PAO基潤滑油對柴油機顆粒排放性能的影響

田 強，高 深，趙 磊，王志宇，張武高

(1.上海交通大學(xué) 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.中國石化潤滑油有限公司內(nèi)燃機潤滑研究所，北京 100085)

近年來，我國出現(xiàn)霧霾天氣的頻率越來越高，對顆粒排放控制的要求也進一步提高[1-2].柴油機的擴散燃燒方式?jīng)Q定了其顆粒排放遠(yuǎn)高于汽油機，是汽油機的30～80倍[3]，發(fā)動機負(fù)荷、燃油品質(zhì)等都會顯著影響顆粒排放；機油同樣有不可忽視的影響，柴油機的顆粒物排放中，很大一部分來自潤滑油的不完全燃燒和泄漏[4-5].由于潤滑油黏度大，揮發(fā)性低，難以充分燃燒，一部分潤滑油沒有燃燒直接轉(zhuǎn)變成油煙排出，潤滑油的消耗對柴油機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機油進行標(biāo)記，證實了機油是輕型柴油機顆粒排放的重要來源，且在高轉(zhuǎn)速時更加明顯，并進一步提出潤滑油影響發(fā)動機顆粒生成的燃燒機理和吸附機理.與車用發(fā)動機燃油相比，潤滑油分子量大，碳鏈長，黏度及表面張力大，燃油噴霧及油氣混合性能差，潤滑油液滴或潤滑油與燃料混合物進入燃燒室后，更易不完全燃燒并形成顆粒，這是潤滑油影響顆粒生成的燃燒機理；另外，在排氣過程中由于缸內(nèi)壓力下降，活塞環(huán)等縫隙處的潤滑油部分蒸發(fā)并被吸附到燃燒生成的顆粒上使得顆粒物質(zhì)量增大，這是潤滑油促進顆粒生成的吸附機理.

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

1 設(shè)備、燃料及方案

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

試驗中采用的發(fā)動機測控系統(tǒng)設(shè)備包括發(fā)動機測控系統(tǒng)、燃燒分析系統(tǒng)、顆粒采樣監(jiān)測系統(tǒng)、油耗監(jiān)測系統(tǒng)以及冷卻水潤滑油等的溫度控制系統(tǒng)等.測控系統(tǒng)設(shè)備如表2所示.

尾氣顆粒排放特性測試采用英國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.試驗用柴油為上海市售0號國五柴油,其理化特性見表3.

潤滑油一般是由決定潤滑油基本性質(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，美國石油協(xié)會(API)將常規(guī)車用基礎(chǔ)油分為 I～IV 類，隨著級別升高，黏度指數(shù)增大，性能優(yōu)秀.為研究潤滑油特性對柴油機燃燒排放特性的影響，本文配制了4種潤滑油，性能參數(shù)如表4所示(根據(jù)ASTM D2207/D2270等標(biāo)準(zhǔn)測試得到).其中：典型 II 類潤滑油(CH-4)的基礎(chǔ)油為礦物油，特殊 II 類低灰潤滑油(CNG)經(jīng)過低灰處理，一般用于天然氣發(fā)動機；加氫精制半合成潤滑油屬于 III 類潤滑油，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上；PAO為全合成潤滑油，主要成分為聚α-烯烴，屬于第 IV 類潤滑油，為滿足高等級汽車排放標(biāo)準(zhǔn)專門開發(fā).CH-4、III 和PAO這3種潤滑油基礎(chǔ)油的種類不同，添加劑相同.低灰潤滑油與CH-4潤滑油的基礎(chǔ)油一致，但使用了不同體系的添加劑配方，以達到減少潤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)動機測控系統(tǒng)設(shè)備列表Tab.2 List of engine monitor and control devices

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

表4 試驗用潤滑油理化特性Tab.4 Physical and chemical properties of lubricating oils

選取潤滑油溫度便于穩(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，研究潤滑油保持80，90，95 ℃時對發(fā)動機顆粒排放的影響.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 發(fā)動機負(fù)荷對顆粒排放的影響

選取性能優(yōu)異的PAO基潤滑油進行實驗，圖1為PAO基潤滑油在轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min、機油溫度90 ℃和不同發(fā)動機負(fù)荷時，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基潤滑油的顆粒排放濃度都隨著負(fù)荷的增大逐漸減小；低負(fù)荷時顆粒排放濃度最大，在BMEP由 0.4升至 0.6 MPa時，顆粒排放隨負(fù)荷增大而快速減少，之后隨負(fù)荷進一步增大，排放減少程度有所減弱.這是由于柴油機在低負(fù)荷工況下，過量空氣系數(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)荷進一步增大，燃燒越來越完全，但也增加了潤滑油蒸發(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，顆粒排放降低趨勢減弱.

2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對顆粒排放的影響

選取性能優(yōu)異的PAO基潤滑油進行實驗，圖2所示為在機油溫度90 ℃、BMEP分別為 0.2 和0.8 MPa這2種負(fù)荷工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速對總體顆粒排放濃度隨粒徑變化分布的影響.

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

圖3 工作溫度對潤滑油 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，噴油時刻和噴油壓力不變，燃燒的滯燃期一致，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，燃油與空氣在缸內(nèi)的混合與燃燒時間都縮短，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 潤滑油工作溫度對顆粒排放的影響

進一步分析機油溫度變化對顆粒排放的影響，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，潤滑油 III 在低負(fù)荷時顆粒數(shù)隨潤滑油溫度升高而增多，高負(fù)荷時隨潤滑油溫度升高而減少.原因在于，隨著潤滑油溫度升高，潤滑油膜的蒸發(fā)損失增大，但低負(fù)荷下蒸發(fā)后的潤滑油在燃燒室內(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)的潤滑油不同，PAO基潤滑油在各種負(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，具有阻止?jié)櫥驼舭l(fā)的效果[9]；PAO黏度指數(shù)高，運動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)為高潤滑油溫度降低了各種工況下的顆粒數(shù)排放.

可見，PAO基潤滑油適合相對高的工作溫度，在發(fā)動機高負(fù)荷工況時顆粒排放性能和減磨性能都更好，是一種優(yōu)良的低顆粒排放潤滑油.

2.4 潤滑油灰分含量對顆粒排放的影響

將CH-4、低灰和PAO基潤滑油的實驗顆粒排放進行對比，研究潤滑油中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對發(fā)動機顆粒排放的影響.低灰潤滑油為礦物提煉，屬于第 II 類基礎(chǔ)油，在250 ℃時蒸發(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潤滑油十分接近.轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min時，在高低負(fù)荷下3種潤滑油的發(fā)動機顆粒排放比較如圖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)荷時的顆粒排放性能最好；PAO基潤滑油在高負(fù)荷時的顆粒排放性能最好；而CH-4潤滑油的基礎(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.

低灰潤滑油的基礎(chǔ)油為 II 類且蒸發(fā)損失率高，但經(jīng)過特殊低灰處理后，硫酸鹽以及金屬元素等在燃燒過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)荷時缸內(nèi)溫度不高，顆粒氧化燃燒不完善時，減少效果尤為明顯.隨著負(fù)荷增大，CNG潤滑油的蒸發(fā)損失大幅升高，潤滑油的蒸發(fā)成為形成顆粒排放的主要因素，導(dǎo)致高負(fù)荷時CNG潤滑油的顆粒數(shù)排放性能明顯劣于PAO基潤滑油.

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

2.5 PAO基潤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實現(xiàn)發(fā)動機低顆粒排放的潤滑油工作參數(shù)及發(fā)動機運行參數(shù)特征.合成PAO基潤滑油主要成分為聚α烯烴和聚癸烯；III 為半合成潤滑油，提煉后進一步加氫精制，飽和烴含量在99%以上.

如圖5所示，固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速 2 800 r/min，在潤滑油工作溫度為80，95 ℃，發(fā)動機負(fù)荷為 0.2，0.8 MPa時，對比研究PAO與 III 的顆粒排放性能.

由圖5(a)可見，在潤滑油工作溫度較低且發(fā)動機負(fù)荷較小時，PAO的顆粒排放性能相對較差；由圖5(b)可見，隨著潤滑油工作溫度的升高，在發(fā)動機負(fù)荷較低的工況下，PAO對應(yīng)的顆粒排放低于 III.由圖5(c)和(d)可見，在發(fā)動機負(fù)荷較高時，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特性，PAO的運動黏度系數(shù)在起動溫度附近低于 III(見表4)，因此在排氣過程中由于缸內(nèi)壓力的下降，附著在活塞環(huán)等縫隙處的潤滑油被吸入燃燒室中燃燒后產(chǎn)生顆粒的量更大，然而潤滑油高溫接近100 ℃時兩者的運動黏度系數(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，不利于進入燃燒室內(nèi)的潤滑油充分燃燒，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為合成潤滑油，成分相對單一，更容易在達到合適的高溫高壓條件時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基潤滑油時，在低負(fù)荷工況下采用較高的潤滑油工作溫度，發(fā)動機的顆粒排放能得到較好抑制；在高負(fù)荷工況下，各種潤滑油工作溫度下顆粒排放都較低.

3 結(jié)論

(1)不論使用哪種潤滑油，發(fā)動機負(fù)荷增加，顆粒排放濃度峰值均降低；發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，顆粒排放峰值增加.

(2)高分子合成PAO基潤滑油的黏度指數(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)荷時提高潤滑油的工作溫度，其顆粒排放也能得到有效抑制.