不同比例潤滑油對柴油機(jī)細(xì)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(xué)；2.常熟理工學(xué)院；3.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司）

近年來，環(huán)境與能源問題成為了當(dāng)今世界的兩大主題。2012年，我國開始實(shí)施國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，力求大幅度降低常規(guī)污染物排放[1]。2014年，為進(jìn)一步降低NOx和HC的排放，歐盟對新車型式認(rèn)證實(shí)行歐6b標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2]在試驗(yàn)中分離了柴油燃燒微粒中的煙塵及可溶性有機(jī)物，并分析了可溶性有機(jī)物的產(chǎn)生原因，試驗(yàn)顯示潤滑油燃燒對細(xì)顆粒物排放中可溶性有機(jī)物的生成有著很大影響。文章通過柴油機(jī)臺架試驗(yàn)，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(yàn)設(shè)備及研究方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)采用YN-4100QBZL-2型柴油機(jī)，四沖程增壓中冷，壓縮比為17.5，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，標(biāo)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(yàn)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(yàn)用油品質(zhì)的變化情況，為之后的排放試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)方案

將潤滑油與柴油按5種不同比例進(jìn)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(jī)臺架上進(jìn)行怠速工況試驗(yàn)。圖1示出柴油機(jī)臺架試驗(yàn)布置圖。

圖1 柴油機(jī)臺架試驗(yàn)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(dāng)潤滑油摻入質(zhì)量比為4%時(shí)，十六烷值達(dá)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(jìn)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(xì)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(dāng)潤滑油摻入質(zhì)量比為4%時(shí)，芳香烴含量為16.2。芳香烴對柴油機(jī)排放的影響主要有2個(gè)方面：一是芳香烴的碳?xì)浔壤^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(dǎo)致芳香烴含量提高，所以細(xì)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(xì)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(jī)排放細(xì)顆粒物形貌特性與粒徑分布試驗(yàn)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(jìn)行臺架試驗(yàn)。采集柴油機(jī)怠速工況時(shí)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(jìn)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(dá)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(jì)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(tuán)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(yàn)采用圖像統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)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(gè)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(gè)數(shù)；

N——微粒的總個(gè)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(jī)排放細(xì)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(jìn)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(dǎo)致細(xì)顆粒物的增加。這表明潤滑油參與燃燒會對柴油機(jī)細(xì)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(tuán)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。