生物機(jī)油添加劑對柴油機(jī)氣態(tài)污染物和顆粒物排放的影響

劉澤民，鮑曉峰，姚鵬，李凱，朱仁成

中國環(huán)境科學(xué)研究院移動(dòng)源研究基地，北京　100012

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生物機(jī)油添加劑對柴油機(jī)氣態(tài)污染物和顆粒物排放的影響

劉澤民，鮑曉峰*，姚鵬，李凱，朱仁成

中國環(huán)境科學(xué)研究院移動(dòng)源研究基地，北京100012

摘要通過柴油機(jī)臺架試驗(yàn)對某種生物機(jī)油添加劑進(jìn)行排放性試驗(yàn)，確定其對柴油機(jī)尾氣中各類污染物排放的影響。試驗(yàn)過程依據(jù)GBT 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》和GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》，選定轉(zhuǎn)速為2 000 rmin進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，對尾氣中的CO、THC(total hydro carbons)、NOspan及顆粒物進(jìn)行采集分析。結(jié)果表明：使用該生物機(jī)油添加劑后，CO和THC比排放量變化不大，只在低負(fù)荷時(shí)略有降低，最高可降低15%左右；NOspan比排放量有一定程度的升高，最多可升高15%；顆粒物比排放量降低較為明顯，最大可削減53%；使用添加劑后，低負(fù)荷下可削減20～100 nm顆粒物的數(shù)濃度，中負(fù)荷下顆粒物數(shù)濃度排放變化不明顯，高負(fù)荷下對20 nm以下和50 nm以上的顆粒物數(shù)濃度有削減作用，而20～50 nm的顆粒物數(shù)濃度會(huì)略有增加；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，粒徑分布圖中顆粒物數(shù)濃度最大值會(huì)逐漸變大，粒徑范圍變窄，并向粒徑較小的方向移動(dòng)，使用添加劑會(huì)減緩該變化趨勢。

關(guān)鍵詞柴油機(jī)；機(jī)油；生物機(jī)油添加劑；CO；THC；NOspan；顆粒物

Study on the Effect of the Bio-lubricating-oil-additive on the Gaseous Pollutants and Particulate Matter Emissions of Diesel Engine

LIU Zemin, BAO Xiaofeng, YAO Peng, LI Kai, ZHU Rencheng

Innovation Research Base of Mobile Sources Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

AbstractThe influence of the bio-lubricating-oil additive was determined by the emission experiment of the diesel engine bench test. The test procedure followedRoadvehicles-enginetestcode-performance(GBT 18297-2001) andLimitsandmeasurementmethodsforexhaustpollutantsfromcompressionignitionandgasfuelledpositiveignitionenginesofvehicles(Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ) (GB 17691-2005). The engine speed of 2 000 rmin was chosen to conduct the load characteristic test, with CO, THC, NOxand particulate matter in the exhaust gas collected and analyzed. The results show that the specific THC and CO brake specific emissions generally change little, and decreased only at low load, with the maximum reduction of about 15%. The specific NOxbrake specific emission increased to a certain extent, with a maximum of rate 15%. The specific particulate concentration could be reduced significantly, with maximum rate of 53%. After using the additive, the particle number concentration of 20-100 nm can be reduced at low load, the particle number concentration does not change obviously at medium load, the particle number concentrations below 20 nm and above 50 nm will be reduced at high load, while the particle number concentration of 20-50 nm will be slightly increased. With the increase of the engine load, the particle size distribution map will gradually increase and become narrow and shift to the left, and the use of additives will mitigate the trend.

Key wordsdiesel engine; lubricating oil; bio-lubricating-oil additive; CO; THC; NOx; particulate matter

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2014年中國機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)》[1]統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年機(jī)動(dòng)車污染物排放總量達(dá)4 570.9萬t，其中NOx為640.6萬t，THC(total hydro carbons)為431.2萬t，CO為3 439.7萬t，顆粒物為59.4萬t。機(jī)動(dòng)車排放的污染物中，90%以上的NOx及顆粒物中70%以上的HC和CO都來源于汽車。汽車排放物中，柴油車排放的NOx接近70%，排放的顆粒物超過90%[2-5]。

隨著國家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和燃料特性的要求越發(fā)嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)外凈化技術(shù)不斷革新，車用燃油油品的特性也不斷改善，研究逐漸轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油性能對機(jī)動(dòng)車排放的影響[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油由基礎(chǔ)油和添加劑組成：基礎(chǔ)油是潤滑油的主要成分，決定潤滑油的基本性質(zhì)；添加劑則可以彌補(bǔ)和改善基礎(chǔ)油性能方面的不足，賦予某些新的性能，是潤滑油的重要組成部分。添加劑的主要類型包括清凈劑、分散劑、抗氧抗腐劑、極壓抗磨劑、油性劑、摩擦改進(jìn)劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、防銹劑、降凝劑、抗泡劑、抗乳化劑和乳化劑等[7]。使用摩擦改進(jìn)劑可改善發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油性能，通過降低摩擦和提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率等方法達(dá)到減排的目的。機(jī)油添加劑的作用機(jī)理大多相同，主要含有銅、鋅、鎢、鈣和鉬等金屬成分，以潤滑油為載體，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在氣缸、活塞、軸瓦和連桿機(jī)構(gòu)等所有磨損、劃傷、凹陷和裂紋處聚集以形成動(dòng)態(tài)保護(hù)層，在高溫高壓下令磨損部位光滑且強(qiáng)硬，以此來降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的摩擦，提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的密封，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保和延長使用壽命的功能[7-12]。羅仁芝等[13]對納米WS2機(jī)油添加劑進(jìn)行研究，該添加劑的作用機(jī)理是提高基礎(chǔ)油的減摩性能和極壓抗磨性能，使用該添加劑后，在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載下均能在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx和顆粒物的濃度。Wang等[14]研究了某種機(jī)油添加劑對柴油機(jī)顆粒物排放的影響，結(jié)果表明，使用添加劑后顆粒物的組成和排放都發(fā)生了變化，其結(jié)構(gòu)更加松散，構(gòu)成中出現(xiàn)了更多的灰分和揮發(fā)性組分。Wang等[15]研究了抗磨添加劑對柴油機(jī)尾氣中顆粒物的影響，結(jié)果表明，使用添加劑后會(huì)產(chǎn)生更多凝聚態(tài)顆粒物，微觀上會(huì)產(chǎn)生更多團(tuán)聚形態(tài)的顆粒物。

目前，研究大多集中于使用機(jī)油添加劑后，汽車尾氣中氣態(tài)污染物排放的變化趨勢，對顆粒物排放影響的試驗(yàn)較少，并且大多集中在顆粒物濃度或形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，對細(xì)顆粒物數(shù)濃度和粒徑分布的研究較少，尤其是對超細(xì)顆粒物(ultrafine particles，UFP，d≤100 nm)和納米級顆粒物(nanoparticles，NP，d≤50 nm)的研究較少。大氣中的細(xì)顆粒物是顆粒物數(shù)濃度的主要貢獻(xiàn)源，同體積下細(xì)顆粒物具有較大的表面積，消光性較強(qiáng)，會(huì)影響大氣的能見度，導(dǎo)致光化學(xué)煙霧，加劇溫室效應(yīng)，并且細(xì)顆粒物會(huì)隨著呼吸深入人體肺部，在肺泡及其他肺部組織中沉積，也有可能進(jìn)入人體的血液或者免疫系統(tǒng)中，導(dǎo)致人體的免疫系統(tǒng)和心肺疾病等，嚴(yán)重的還有可能誘發(fā)癌變。由此可見，大氣中細(xì)顆粒物排放已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人體健康和生態(tài)安全，研究細(xì)顆粒物的有關(guān)變化和相關(guān)治理方案顯得越發(fā)重要[16]。

筆者采用某種生物機(jī)油添加劑，考察其作為摩擦改進(jìn)劑對發(fā)動(dòng)機(jī)原有機(jī)油性能的提升，通過測試其排放特性驗(yàn)證其提升效果，著重考察該添加劑對柴油機(jī)顆粒物排放的影響。

1試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1試驗(yàn)對象

1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為全順2.8 L直列四缸電控高壓共軌柴油機(jī)，滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，帶有增壓中冷和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，具體參數(shù)見表1。

表1　試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.1.2燃料和機(jī)油

試驗(yàn)用燃料為符合國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油，該柴油的理化特性見表2。為了控制變量，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，使用同一批柴油。

試驗(yàn)用機(jī)油為美孚黑霸王重負(fù)荷機(jī)油，為控制變量，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，使用同一規(guī)格和同一型號的機(jī)油。該機(jī)油的特點(diǎn)和潛在效益包括控制油泥與沉淀，減少油耗和防止磨損，清潔發(fā)動(dòng)機(jī)并延長其使用壽命，延長墊片和密封件的使用壽命。該機(jī)油的主要理化特性見表3。

表2　試驗(yàn)用柴油的理化特性

1)以KOH計(jì)；2)20 ℃下測得。

表3　美孚黑霸王機(jī)油理化特性

1)40 ℃下測得；2)100 ℃下的測得；3)以KOH計(jì)；4)15 ℃下測得。

1.1.3機(jī)油添加劑

選取某種生物機(jī)油添加劑作為試驗(yàn)對象。該添加劑的主要功效為降低油耗和減少尾氣排放。其工作原理是以機(jī)油為載體，可吸附于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁等金屬表面，形成保護(hù)層，降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)摩擦，還可清除機(jī)械表面的積炭，延長機(jī)油更換時(shí)間。制備方法是以天然植物材料為主體，采用納米生物化學(xué)技術(shù)合成。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)環(huán)境及所使用的本底柴油和機(jī)油保證不變，試驗(yàn)前放空機(jī)油后加入新的機(jī)油進(jìn)行本底試驗(yàn)，本底試驗(yàn)后再一次放空機(jī)油加入混合有添加劑的機(jī)油，進(jìn)行24 h的耐久試驗(yàn)，確保帶有添加劑的機(jī)油充分潤滑發(fā)動(dòng)機(jī)后再進(jìn)行對比試驗(yàn)。在相同試驗(yàn)條件下，每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行3次試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)后，剔除異常數(shù)據(jù)取平均值作為最終結(jié)果，如果3次試驗(yàn)結(jié)果差別較大，則進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。此外，負(fù)荷采用功率來表示，功率由扭矩點(diǎn)換算得到。

1.3分析方法

顆粒物取樣稀釋通道為Horiba公司的MDLT1302TMA，稀釋倍數(shù)為4～50倍，顆粒物在經(jīng)過稀釋通道后由特氟龍膜采集；顆粒物數(shù)濃度由TSI公司的SMPS粒徑譜儀采集；尾氣中的氣體組分由Horiba公司的MEXA7100D排氣分析儀進(jìn)行組分分析，主要測定尾氣中CO、CO2、THC、NOx和O2濃度。

2結(jié)果與討論

2.1使用添加劑對氣態(tài)污染物的影響

2.1.1CO和THC

圖1　使用添加劑前后CO比排放量的變化Fig.1　CO brake specific emission of base oil and additive

圖2　使用添加劑前后THC比排放量的變化Fig.2　THC brake specific emission of base oil and additive

使用添加劑前后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO和THC的比排放量如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，在中負(fù)荷和高負(fù)荷工況下，CO和THC的比排放量沒有明顯變化；而在低負(fù)荷下，使用添加劑后CO比排放量最大降低了16%，THC最大降低了13%，產(chǎn)生最大削減量的點(diǎn)均為所測工況點(diǎn)中負(fù)荷最低(44 N·m)的點(diǎn)。

氣體排放物中的CO和THC的比排放量沒有明顯變化，這是由于柴油機(jī)為擴(kuò)散燃燒，受淬熄效應(yīng)和油膜及積炭吸附效應(yīng)的影響很小，且柴油機(jī)運(yùn)行的大部分工況都屬于高空燃比燃燒，燃料可以充分燃燒，CO和THC的比排放量本身偏低，產(chǎn)生的主要原因是油氣混合不均勻，因此潤滑油對其比排放量的影響并不明顯。

2.1.2NOx

使用添加劑前后尾氣中的NOx比排放量如圖3所示。從圖3可以看出，使用添加劑后，NOx的比排放量整體呈上升趨勢，最高增至15%。NOx的排放主要是由于高溫和富氧2個(gè)因素造成的，使用添加劑后，增加了機(jī)油與氣缸壁的吸附效果，提高了活塞與氣缸壁之間機(jī)油油膜的質(zhì)量，密封效果更好，從而提高了缸內(nèi)的溫度和壓力，燃燒的峰值溫度也有所增加，因此促進(jìn)了NOx的生成。但總體來說，添加劑對柴油機(jī)NOx的比排放量影響較小。

圖3　使用添加劑前后NOx比排放量的變化Fig.3　NOx brake specific emission of base oil and additive

2.2使用添加劑對顆粒物的影響

2.2.1顆粒物比排放量

使用添加劑前后尾氣中顆粒物比排放量如圖4所示。從圖4可以看出，使用添加劑后顆粒物比排放量有一定的下降，在中低負(fù)荷下削減量最大，可達(dá)30%～40%；在滿負(fù)荷狀態(tài)下，使用添加劑前后顆粒物比排放量變化不大。

圖4　使用添加劑前后顆粒物比排放量的變化Fig.4　Mass concentration of particulate matter brake specific emission of base oil and additive

機(jī)油特性對顆粒物比排放量的影響較為明顯。其中，排放的顆粒物80%以上為凝聚態(tài)，由炭煙(DS)、可溶性有機(jī)成分(SOF)和硫酸鹽組成；5%～20%為粗模態(tài)顆粒物，來源于燃燒室和排氣系統(tǒng)中積炭的脫落等[18]。使用添加劑后，提升了活塞與氣缸間機(jī)油油膜的效果，提高了潤滑性和密封性。一方面缸內(nèi)壓力和溫度升高，燃料燃燒更加完全，未燃組分減少；另一方面由于機(jī)油分子構(gòu)成較柴油分子量更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，燃燒后更易形成凝聚態(tài)顆粒物，提高密封性可減少機(jī)油蒸汽進(jìn)入氣缸的現(xiàn)象，減輕燒機(jī)油的狀況，從而降低了顆粒物濃度。

2.2.2顆粒物數(shù)濃度

對機(jī)動(dòng)車顆粒物比排放量貢獻(xiàn)較大的是積聚態(tài)顆粒物，即粒徑(Dp)相對較大的顆粒物，而對于顆粒物數(shù)濃度貢獻(xiàn)較大的都集中于粒徑較小的顆粒物，即核模態(tài)顆粒物，尤其集中在超細(xì)顆粒物和納米顆粒物這2個(gè)粒徑范圍內(nèi)。

為研究顆粒物數(shù)濃度，采用SMPS對粒徑段為5.83～228.80 nm的顆粒物進(jìn)行采集計(jì)數(shù)。為分析UFP和NP的變化情況，進(jìn)一步將粒徑劃分為4組：Dp≤20 nm，20 nm100 nm[19]。使用添加劑后，4組顆粒物數(shù)濃度和幾何平均粒徑(Geo. Mean)隨負(fù)荷的變化規(guī)律見圖5。由圖5可知，顆粒物粒徑大都集中在100 nm以下，20～50 nm的顆粒物最多；在低負(fù)荷和中負(fù)荷工況下，20 nm以下和50～100 nm的顆粒物數(shù)濃度相差不大；在高負(fù)荷工況下，20 nm以下的顆粒物逐漸增多，與20～50 nm的顆粒物數(shù)濃度相當(dāng)，50～100 nm的顆粒物逐漸減少?？梢婋S著負(fù)荷的升高，核模態(tài)顆粒物逐漸增加。

圖5　使用添加劑前后在不同粒徑范圍的顆粒物數(shù)濃度分布Fig.5　Particle number concentration of base oil and additive lubricating oil in different sizes

使用機(jī)油添加劑后，低負(fù)荷下對顆粒物數(shù)濃度有比較明顯的削減，尤其是對20～50和50～100 nm的顆粒物數(shù)濃度產(chǎn)生了較大的削減作用；中負(fù)荷和高負(fù)荷下，使用添加劑對顆粒物總數(shù)濃度的削減效果不明顯；高負(fù)荷下使用添加劑對20 nm以下的顆粒物數(shù)濃度有比較明顯的削減，但會(huì)增加20～50 nm的顆粒物數(shù)濃度。

由于使用添加劑后，

在中負(fù)荷工況下顆粒物數(shù)

濃度并沒有很明顯的變化，為進(jìn)一步分析該添加劑對顆粒物數(shù)濃度的影響，在低負(fù)荷和高負(fù)荷下分別選取工況點(diǎn)進(jìn)行粒徑分布的分析。70和190 N·m工況下顆粒物的粒徑分布見圖6和圖7。2個(gè)工況下顆粒物數(shù)濃度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

圖6　70 N·m工況下使用添加劑前后顆粒物的粒徑分布Fig.6　The particle size distribution of base lubricatingoil and additive lubricating oil in 70 N·m

圖7　190 N·m工況下使用添加劑前后顆粒物的粒徑分布Fig.7　The particle size distribution of base lubricating oil and additive lubricating oil in 190 N·m

表4　70和190 N·m工況下尾氣中顆粒物數(shù)濃度統(tǒng)計(jì)

從圖6、圖7和表4可以看出，在低負(fù)荷和高負(fù)荷工況下，顆粒物粒徑均呈單峰分布；低負(fù)荷下使用添加劑前后顆粒物峰值粒徑分別為39.95和32.20 nm；高負(fù)荷下使用添加劑前后顆粒物峰值粒徑分別為26.60和30.72 nm。由圖5～圖7可知，在低負(fù)荷工況下，使用添加劑后可減少顆粒物數(shù)濃度，且粒徑分布圖中顆粒物數(shù)濃度最大值較低；在高負(fù)荷工況下，使用添加劑后會(huì)增加顆粒物數(shù)濃度，且粒徑分布圖中顆粒物數(shù)濃度最大值較高。總的來說，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，顆粒物的數(shù)濃度會(huì)增加，幾何平均粒徑減小，因此粒徑分布圖中顆粒物數(shù)濃度最大值會(huì)逐漸變大，粒徑范圍會(huì)逐漸變窄，且向粒徑較小的方向移動(dòng)，在使用添加劑后，這種變化程度會(huì)減小。

為進(jìn)一步闡述顆粒物數(shù)濃度的變化趨勢，分別分析核模態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物的數(shù)濃度變化。在低負(fù)荷工況下，使用添加劑后核模態(tài)顆粒物增加，積聚態(tài)顆粒物減少，粒徑分布圖中峰值向粒徑較小的方向偏移，中值粒徑、平均粒徑、幾何平均粒徑、峰值粒徑和顆粒物總數(shù)濃度均有所降低；在高負(fù)荷工況下，使用添加劑后核模態(tài)顆粒物減少，積聚態(tài)顆粒物增加，粒徑分布圖中峰值向粒徑較大的方向偏移，中值粒徑、平均粒徑、幾何平均粒徑、峰值粒徑和顆粒物總數(shù)濃度均有所升高。綜合來看，使用添加劑后，可縮小粒徑的變化幅度，保證顆粒物數(shù)濃度大多集中在20～50 nm，避免發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生過大或者過小的顆粒物。

3結(jié)論

(1)使用某生物機(jī)油添加劑后，CO和THC的比排放量沒有明顯變化，在低負(fù)荷工況下略有降低。

(2)使用添加劑會(huì)使NOx的比排放量有一定升高。

(3)使用添加劑后，顆粒物比排放量有較為明顯的削減。

(4)使用添加劑后，低負(fù)荷下可以削減20～100 nm的顆粒物數(shù)濃度，中負(fù)荷下顆粒物數(shù)濃度排放變化不明顯，高負(fù)荷時(shí)對20 nm以下和50 nm以上的顆粒物數(shù)濃度有削減作用，而20～50 nm的顆粒物數(shù)濃度會(huì)略有增加。

(5)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，粒徑分布圖中顆粒物數(shù)濃度會(huì)逐漸變大，粒徑范圍變窄，并向粒徑較小的方向移動(dòng)，使用添加劑會(huì)使這種變化趨勢減緩。

(6)機(jī)油添加劑對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，主要集中在對顆粒物的影響上，對氣態(tài)污染物的影響效果不明顯。

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中圖分類號:X511；X513

文章編號:1674-991X(2016)02-0157-06

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.023

作者簡介:劉澤民(1991—)，男，碩士，主要從事機(jī)動(dòng)車排放控制研究，15210560502@163.com*責(zé)任作者:鮑曉峰(1956—)，男，研究員，博士，主要從事機(jī)動(dòng)車排放控制研究，baoxf@craes.org.cn

收稿日期:2015-11-24