio臺架試驗評價指標對比

3.3.2 替代臺架試驗

隨著發動機硬件的停產和剩余備件庫存的不斷消耗，經典的活塞清凈性臺架測試OM501LA試驗，將因無發動機硬件支持而結束其使用壽命，因此，在新發布的ACEA規格中，OM501LA活塞清凈性臺架試驗的替代試驗是新規格的重要變化之一。在ACEA-2016規格中，所有性能級別均采用OM501LA臺架測試評定發動機的活塞清凈性，并通過設定不同的評定指標限值來體現各性能級別的性能差異，但在ACEA-2022新規格中，各性能級別采用了不同的臺架測試方法來評定發動機的活塞清凈性。

3.3.2.1 E4-22和E8-22

對于ACEA-2022新規格中的E4-22和E8-22兩個性能級別，要求采用OM471替代OM501LA來測試發動機活塞清凈性。OM471是Daimler最新的清凈性發動機試驗，且在發動機硬件設計和測試苛刻程度上均遠超OM501LA。在發動機硬件設計上，OM471的硬件更能代表最先進的發動機技術，比如采用鋼活塞、高壓共軌噴射系統、不對稱廢氣渦輪增壓器，以及基于SCR、EGR和DPF技術的滿足歐Ⅵ排放標準的尾氣后處理系統。在測試苛刻程度上，OM471引入啟停概念，測試時長增加至600 h，是OM501LA的2倍[11-12]。因此，OM471對發動機油有更高的性能要求，旨在長換油期內為發動機提供持續優異的耐久性保護。OM471臺架試驗與OM501LA臺架試驗的發動機參數及試驗時間對比如表6[13]所示。

表6 OM471臺架試驗與OM501LA臺架試驗的發動機參數及試驗時間對比

3.3.2.2 E7-22和E11-22

在ACEA-2022新規格中，E4-22和E8-22分別采用Caterpillar 1N和Caterpillar C13替代OM501LA評定發動機的活塞清凈性。Caterpillar系列發動機油臺架測試是評定柴油機油高溫清凈性及機油消耗性能的重要方法[14]。

(1)Caterpillar 1N發動機臺架試驗

Caterpillar 1N發動機臺架試驗使用1Y540單缸直噴四氣門發動機，排量2.44 L。試驗用含硫量為0.04%的低硫柴油，轉速為2100 r/min，潤滑油在110 ℃下運行252 h，初始加油量(4.95±0.11) kg，中間不換油。Caterpillar 1N用于API CG-4油的評定，它通過模擬1998年以前的、使用低硫柴油的高速、渦輪增壓柴油機運行工況，評定油對活塞沉積物、活塞環黏結以及活塞環、氣缸套的擦傷和油耗的影響[15]。Caterpillar 1N臺架試驗條件如表7所示，試驗通過和失敗的發動機活塞照片如圖5所示。

表7 Caterpillar 1N臺架試驗條件

圖5 Caterpillar 1N臺架試驗活塞沉積物

(2)Caterpillar C13發動機臺架試驗

Caterpillar C13用于API CJ-4級油的評定，首次增加了二環積炭評分，采用2004年生產的Caterpillar 320 kW C13發動機，模擬高速、重負荷工況。測定高溫清凈性的Caterpillar C13發動機配置電子控制、雙渦輪增壓器、直噴、六缸、四氣門發動機。試驗用含硫量為15 mg/kg以下的超低硫柴油，轉速為1800 r/min，潤滑油溫度為98 ℃，運行時間500 h，采用內部熱廢氣循環(ACERT)技術[16]。Caterpillar C13發動機臺架試驗運行參數如表8所示，試驗通過和失敗的活塞照片如圖6所示。

表8 Caterpillar C13 500 h試驗條件

圖6 Caterpillar C13活塞沉積物

3.3.3 新引入臺架試驗

在ACEA-2022規格中，對于新增的E8-22和E11-22性能級別，在原有性能要求的基礎上，新引入了氧化穩定性臺架試驗Volvo T-13和充氣試驗COAT(Caterpillar Oil Aeration Test)兩個臺架試驗，以進一步強化發動機油的抗氧化性、抗腐蝕性、黏度控制和空氣卷入性能。

(1)Volvo T-13臺架試驗

現代發動機的運行工況更加苛刻，溫度更高，如果發動機油的抗氧化性能不好，則極易引起機油氧化，而機油氧化是造成柴油發動機油性能劣化的主要原因。因此，為進一步強化發動機油的抗氧化性能，ACEA引入了API CK-4規格中用于評定抗氧化性能的Volvo T-13臺架試驗，用以評定E8-22和E11-22兩個新增性能級別的抗氧化性能，以強化這兩個級別發動機油的抗氧化性、抗腐蝕性和黏度增長控制性能。Volvo T-13臺架試驗所用發動機為帶有廢氣循環(EGR)和可變截面渦輪增壓系統(VGT)的六缸四沖程Volvo/Mack D13/MP8柴油發動機。試驗在轉速為1500 r/min、載荷為2200 N·m、機油溫度為88 ℃的條件下運行360 h，在運行過程中，通過EGR和VGT控制系統精確控制進氣歧管中CO2的含量和進氣歧管壓力。試驗結束后，通過分析機油的氧化值和硝化值、活塞/缸套磨損、軸瓦腐蝕以及機油耗等情況來考察油品的熱穩定性能力[17]。Volvo T-13臺架試驗條件如表9所示，臺架試驗通過指標要求與API CK-4的指標要求保持一致。

表9 Volvo T-13臺架試驗條件

(2)COAT充氣試驗

由于現代發動機運行工況苛刻、熱負荷高、機油用量少，在一些發動機油系統中，機油在油底殼中的循環頻率增加，停留時間變短，因而造成油底殼中發動機油的空氣難以及時釋放，進而形成氣泡甚至是泡沫，發動機油中的氣泡或泡沫會嚴重影響油膜的形成，大大降低發動機油保護發動機的能力。同時，發動機油除了為發動機硬件提供有效保護外，還經常充當“液壓油”來執行重要的液壓操作。比如在發動機系統中使用發動機油來驅動燃料噴射器或保持打開或保持關閉閥門的情況下，發動機油必須在整個換油周期內充當性能優異高效的液壓油，來實現“液壓”驅動功能。而當發動機油中含有空氣時，過多的空氣會影響發動機油的性能，使發動機油可壓縮，進而嚴重影響發動機油作為“液壓油”實現液壓操作的能力，進而對發動機正時特性和發動機運行產生不利影響[18]。因此，COAT空氣卷入測試被引入E8和E11，以強化發動機油的空氣釋放性能和控制直接噴射渦輪增壓柴油發動機中機油充氣帶來的風險，為發動機提供更加卓越的全面潤滑保護性能。COAT臺架試驗照片如圖7，試驗條件如表10[19]所示，試驗通過指標要求為不大于11.8%，與API CK-4保持一致。

圖7 COAT臺架試驗[19]

4 結束語

ACEA-2022取消了E6和E9規格，新增了E8和E11規格，以分別替代取消的E6和E9規格，保留了原有高灰分的E4、E7，以滿足現保有車輛的使用需求。同時，新規格引入了新的替代試驗和臺架試驗，油品性能進一步提升，可為現代發動機提供更好的潤滑保護，同時也為下一代OEM規格提供了標準基礎。

我國重負荷發動機油規格主要參照采用API規格制定，但重負荷柴油機技術多來自歐洲，且重型車的排放標準參照歐洲的制定，因此，有必要關注歐洲ACEA發動機油規格的發展變化情況，開發生產適合歐系車的發動機油，使之滿足我國最新重型車的排放法規要求，并與最新的發動機技術相匹配。