納米金剛石發(fā)動機(jī)油明顯改善尾氣排放

張文剛,張書達(dá)

(天津乾宇超硬科技股份有限公司，天津 300384)

1 前言

我國及世界的環(huán)保形勢日漸嚴(yán)峻，其中車輛尾氣排放是重要影響因素之一[1]。許多人研究了車輛正常行駛中的尾氣排放規(guī)律[2-5]。同樣的，工程機(jī)械[6]和船舶[7]的尾氣排放亦應(yīng)引起高度重視。

目前普遍認(rèn)為減排最有效的措施就是加裝尾氣催化器。本文指出了其局限性。

使用密封性好的發(fā)動機(jī)油確實(shí)可以改善尾氣排放。將納米微粒加入到發(fā)動機(jī)油中，可以改善潤滑油的性能。已公開發(fā)表的納米微粒有多種，如納米軟金屬，納米金屬氧化物或硫化物，納米無機(jī)金屬硼酸鹽、磷酸鹽、鈦酸鹽、碳酸鹽等。其中納米陶瓷和多種上述納米顆粒的混合物效果較好[8-12]。相比之下，納米金剛石發(fā)動機(jī)油更具有獨(dú)特優(yōu)勢。它不僅使發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性明顯改善，而且使排放性亦明顯改善。它使汽車尾氣中的主要有害成分都得到大幅降低，這是其它減排措施很難與之相比的[13]。

2 尾氣中主要污染物及其危害

機(jī)動車在行駛過程中，汽油、柴油等化學(xué)燃料總會有部分燃燒不完全，因而排放出各種成分復(fù)雜的污染物，主要為一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸镆约案鞣N粒徑的顆粒物。其中，氮氧化物、碳?xì)浠衔镌陟o風(fēng)、逆溫等特定條件下，經(jīng)強(qiáng)烈陽光照射，還會轉(zhuǎn)化為光化學(xué)氧化物等二次污染物，進(jìn)而形成危害更大的光化學(xué)煙霧。尾氣中HC的種類多達(dá) 200多種，不乏包含3.4-苯并芘等致癌物質(zhì)[14]。

機(jī)動車尾氣中的顆粒污染主要是碳煙和其它微粒等。輕型柴油車在高怠速和低怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下,其尾氣碳煙粒的粒徑范圍在15nm到30μm之間[15]，由于它具有多孔隙性和吸附活性的特點(diǎn)，能攜帶大量微生物和重金屬等有害物質(zhì)進(jìn)入人體，苯并芘等強(qiáng)致癌物也常常存在于碳煙中。柴油機(jī)的微粒成分比汽油機(jī)更復(fù)雜,數(shù)量也比汽油機(jī)多30～60倍。

3 減少排放的措施

第一種是機(jī)內(nèi)控制法。這種方法是對發(fā)動機(jī)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和設(shè)計(jì)，使發(fā)動機(jī)內(nèi)的可燃混合氣充分和高效地燃燒，從而達(dá)到減少有害氣體排放的目的。但此法對于大量的現(xiàn)在正在行駛的車輛不適用。

第二種是機(jī)外控制法。被廣泛地認(rèn)為最有效措施之一的就是加裝尾氣催化器。尾氣催化器通常含有三元催化劑，分別氧化HC、CO及還原NOx。但這些措施對減少排放的顆粒物基本無效。

第三種是改善氣缸密封性法。它是介于機(jī)內(nèi)和機(jī)外之間的，使用密封性極好的發(fā)動機(jī)油，即通過改善氣缸密封性而大幅降低排放，它同時可明顯減少多種主要的排放物。這一顛覆性創(chuàng)新是投資少見效快的最佳方案，但目前尚未引起人們的足夠重視，甚至被一些專家否定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，使用納米金剛石發(fā)動機(jī)油后與之前相比，氣缸壓力明顯提高，這足以說明密封性得到改善。臺架試驗(yàn)發(fā)動機(jī)氣缸壓力從0.45提高到0.58MPa；一輛長安車在正常行駛中，缸壓由0.7～0.8MPa提高到1.25MPa。缸壓的提高不僅使發(fā)動機(jī)的輸出功率增加，節(jié)省燃油，而且必然會使尾氣排放得到改善。為便于運(yùn)輸和出口，我們研制了納米金剛石發(fā)動機(jī)油精。將其作為發(fā)動機(jī)油添加劑按2%～5%加入到市售的發(fā)動機(jī)油中即可起納米金剛石發(fā)動機(jī)油的奇特功效。

4 納米金剛石發(fā)動機(jī)油可大幅降低尾氣排放

由于它使滑動摩擦變成滾動摩擦，因而具有獨(dú)特的減摩抗磨效果。潤滑油使用周期是原來的2～4倍，這本身就是對環(huán)保的重大貢獻(xiàn)。

軍事交通學(xué)院汽車試驗(yàn)中心的臺架測試數(shù)據(jù)表明，納米金剛石發(fā)動機(jī)油可使發(fā)動機(jī)怠速排放碳?xì)浠锝档?0%，氮氧化物降低20.5%[17]。

在用汽油車穩(wěn)態(tài)加載排放試驗(yàn)的檢測中：一輛京FP xx69的切諾基BJ7250EA，排量2.5升，已行駛73442km，2003-07-07登記，使用本品后在北京中美機(jī)動車排放檢測場于2015-07-29檢測，結(jié)果見表1[18]。

表1 在用汽油車穩(wěn)態(tài)加載排放試驗(yàn)檢測報(bào)告Table 1 Test Report of Steady-State Loading Emission Test

機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)油品檢驗(yàn)評定中心檢驗(yàn)柴油機(jī)煙度由86.0%降至68.8%，相對減少20.0%[18]。

前幾年有輛已行駛80萬公里的夏利1.3出租車(魯ET xx86)，雖經(jīng)兩次大修，但燒機(jī)油仍很嚴(yán)重，機(jī)油耗率為1.5L/1000km(不包括更換機(jī)油)，所排尾氣甚污；改用本品后，機(jī)油消耗率驟降至0.03 L/1000km(僅相當(dāng)于原來的2.0%)，已達(dá)我國新車標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)然尾氣污染也解決了。可見本品對減排環(huán)保之功效極佳。發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗主要有兩種方式：定期更換油箱中的機(jī)油；行車中一部分機(jī)油在發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒。后者是造成大氣污染的重要原因。使用納米金剛石發(fā)動機(jī)油就可使這一污染大大降低。

2004年9月6日用天津交管局的津Oxx610TJ7100U型夏利車試驗(yàn)，該車發(fā)動機(jī)號為No.96040958，已行駛5.4萬km。清洗發(fā)動機(jī)后更換的發(fā)動機(jī)油是日本三菱進(jìn)口原裝BPS彼得士SF/CD SAE40，同時更換三濾。加入納米金剛石發(fā)動機(jī)油精前后進(jìn)行對比，均在同一尾氣檢測線檢測，變化見圖1，其間行駛不足1km，發(fā)動機(jī)未做任何調(diào)整。過量空氣系數(shù)λ的測量值由0.860提高到0.926。一般說來其值越接近1，則經(jīng)濟(jì)性和排放性越好。HC和CO分別降低54.0%和18.1%，CO2提高18.75%。CO2增加與CO減少是基本相對應(yīng)的，將劇毒的CO變?yōu)闊o毒的CO2是大好事。

圖1 納米金剛石發(fā)動機(jī)油精有效改善尾氣排放(夏利車)Fig.1 Nano-Diamond Engine Oil Essence Effectively Improves Tail Gas Emissions (Car Brand: Xiali)

2016年3月23日北京理工大學(xué)汽車動力性及排放測試國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室對一輛長城牌M4型汽車排放進(jìn)行檢測，試驗(yàn)時車輛行駛里程：27968～29563km。測試結(jié)果表明不僅尾氣中4種主要成分全部降低，而且還使油耗降低了2.87%。CO、HC、NOx和CO2分別降低18.44%、2.46%、19.15%和2.77%(圖2)。

圖2 納米金剛石發(fā)動機(jī)油精有效改善尾氣排放(長城車)Fig.2 Nano-Diamond Engine Oil Essence Effectively Improves Tail Gas Emissions (Car Brand: Great Wall)

由于車輛型號非常多，工況差別很大，測試儀器多種多樣，故測量數(shù)據(jù)不可能相同，但納米金剛石發(fā)動機(jī)油明顯改善排放的結(jié)論是一致的。

5 比較

5.1 機(jī)內(nèi)控制法

權(quán)威人士估計(jì)，國家對汽車排放每提高一個級別，發(fā)動機(jī)制造廠需要投入約10億元資金及3年科研攻關(guān)時間。此法對絕大多數(shù)的現(xiàn)用車輛無效。

5.2 機(jī)外控制法

目前普遍認(rèn)為最有效的方法是加裝尾氣催化器，其中含有三元催化劑，但它的缺欠不少。

在冷啟動階段，由于催化劑沒有達(dá)到正常的工作溫度，車輛會產(chǎn)生較多的排放。隨著燃油硫含量的增加，N2O排放量上升；隨著行駛里程的增加，N2O排放劣化[19]。

選擇性催化還原(SCR)作為降低柴油機(jī)NOX排放手段，在催化劑作用下使其中的NOx部分還原成N2和水。300℃時轉(zhuǎn)化率為36%，450℃時為54%,并且還需有尿素水溶液噴射[20]。SCR成功的關(guān)鍵因素有二：一是排氣與NH3充分混合；二是按進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的NOx濃度及去除率嚴(yán)格控制NH3的噴入量。在反應(yīng)過程中，還原反應(yīng)并不完全，不參加反應(yīng)的部分NH3會隨排氣從煙道逸出。NH3本身也是一種大氣污染物。催化劑也會隨時間的增加而喪失活性，因此必須定期更換。

尾氣中CO和HC需要氧化劑，而NOx需要還原劑；NOx的還原劑通常使用尿素水溶液。尿素結(jié)晶一直是有待攻克的難題。氨泄漏率一般為(50～220)×10-6(體積分?jǐn)?shù))[21]。這又形成新的污染源。

此外，催化劑對硫、鉛、磷、鋅等元素非常敏感，它們會使三元催化器失效，即慢性中毒。硫和鉛來自燃油，磷和鋅來自潤滑油。

既使是同樣的發(fā)動機(jī)，同樣的三元催化轉(zhuǎn)化器，車型不同，發(fā)動機(jī)常用的工作區(qū)間就不同，排氣狀況就發(fā)生變化，安裝三元催化器的位置就不同，這都會影響三元催化轉(zhuǎn)化器的催化轉(zhuǎn)化效果。因此，不同的車輛，應(yīng)使用不同的尾氣催化器。

但無論何種三元催化劑均不能明顯減少碳羽(碳顆粒形成的煙塵)，即煙度不會明顯降低。

5.3 改善氣缸密封性

氣缸密封性得到改善主要是由于納米金剛石潤滑油油膜承載能力大幅提高。在市售Mobil 1049(ISO 68密度0.876g/cm3)油中，加入納米金剛石油精2%～3%，可使油膜承載能力提高約1.5倍[22]，見圖3。以納米金剛石為骨架的潤滑油膜極難被破壞，因而密封性明顯改善。

以納米金剛石為骨架的油膜很難被破壞，這就使發(fā)動機(jī)氣缸的密封性空前提高。它會使燃燒更完全，氣缸缸壓提高，發(fā)動機(jī)輸出功率提高，節(jié)約燃油；同時尾氣中的污染物就會明顯減少。這種減少是全方位的，即不僅HC、CO和NOx減少，碳顆粒物亦同時減少。

圖3 加入納米金剛石油精后Mobil 1049油膜承載能力大幅提高Fig.3 Mobil 1049 oil film bearing capacity increased significantly with nano-diamond engine oil essence

6 結(jié)論

為減少車輛排放對大氣污染的影響，加裝尾氣催化器是有效措施之一，但亦有其局限性：如對顆粒物基本無效，催化劑必須定期更換并可能會引起中毒，不同的車輛應(yīng)使用不同的尾氣催化器。

使用納米金剛石發(fā)動機(jī)油可明顯改善氣缸密封性，從而可同時減少車輛尾氣排放的各種有害物質(zhì)，是減少大氣污染的有力措施，立竿見影。如與尾氣催化器聯(lián)用則效果更佳，并可延長催化劑使用壽命。推廣使用這一顛覆性創(chuàng)新是減少車輛尾氣排放投資少見效快的最佳方案。