田 強(qiáng)，高 深，趙 磊，王志宇，張武高

(1.上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑研究所，北京 100085)

近年來(lái)，我國(guó)出現(xiàn)霧霾天氣的頻率越來(lái)越高，對(duì)顆粒排放控制的要求也進(jìn)一步提高[1-2].柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒方式?jīng)Q定了其顆粒排放遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，是汽油機(jī)的30～80倍[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、燃油品質(zhì)等都會(huì)顯著影響顆粒排放；機(jī)油同樣有不可忽視的影響，柴油機(jī)的顆粒物排放中，很大一部分來(lái)自潤(rùn)滑油的不完全燃燒和泄漏[4-5].由于潤(rùn)滑油黏度大，揮發(fā)性低，難以充分燃燒，一部分潤(rùn)滑油沒有燃燒直接轉(zhuǎn)變成油煙排出，潤(rùn)滑油的消耗對(duì)柴油機(jī)顆粒排放具有重要影響[6-7].

早在1980年，Mayer等[8]利用放射性同位素對(duì)機(jī)油進(jìn)行標(biāo)記，證實(shí)了機(jī)油是輕型柴油機(jī)顆粒排放的重要來(lái)源，且在高轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯，并進(jìn)一步提出潤(rùn)滑油影響發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒生成的燃燒機(jī)理和吸附機(jī)理.與車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油相比，潤(rùn)滑油分子量大，碳鏈長(zhǎng)，黏度及表面張力大，燃油噴霧及油氣混合性能差，潤(rùn)滑油液滴或潤(rùn)滑油與燃料混合物進(jìn)入燃燒室后，更易不完全燃燒并形成顆粒，這是潤(rùn)滑油影響顆粒生成的燃燒機(jī)理；另外，在排氣過(guò)程中由于缸內(nèi)壓力下降，活塞環(huán)等縫隙處的潤(rùn)滑油部分蒸發(fā)并被吸附到燃燒生成的顆粒上使得顆粒物質(zhì)量增大，這是潤(rùn)滑油促進(jìn)顆粒生成的吸附機(jī)理.

在增壓中冷高速柴油機(jī)上，本文通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有的4種潤(rùn)滑油，借助快速響應(yīng)顆粒分析儀DMS500，研究了聚α-烯烴(PAO)基合成潤(rùn)滑油對(duì)柴油機(jī)顆粒排放性能影響.

1 設(shè)備、燃料及方案

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為云內(nèi)動(dòng)力生產(chǎn)的雷默D19TCI輕型高速柴油機(jī)，直列式四缸，其主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示.

試驗(yàn)中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、燃燒分析系統(tǒng)、顆粒采樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及冷卻水潤(rùn)滑油等的溫度控制系統(tǒng)等.測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備如表2所示.

尾氣顆粒排放特性測(cè)試采用英國(guó)Cambustion公司的DMS500MK II 快速響應(yīng)顆粒物分析儀，顆粒采集使用Whatman公司生產(chǎn)的47 mm石英濾膜.試驗(yàn)用柴油為上海市售0號(hào)國(guó)五柴油,其理化特性見表3.

潤(rùn)滑油一般是由決定潤(rùn)滑油基本性質(zhì)的基礎(chǔ)油和改善基礎(chǔ)油性能的添加劑構(gòu)成.根據(jù)黏度指數(shù)范圍，美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)將常規(guī)車用基礎(chǔ)油分為 I～I(xiàn)V 類，隨著級(jí)別升高，黏度指數(shù)增大，性能優(yōu)秀.為研究潤(rùn)滑油特性對(duì)柴油機(jī)燃燒排放特性的影響，本文配制了4種潤(rùn)滑油，性能參數(shù)如表4所示(根據(jù)ASTM D2207/D2270等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試得到).其中：典型 II 類潤(rùn)滑油(CH-4)的基礎(chǔ)油為礦物油，特殊 II 類低灰潤(rùn)滑油(CNG)經(jīng)過(guò)低灰處理，一般用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；加氫精制半合成潤(rùn)滑油屬于 III 類潤(rùn)滑油，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上；PAO為全合成潤(rùn)滑油，主要成分為聚α-烯烴，屬于第 IV 類潤(rùn)滑油，為滿足高等級(jí)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)專門開發(fā).CH-4、III 和PAO這3種潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的種類不同，添加劑相同.低灰潤(rùn)滑油與CH-4潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油一致，但使用了不同體系的添加劑配方，以達(dá)到減少潤(rùn)滑油中灰分含量的效果.w(x)表示元素x的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 D19TCI主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of D19TCI

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備列表Tab.2 List of engine monitor and control devices

表3 試驗(yàn)用柴油的理化性質(zhì)Tab.3 Physical and chemical properties of diesel

表4 試驗(yàn)用潤(rùn)滑油理化特性Tab.4 Physical and chemical properties of lubricating oils

選取潤(rùn)滑油溫度便于穩(wěn)定控制的高轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min工況，選取平均有效壓力 (BMEP)為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 MPa代表各負(fù)荷工況，研究潤(rùn)滑油保持80，90，95 ℃時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放的影響.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)顆粒排放的影響

選取性能優(yōu)異的PAO基潤(rùn)滑油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖1為PAO基潤(rùn)滑油在轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min、機(jī)油溫度90 ℃和不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，總體顆粒排放濃度隨粒徑變化的分布圖，其中，顆粒排放濃度dN/dlgDp定義為單位體積內(nèi)某粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量濃度，Dp為顆粒直徑.

圖1 PAO基潤(rùn)滑油在不同負(fù)荷下的顆粒排放Fig.1 Particle emission of lubricant PAO under different engine loads

由圖1可見：PAO基潤(rùn)滑油的顆粒排放濃度都隨著負(fù)荷的增大逐漸減??；低負(fù)荷時(shí)顆粒排放濃度最大，在BMEP由 0.4升至 0.6 MPa時(shí)，顆粒排放隨負(fù)荷增大而快速減少，之后隨負(fù)荷進(jìn)一步增大，排放減少程度有所減弱.這是由于柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下，過(guò)量空氣系數(shù)大，稀薄燃燒生成大量的核模態(tài)微納顆粒物，而燃燒后期缸內(nèi)溫度低，這些顆粒物很難被進(jìn)一步氧化燃燒，導(dǎo)致排放濃度峰值很高；隨著負(fù)荷的增加，空燃比逐漸降低，燃燒室內(nèi)溫度與壓力逐漸增加，促進(jìn)了微納顆粒的氧化反應(yīng)，顆粒排放濃度快速降低；負(fù)荷進(jìn)一步增大，燃燒越來(lái)越完全，但也增加了潤(rùn)滑油蒸發(fā)和燃料高溫分解階段顆粒前驅(qū)物生成，結(jié)果顯示在更高負(fù)荷階段，顆粒排放降低趨勢(shì)減弱.

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒排放的影響

選取性能優(yōu)異的PAO基潤(rùn)滑油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖2所示為在機(jī)油溫度90 ℃、BMEP分別為 0.2 和0.8 MPa這2種負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)總體顆粒排放濃度隨粒徑變化分布的影響.

圖2 PAO基潤(rùn)滑油在不同轉(zhuǎn)速下的顆粒排放Fig.2 Particle emission of lubricant PAO under different engine speeds

圖3 工作溫度對(duì)潤(rùn)滑油 III 和PAO在高低負(fù)荷下顆粒排放的影響(n=2 800 r/min)Fig.3 Influence of working temperature on particle emission of lubricants III and PAO under different loads (n=2 800 r/min)

由圖2可見，PAO基潤(rùn)滑油在高低負(fù)荷下排放特性均為隨著轉(zhuǎn)速的增大，顆粒排放濃度逐漸增大.相同負(fù)荷下，噴油時(shí)刻和噴油壓力不變，燃燒的滯燃期一致，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，燃油與空氣在缸內(nèi)的混合與燃燒時(shí)間都縮短，油氣混合不均及不完全燃燒引起的微納顆粒排放大幅升高.

2.3 潤(rùn)滑油工作溫度對(duì)顆粒排放的影響

進(jìn)一步分析機(jī)油溫度變化對(duì)顆粒排放的影響，在轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min,BMEP=0.2，0.8 MPa負(fù)荷工況下，隨潤(rùn)滑油工作溫度變化，總體顆粒排放數(shù)濃度隨粒徑變化的分布如圖3所示.

由圖3(a)和(b)可見，潤(rùn)滑油 III 在低負(fù)荷時(shí)顆粒數(shù)隨潤(rùn)滑油溫度升高而增多，高負(fù)荷時(shí)隨潤(rùn)滑油溫度升高而減少.原因在于，隨著潤(rùn)滑油溫度升高，潤(rùn)滑油膜的蒸發(fā)損失增大，但低負(fù)荷下蒸發(fā)后的潤(rùn)滑油在燃燒室內(nèi)氧化不徹底，引起顆粒濃度增大，而在高負(fù)荷下，蒸發(fā)后的潤(rùn)滑油能很好地氧化燃燒，顆粒數(shù)相應(yīng)減少.

由圖3(c)和(d)可見，與常規(guī)的潤(rùn)滑油不同，PAO基潤(rùn)滑油在各種負(fù)荷下，顆粒排放濃度都隨工作溫度的升高而降低.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：PAO是一種全合成的高分子聚合物，隨著工作溫度升高，原本收縮的聚合高分子鏈呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，具有阻止?jié)櫥驼舭l(fā)的效果[9]；PAO黏度指數(shù)高，運(yùn)動(dòng)黏度隨著溫度升高而下降幅度小，減少了因溫度升高而引起的蒸發(fā)；而且少量蒸發(fā)物因溫度較高易被氧化燃燒，綜合表現(xiàn)為高潤(rùn)滑油溫度降低了各種工況下的顆粒數(shù)排放.

可見，PAO基潤(rùn)滑油適合相對(duì)高的工作溫度，在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況時(shí)顆粒排放性能和減磨性能都更好，是一種優(yōu)良的低顆粒排放潤(rùn)滑油.

2.4 潤(rùn)滑油灰分含量對(duì)顆粒排放的影響

將CH-4、低灰和PAO基潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)顆粒排放進(jìn)行對(duì)比，研究潤(rùn)滑油中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放的影響.低灰潤(rùn)滑油為礦物提煉，屬于第 II 類基礎(chǔ)油，在250 ℃時(shí)蒸發(fā)損失率比較高，但易形成灰分的幾種成分遠(yuǎn)低于PAO基潤(rùn)滑油，如低灰中硫酸鹽灰分為PAO中相同成分質(zhì)量的50%，金屬元素Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低灰中不到PAO的50%，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低灰中約為PAO的2/3.CH-4潤(rùn)滑油同屬于 II 類基礎(chǔ)油，但易形成灰分的幾種成分與PAO潤(rùn)滑油十分接近.轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min時(shí)，在高低負(fù)荷下3種潤(rùn)滑油的發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放比較如圖4所示.

圖4 CH-4、CNG和PAO在高低負(fù)荷下的顆粒排放Fig.4 Particle emission of lubricating oils PAO、CNG and CH-4 under different loads

由圖4可見：低灰在低負(fù)荷時(shí)的顆粒排放性能最好；PAO基潤(rùn)滑油在高負(fù)荷時(shí)的顆粒排放性能最好；而CH-4潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油為 II 類油，蒸發(fā)損失率高，灰分含量高，在各種負(fù)荷下顆粒排放性能均為最差.

低灰潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油為 II 類且蒸發(fā)損失率高，但經(jīng)過(guò)特殊低灰處理后，硫酸鹽以及金屬元素等在燃燒過(guò)程中形成的灰分含量低，燃燒后形成的成核顆粒前驅(qū)物少，因而減少了顆粒數(shù)排放.特別在低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度不高，顆粒氧化燃燒不完善時(shí)，減少效果尤為明顯.隨著負(fù)荷增大，CNG潤(rùn)滑油的蒸發(fā)損失大幅升高，潤(rùn)滑油的蒸發(fā)成為形成顆粒排放的主要因素，導(dǎo)致高負(fù)荷時(shí)CNG潤(rùn)滑油的顆粒數(shù)排放性能明顯劣于PAO基潤(rùn)滑油.

因此，在低負(fù)荷工況下，降低潤(rùn)滑油的灰分含量能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)排放，而在高負(fù)荷工況下，降低潤(rùn)滑油的蒸發(fā)損失率顯得更為重要.

2.5 PAO基潤(rùn)滑油低顆粒排放的特征

以性能良好的第 III 類基礎(chǔ)油為參照物，探究高分子聚合物PAO實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低顆粒排放的潤(rùn)滑油工作參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)特征.合成PAO基潤(rùn)滑油主要成分為聚α烯烴和聚癸烯；III 為半合成潤(rùn)滑油，提煉后進(jìn)一步加氫精制，飽和烴含量在99%以上.

如圖5所示，固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 2 800 r/min，在潤(rùn)滑油工作溫度為80，95 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為 0.2，0.8 MPa時(shí)，對(duì)比研究PAO與 III 的顆粒排放性能.

由圖5(a)可見，在潤(rùn)滑油工作溫度較低且發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，PAO的顆粒排放性能相對(duì)較差；由圖5(b)可見，隨著潤(rùn)滑油工作溫度的升高，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低的工況下，PAO對(duì)應(yīng)的顆粒排放低于 III.由圖5(c)和(d)可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，不同工作溫度下PAO的顆粒排放性能均好于 III，原因可能在于為獲得更好的起動(dòng)特性，PAO的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)在起動(dòng)溫度附近低于 III(見表4)，因此在排氣過(guò)程中由于缸內(nèi)壓力的下降，附著在活塞環(huán)等縫隙處的潤(rùn)滑油被吸入燃燒室中燃燒后產(chǎn)生顆粒的量更大，然而潤(rùn)滑油高溫接近100 ℃時(shí)兩者的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)卻基本相同.

另外相比于 III，PAO中聚合烯烴含量高，高分子物質(zhì)含量更高，更穩(wěn)定，不易氧化分解.在低工作溫度、低負(fù)荷工況下，不利于進(jìn)入燃燒室內(nèi)的潤(rùn)滑油充分燃燒，從而產(chǎn)生的顆粒排放高于 III；但在高工作溫度、高負(fù)荷工況下，PAO為合成潤(rùn)滑油，成分相對(duì)單一，更容易在達(dá)到合適的高溫高壓條件時(shí)大量充分地氧化分解，而 III 為半合成的提煉礦物油，其成分復(fù)雜多樣，因而被氧化能力參差不齊，在高溫高壓條件下有一部分不易氧化分解的成分殘留.

因此，使用PAO基潤(rùn)滑油時(shí)，在低負(fù)荷工況下采用較高的潤(rùn)滑油工作溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放能得到較好抑制；在高負(fù)荷工況下，各種潤(rùn)滑油工作溫度下顆粒排放都較低.

3 結(jié)論

(1)不論使用哪種潤(rùn)滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，顆粒排放濃度峰值均降低；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，顆粒排放峰值增加.

(2)高分子合成PAO基潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)高，在較高的工作溫度下使用有利于降低各種工況下的顆粒排放.

(3)潤(rùn)滑油的灰分含量越低，顆粒排放量越少，尤其在低負(fù)荷工況下.

(4)高分子合成PAO基潤(rùn)滑油具有優(yōu)良的高負(fù)荷下的顆粒排放性能，在低負(fù)荷時(shí)提高潤(rùn)滑油的工作溫度，其顆粒排放也能得到有效抑制.