不同比例潤滑油對柴油機細顆粒物排放的影響*

劉兵 雷良育，3 許廣舉 李林豐 董亮

（1.浙江農(nóng)林大學；2.常熟理工學院；3.浙江兆豐機電股份有限公司）

近年來，環(huán)境與能源問題成為了當今世界的兩大主題。2012年，我國開始實施國Ⅴ排放標準，力求大幅度降低常規(guī)污染物排放[1]。2014年，為進一步降低NOx和HC的排放，歐盟對新車型式認證實行歐6b標準。文獻[2]在試驗中分離了柴油燃燒微粒中的煙塵及可溶性有機物，并分析了可溶性有機物的產(chǎn)生原因，試驗顯示潤滑油燃燒對細顆粒物排放中可溶性有機物的生成有著很大影響。文章通過柴油機臺架試驗，研究在怠速工況下不同質(zhì)量比例潤滑油對燃燒顆粒物形貌特征和粒徑分布的影響。

1 試驗設(shè)備及研究方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗發(fā)動機采用YN-4100QBZL-2型柴油機，四沖程增壓中冷，壓縮比為17.5，標定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，標定功率為80 kW[3]。潤滑油采用美孚江鈴全能IV潤滑油，質(zhì)量水平為API CI-4，黏度等級為SAE 15W-40。

本次試驗采用中/近紅外全譜彩屏汽柴油分析儀分析添加潤滑油之后試驗用油品質(zhì)的變化情況，為之后的排放試驗提供理論依據(jù)。使用JSM-7001F掃描電子顯微鏡對采樣的顆粒物進行觀察，可以通過得到的形貌特征圖直觀地分析微粒的物化特征。

1.2 試驗方案

將潤滑油與柴油按5種不同比例進行混合，潤滑油占混合燃料的質(zhì)量比例分別為0%，1%，2%，3%，4%。將混合燃料置于柴油機臺架上進行怠速工況試驗。圖1示出柴油機臺架試驗布置圖。

圖1 柴油機臺架試驗布置圖

2 混合油品數(shù)據(jù)

2.1 十六烷值

圖2示出不同比例潤滑油混合柴油中十六烷值的變化曲線。從圖2可以看出，柴油中潤滑油的質(zhì)量比例越大，十六烷值也越高。純柴油的十六烷值為47.5，當潤滑油摻入質(zhì)量比為4%時，十六烷值達到了54.3，上升趨勢明顯。十六烷值過高的柴油低溫流動性、霧化與蒸發(fā)性能均受影響，燃料霧化不充分以致滯燃期過短，部分燃料不能夠進行完全燃燒，顆粒物排放也因此增加。所以，潤滑油加入燃燒將在一定程度上增加細顆粒物的排放，排放量也會隨燃燒中潤滑油質(zhì)量比例的變大而呈上升趨勢。

圖2 不同比例潤滑油混合柴油中十六烷值的變化曲線

2.2 芳香烴含量

圖3示出不同比例潤滑油混合柴油中芳香烴含量的變化曲線。從圖3中可以看出，混合燃油中芳香烴含量隨著潤滑油質(zhì)量比例增大也呈現(xiàn)一定的上升趨勢。純柴油的芳香烴含量為14.2，當潤滑油摻入質(zhì)量比為4%時，芳香烴含量為16.2。芳香烴對柴油機排放的影響主要有2個方面：一是芳香烴的碳氫比例較高，燃燒過程中會使得火焰溫度變高，從而使顆粒物排放中NOx增多；二是芳香烴燃燒會生成碳煙，這會惡化顆粒物的排放[4]。潤滑油摻入質(zhì)量比提高導致芳香烴含量提高，所以細顆粒物排放也隨之增加。

圖3 不同比例潤滑油混合柴油中芳香烴含量的變化曲線

2.3 T90含量

圖4示出不同比例潤滑油混合柴油中T90的變化曲線。從圖4可以看出，隨著潤滑油的增加，柴油T90（90%質(zhì)量蒸發(fā)完）也隨之提高。純柴油的T90為324.7℃（蒸發(fā)90%質(zhì)量需要的溫度），摻入潤滑油之后T90上升明顯，但是隨著潤滑油摻入質(zhì)量比的增加，這一趨勢比較平緩。柴油中的重質(zhì)成分霧化不良，燃燒不完全，容易在燃燒室中產(chǎn)生積碳，惡化顆粒物的排放。所以，潤滑油質(zhì)量的增加使得重質(zhì)餾分增加，細顆粒物排放也隨之增加。

圖4 不同比例潤滑油混合柴油中T90的變化曲線

3 柴油機排放細顆粒物形貌特性與粒徑分布試驗數(shù)據(jù)

3.1 顆粒物的形貌特征

選取純柴油、摻混1%質(zhì)量潤滑油的柴油以及摻混2%質(zhì)量潤滑油的柴油，充分混合后進行臺架試驗。采集柴油機怠速工況時排氣中的顆粒物，樣品采集完成后，采用聚四氟乙烯濾膜采集燃燒后的顆粒物，對樣品表面進行噴金處理。顆粒物內(nèi)部微觀組織采用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和分析，放大倍數(shù)最高可達到50萬倍，分辨率為1.2 nm（30 kV）/3.0 nm（1 kV）。然后采用圖像統(tǒng)計方法分析顆粒物的平均粒徑。

圖5示出用電子顯微鏡放大6萬倍得到的3種不同摻混比例燃料燃燒顆粒物的形貌特征圖。從圖5中可以清楚地看出，燃燒顆粒物主要呈鏈狀和團狀結(jié)構(gòu)；隨著潤滑油摻入質(zhì)量的增加，燃燒排放的顆粒物聚集度也升高了。所以，潤滑油消耗增加會使得燃燒顆粒物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒物之間排列更緊密。

圖5 3種燃料燃燒顆粒物的微粒形貌

3.2 粒徑分布特征

本試驗采用圖像統(tǒng)計的方法計算排放顆粒物的平均粒徑，將摻混不同質(zhì)量比例潤滑油的混合柴油燃燒之后產(chǎn)生的顆粒物的粒徑劃分為 50，45，40，35，30 nm 5個級別。顆粒物的平均粒徑定義為：

式中：DM——顆粒物的平均粒徑，nm；

Di——第i級顆粒物的粒徑，nm；

Ni——第i級微粒的個數(shù)；

N——微粒的總個數(shù)。

圖6示出潤滑油摻入質(zhì)量比不同的混合柴油燃燒排放顆粒物的粒徑分布圖。從圖6中可以看出，混合柴油排放顆粒物的粒徑呈近似正態(tài)分布特征，主要集中分布在40 nm，約占總數(shù)目的48%。

圖6 柴油顆粒物粒徑分布特征

圖7示出3種潤滑油摻混質(zhì)量比不同的燃料排放顆粒物的平均粒徑情況。從圖7中可以看出，3種燃料中潤滑油摻混質(zhì)量比越高，排放顆粒物平均粒徑也越大；純柴油的顆粒物平均直徑為30 nm，摻混2%質(zhì)量潤滑油的柴油顆粒物平均直徑為52 nm。所以，潤滑油對柴油機排放細顆粒物粒徑也會產(chǎn)生一定影響，隨著潤滑油燃燒比例增加，產(chǎn)生的顆粒物粒徑變大。

圖7 3種燃料顆粒物的平均粒徑

4 結(jié)論

將不同質(zhì)量比例的潤滑油和柴油摻混燃燒，利用燃油品質(zhì)分析儀以及掃描電子顯微鏡分別對燃油品質(zhì)和燃燒顆粒物的形貌粒徑進行觀察和分析得出：

1）根據(jù)油品分析的結(jié)果，可以看出十六烷值、芳香烴含量及T90都隨著潤滑油質(zhì)量的增加有上升的趨勢，而這三者的上升必然從本質(zhì)上導致細顆粒物的增加。這表明潤滑油參與燃燒會對柴油機細顆粒物排放產(chǎn)生一定影響，并且隨潤滑油消耗量的增加顆粒物排放也隨之增加。

2）從燃料燃燒產(chǎn)生的排放顆粒物形貌變化可以看出，隨著潤滑油摻混質(zhì)量比例的增加，顆粒物的團聚程度也變高，這就意味著潤滑油參與燃燒的消耗量越多，產(chǎn)生的顆粒物也就越多。從粒徑分布情況也可以看出，潤滑油會影響排放顆粒物的粒徑，潤滑油摻混質(zhì)量比例越高，粒徑越大。