復(fù)合清凈劑與單劑對(duì)柴油機(jī)積碳清凈性對(duì)比

魯子善，陳 思，宋應(yīng)金*，王茜昆，張 浩，岳珊珊

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 石油商品研究所，哈爾濱 150076； 2.哈爾濱石油學(xué)院， 哈爾濱 150029)

近年來(lái)，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車(chē)保有量急劇增長(zhǎng)，石化燃料燃燒、排放造成的環(huán)境污染不容忽視.可持續(xù)發(fā)展要求我們?cè)诎l(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)更要重視環(huán)境問(wèn)題[1].因此，保護(hù)環(huán)境就成為了共同關(guān)注的重要課題.

我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量逐年遞增，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量增加的同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境和健康問(wèn)題.各國(guó)學(xué)者研究表明，工業(yè)生產(chǎn)、生活取暖、交通運(yùn)輸以及建筑揚(yáng)塵是污染大氣環(huán)境的主要因素，其中交通運(yùn)輸?shù)臋C(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放在城市大氣污染中的比重不斷增加[2].機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染已經(jīng)成為主要的城市大氣污染源，對(duì)廣大群眾的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.顆粒物污染與人類(lèi)的健康有著密切的關(guān)系[3]，其中PM10和PM2.5對(duì)人類(lèi)健康影響最大.有研究表明，PM10和PM2.5隨呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體后，能引起心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等疾病,還能導(dǎo)致遺傳物質(zhì)的改變，引起癌癥和遺傳病癥[4-5].

柴油車(chē)有害物排放是造成環(huán)境污染的一個(gè)重要來(lái)源.柴油中存在的高沸點(diǎn)化合物，不飽和烴，硫、氮、氧等雜原子化合物，容易在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬表面聚合、氧化和熱分解形成沉積物，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，使柴油車(chē)尾氣污染物排放量增大[6].由于柴油機(jī)具有較高的燃油效率和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，被廣泛的應(yīng)用在陸地和海上交通運(yùn)輸中.因此，減少柴油機(jī)尾氣中排放的顆粒物，是降低道路和非道路移動(dòng)源對(duì)空氣污染的重要目標(biāo)之一[7].柴油機(jī)排放的PM主要成分有碳粒、硫酸鹽、可溶性有機(jī)成分和含金屬元素的灰分等[8-9].在柴油機(jī)尾氣排放中NOx通常包含NO與NO2兩種，其中NO占據(jù)了NOx排放的85%～95%.NO本身無(wú)毒無(wú)害，但NO隨著排氣進(jìn)入大氣后會(huì)緩慢氧化成有毒的NO2[10].控制柴油車(chē)尾氣排放是減少霧霾的有效途徑之一.

如何減少柴油機(jī)積碳，降低柴油車(chē)尾氣排放量，提高油品的經(jīng)濟(jì)性是目前研究的熱點(diǎn).柴油清凈劑可有效抑制和清除發(fā)動(dòng)機(jī)的沉積物，改善其運(yùn)行狀況，降低污染物排放，柴油清凈劑現(xiàn)已成為研究的熱點(diǎn).隨著高品質(zhì)燃油的需求，以及環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，柴油清凈劑呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[11].將柴油清凈劑添加到柴油中用于抑制或清除發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)和噴油器沉積的物質(zhì)，達(dá)到降低油耗和改善尾氣排放等功能[12-13].目前在DB11/239-2016《車(chē)用柴油》北京地方標(biāo)準(zhǔn)中明確要求銷(xiāo)售的車(chē)用柴油中應(yīng)加入標(biāo)稱(chēng)劑量以上的符合GB/T32859要求的柴油清凈劑[14].柴油的消耗量逐年增長(zhǎng)，導(dǎo)致車(chē)輛有害物的排放進(jìn)一步加劇.在不改動(dòng)車(chē)輛與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，也不增加設(shè)備的條件下，使用柴油添加劑可以改變?nèi)剂系奈镄?，使燃料充分燃燒，從而?shí)現(xiàn)節(jié)能和凈化排放[15].

本文通過(guò)模擬試驗(yàn)，分別對(duì)聚醚胺清凈劑、聚烯胺清凈劑和復(fù)合清凈劑的清凈效果進(jìn)行比較，選擇出最優(yōu)清凈效果的清凈劑,再通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)探究清凈劑對(duì)柴油車(chē)尾氣排放污染物的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試劑

設(shè)備：試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用錫柴D6110發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)表1.德國(guó)申克250 kW測(cè)功機(jī)、AVL油耗儀、噴嘴流量測(cè)試儀、烘箱、干燥器和分析天平.實(shí)車(chē)采用解放牌CA5041XXYK2612R5-3A2；具體參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 錫柴D6110發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 實(shí)車(chē)參數(shù)

試劑：國(guó)VI柴油.國(guó)VI柴油取自市場(chǎng)上常見(jiàn)的國(guó)VI柴油，經(jīng)化驗(yàn)柴油指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)《車(chē)用柴油(VI)》的要求.聚醚胺清凈劑、聚烯胺清凈劑和復(fù)合清凈劑.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 XUD-9試驗(yàn)循環(huán)

以國(guó)VI柴油為燃料，根據(jù)SH/T 0764-2005《柴油機(jī)噴嘴結(jié)焦試驗(yàn)方法(XUD-9法)》中規(guī)定的方法和技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn).將流量檢查合格的噴嘴安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，在實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求的13工況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán).觀察測(cè)量試驗(yàn)前后噴嘴的空氣流量變化的情況來(lái)判斷噴嘴處積碳的生成情況，進(jìn)而來(lái)評(píng)價(jià)柴油的清凈性.

1.2.2 試驗(yàn)用油

試驗(yàn)用油為國(guó)VI柴油.經(jīng)過(guò)化驗(yàn)柴油指標(biāo)滿(mǎn)足《車(chē)用柴油(VI)》的要求.向空白油品中加入不同比例的聚烯胺清凈單劑、聚醚胺清凈單劑和聚醚胺與聚烯胺的復(fù)合清凈劑.

1.2.3 評(píng)價(jià)方法

將流量檢查合格的清潔噴嘴安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，按照《柴油機(jī)噴嘴結(jié)焦試驗(yàn)方法》的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 h，通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)前后噴嘴的空氣流量變化來(lái)評(píng)價(jià)柴油的清凈性.試驗(yàn)結(jié)果有所有噴嘴在0.1、0.2、0.3 mm針閥行程時(shí)試驗(yàn)前后空氣流量損失率表示，評(píng)判柴油清凈性的標(biāo)準(zhǔn)只取決于所有噴嘴在0.1 mm針閥行程時(shí)空氣流量損失率的平均值.

1.2.4 臺(tái)架試驗(yàn)

用含有最佳配比清凈劑的國(guó)VI柴油為燃料，根據(jù)SH/T 0764-2005《柴油機(jī)噴嘴結(jié)焦試驗(yàn)方法(XUD-9法)》中規(guī)定的方法和技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)具體要求見(jiàn)表3，試驗(yàn)工況具體參數(shù)見(jiàn)表4.

表3 臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)工況

表4 十三工況具體參數(shù)

1.2.5 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

按照GB3847-2018《柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》中的加載減速法進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)車(chē)車(chē)型采用解放牌CA5041XXYK2612R5-3A2.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 加入聚烯胺清凈劑

向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的聚烯胺清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表5所示.

表5 加入不同量的聚烯胺清凈劑后噴嘴空氣流量損失率

由表5可知,隨著聚烯胺柴油清凈劑加入量的增多，噴嘴空氣流量損失率減小.當(dāng)添加量達(dá)到500 mg·kg-1時(shí)，噴嘴空氣流量損失已經(jīng)下降到29.7%，比不添加聚烯胺清凈劑下降了60%.可以看出聚烯胺柴油清凈劑具有降低噴嘴空氣流量損失的效果.

2.1.2 加入聚醚胺清凈劑

向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的聚醚胺清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表6所示.

表6 加入不同量的聚醚胺清凈劑

由表6可以看出，隨著聚醚胺柴油清凈劑加入量的增多，噴嘴空氣流量損失率減小.聚醚胺清凈劑也具有減少?lài)娮炜諝饬魇Я繐p失的效果.當(dāng)添加量達(dá)到500 mg·kg-1時(shí)，噴嘴空氣流量損失已經(jīng)下降到31.9%，比不添加聚烯胺清凈劑下降了57.8%.

結(jié)合表5、6可知,雖然聚烯胺清凈劑和聚醚胺清凈劑都具有降低噴嘴空氣流失量損失的效果，但是當(dāng)添加量達(dá)到500 mg·kg-1時(shí)，聚烯胺清凈劑比聚醚胺清凈劑的清凈效果更好一些.

2.1.3 加入不同量的以不同比例混合的復(fù)合型清凈劑

1)向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為1∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表7所示.

表7 加入不同量的烯胺∶醚胺為1∶1的復(fù)合型柴油清凈劑

由表7可知,向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為1∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，在加入量相同的情況下，噴嘴空氣流量損失小于加入聚烯胺單劑和聚醚胺單劑.當(dāng)添加量達(dá)到500 mg·kg-1時(shí)，噴嘴空氣流量損失為29.6%.

2)向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為1∶2的復(fù)合型柴油清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表8所示.

由表8可知,向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為1∶2的復(fù)合型柴油清凈劑，其清凈效果比加入烯胺∶醚胺為1∶2的復(fù)合型柴油清凈劑要好，噴嘴空氣流量損失要更小一些.效果最好的添加量為500 mg·kg-1，其相應(yīng)噴嘴空氣流量損失為28.3%.

表8 加入不同量的烯胺：醚胺為1∶2的復(fù)合型柴油清凈劑

3)向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為2∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表9所示.

表9 加入不同量的烯胺∶醚胺為2∶1的復(fù)合型柴油清凈劑

由表9可知：向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為2∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，效果最好的為添加量為500 mg·kg-1時(shí)，噴嘴空氣流量損失為27.4%.

4)向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為3∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，試驗(yàn)后噴嘴空氣流量損失率如表10所示.

表10 加入不同量的烯胺∶醚胺為3∶1的復(fù)合型柴油清凈劑

由表10可知：向符合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)Ⅵ柴油中加入不同量的烯胺∶醚胺為3∶1的復(fù)合型柴油清凈劑，效果最好的為為添加量為500 mg·kg-1時(shí)，噴嘴空氣流量損失為26.1%.

綜上所述，由表5～10可知，在添加量相同的情況下，聚烯胺和聚醚胺復(fù)合型清凈劑的清凈效果要比聚烯胺清凈單劑和聚醚胺清凈單劑的噴嘴空氣流量損失要小.復(fù)合型清凈劑的清凈效果要比單劑的清凈效果更好一些.添加量為500 mg·kg-1時(shí)，烯胺∶醚胺為3∶1的復(fù)合型柴油清凈劑的噴嘴空氣流量損失最小，清凈效果最好.選取該配比的復(fù)合型柴油清凈劑進(jìn)行臺(tái)架和實(shí)車(chē)試驗(yàn).

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.2.1 顆粒質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化

1)當(dāng)η為2 100 r/min時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化如表11所示.

表11 顆粒質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化

2)當(dāng)η為3 500 r/min時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化如表12所示.

表12 顆粒質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化

2.2.2 HC排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

1)當(dāng)η為2 100 r/min時(shí)，HC排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表13所示.

表13 HC排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

2)當(dāng)η為3 500 r/min時(shí)，HC排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表14所示.

表14 HC排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

2.2.3 CO排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

1)當(dāng)η為2 100 r/min時(shí)，CO排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表15所示.

表15 CO排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

2)當(dāng)η為3 500 r/min時(shí)，CO排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表16所示.

表16 CO排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

2.2.4 NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

1)當(dāng)η為2 100 r/min時(shí)，NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表17所示.

表17 NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

2)當(dāng)η為3 500 r/min時(shí)，NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化如表18所示.

表18 NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的變化

由表11和表18中的變化率可知，當(dāng)η為2 100 r/min時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度、HC排放體積分?jǐn)?shù)、CO排放體積分?jǐn)?shù)都有明顯的降低，NOx排放體積分?jǐn)?shù)無(wú)明顯變化.當(dāng)η為3 500 r/min時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度、HC排放體積分?jǐn)?shù)、CO排放體積分?jǐn)?shù)都有明顯的降低，NOx排放體積分?jǐn)?shù)無(wú)明顯變化.

2.3 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果如表19所示.

表19 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

由表19可得出，在加入了復(fù)合清凈劑后，在最大輪邊功率的100%點(diǎn)、90%點(diǎn)和80%點(diǎn)的光吸收系數(shù)明顯小于未加入復(fù)合清凈劑在該點(diǎn)的光吸收系數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值1.2.說(shuō)明復(fù)合清凈劑對(duì)于減少發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，降低尾氣排放、改善大氣環(huán)境有著非常積極的作用.

3 結(jié) 論

1)聚烯胺清凈劑、聚醚胺清凈劑和聚醚胺與聚烯胺的復(fù)合清凈劑都具有清凈效果，聚烯胺清凈單劑的清凈效果相比于聚醚胺清凈單劑的清凈效果更好一些.

2)聚烯胺與聚醚胺的復(fù)合清凈劑對(duì)柴油機(jī)積碳的清凈效果更優(yōu)于清凈單劑，當(dāng)添加量為500 mg·kg-1時(shí)，烯胺∶醚胺為3∶1的復(fù)合型柴油清凈劑的噴嘴空氣流量損失最小，清凈效果最好.

3)聚烯胺與聚醚胺的復(fù)合清凈劑能夠明顯減少顆粒質(zhì)量濃度、HC排放體積分?jǐn)?shù)和CO排放體積分?jǐn)?shù)，但NOx排放體積分?jǐn)?shù)減少變化不明顯.如何降低NOx排放體積分?jǐn)?shù)，是日后攻克的難點(diǎn)所在.