柴油机排放对机油性能要求的研究

发布于:2021-09-18 11:18:23

柴油机排放对机油性能要求的研究

一、汽车尾气排放的危害 在日益严峻的全球环境问题上,尤为突出的问题就是全球气温转暖,即全球 温室效应,这一效应不但严*苹祷肪臣吧*衡,而且对人体的健康也带来了 极大的危害。今年 6 月份在德国举行的备受瞩目的八国集团首脑会议上,如何遏 制全球气候变化是最为重要的议题。德国欲说服八国领导人达成《新气候框架协 议》 ,即在 2050 年之前限制全球温度上升在两摄氏度以内,并将温室效应气体排 放量减为 1990 年排放总量的一半。因此,控制汽车尾气排放是减排的重要课题 之一,这是全球的趋势。美国、日本和欧洲等发达国家和地区是这个趋势的领先 者,他们将在 2010 年开始执行更加严格的车用柴油发动机的排放标准,届时与 2002 年相比氮氧化合物(NOX)和微粒物质(PM)的排放将减少 90%以上。 在发动机排放中主要的成分是:氮氧化合物、微粒物质、一氧化碳和碳氢化 合物,其中前两者是主要的污染物质,对环境的污染以及对人体健康的危害是极 大的: 氮氧化合物:可以形成二次污染物如臭氧,它可以造成肺部及呼吸系统 失调 微粒物质:悬浮在空气中影响可见度;可以导致肺部及心脏疾病;可以 增加致癌的概率 一氧化碳:与*中的血红蛋白结合,降低人体氧气输送能力;可以导 致头痛、眩晕等问题 碳氢化合物:可以导致眼睛、喉咙、肺部过敏炎症,而且有毒且致癌。

二、汽车尾气排放标准越来越严格 世界各地对汽车排放的要求越来越严格, 以下是欧美地区汽车排放标准 的发展历程:

欧洲汽车排放标准
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年份 1992 年(欧 I) 1996 年(欧 II) 2000 年(欧 III) 2005 年(欧 IV) 2009 年(欧 V)

汽油机( 汽油机(g/km) 柴油机(g/km) ) 柴油机( ) CO NOx HC NOx PM 2.8 1.0 8.0 0.36 2.3 0.3 8.0 0.25 2.3 0.15 0.2 5.0 0.10 1.0 0.08 0.1 5.0 0.02 2.0 0.02

年份 1991 年 1996 年 2000 年 2004 年 2007 年

CO 2.6 2.6 2.1 1.06 1.06

美国汽车排放标准 汽油机( ) 汽油机(g/km) NOx HC 0.75 0.25 0.38 0.193 0.19 0.16 0.125 0.078 0.125 0.078

柴油机( 柴油机(g/km) ) NOx PM 6.8 0.34 6.8 0.13 5.4 0.13 2.7 0.13 0.27 0.013

随着我国汽车工业的发展,控制机动车污染已成为我国环境保护的重要问 题。汽车排放的控制也有了明确的总体目标:我国将在 2007 年和 2010 年分别实 施国家第三、第四阶段机动车排放标准,到 2010 年实现与国际控制水*接轨。 我国汽车排放标准参照的是欧洲排放标准。 1999 年开始实施国 I 相当于欧 I) 自 ( 排放标准,同年停止了含铅汽油的生产和使用,并不再生产化油器汽车,目前国 内大多数地区都已经实行了汽车国 II(相当于欧 II)排放标准,自 2007 年 7 月 1 日起国 III(相当于欧 III)排放标准将在全国大范围内实施,但由于受限于我国 汽车工业的发展水*以及国 III 燃料油的生产水*,同时设置了两年的过渡期。 在前一年,欧 II 的汽车不得再上市出售,第二年还允许出售不带 OBD 的满足国 III 标准的汽车,所以真正意义上开始实施国 III 标准的时间是 2009 年 7 月 1 日。

三、为减少排放而采取的措施 为了达到更严格的要求,一套系统的、典型的标准是必不可少的,这同时也 要求各界的“协同作战” ,即能源部门、燃油、润滑油和添加剂供应商、设备制 造商以及政府等部门共同努力。 汽油发动机的排放物主要是 CO,HC 和 NOx,而柴油发动机的排放物主要 。世界各地的发动机生产厂商都在不断致力于减排这一 是 NOx 和 PM(颗粒物)
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问题,可谓是“八仙过海,各显其能” 。 从技术层面上看无非是减少发动机本身产生的排放物(机内净化)和对已经 产生的排放物进行处理(机外净化)这样两个办法来实现减排。 以柴油发动机为例,排放物中的 NOx 和 PM 处于一种*衡关系。NOx 主要 是在燃烧过程中, 空气中 78%含量的氮气在高温下转化成 NOx, 温度低于 1600℃ 时不明显,而高于此温度时 NOx 将迅速增加,而高温将有利于减少 PM 的形成, 因此,在各种减排技术当中针对这两种物质进行有所侧重的处理。 目前世界上最新研发的机内净化的技术措施有改进发动机设计 (采用四阀门 缸盖使喷油位置处于燃烧室中心,提高机体承压能力以便于采用废气再循环 EGR 技术等) ;改善燃烧工况(优化喷油控制,改进燃烧室设计,提高喷油压力, 减小喷油嘴孔径等) ;改进进气系统(增加涡轮增压及空气增压中冷技术,采用 可变几何形状的涡轮增压技术,它可以通过对 EGR 的控制来改善发动机空燃比 的瞬态控制等) ;改善喷油系统(提高喷油压力,改善喷油雾化情况,实现多次 喷射和采用共轨技术等) ;采用逻辑电控技术(可以精确地控制实现稀释燃烧, 预混控制压燃点火-PCCI,低温燃烧-LTC 和均相混合压燃点火等各种新技术)等 五个方面。 Cummins、Mack、Detroit Diesel 提供了外部废气再循环技术,Caterpillar 使 用了内部废气再循环技术及 ACERT 技术, International 则引领了发动机新技术的 开发,提高柴油机汽缸最高压力,使用“绿色柴油技术” ,柴油发动机带有颗粒 催化过滤器等技术以达到美国更加严格的排放标准等都是一些具体的技术项目。 在机外净化方面,对于柴油机来说主要是减少 NOx 和 PM 两个方面的不同 技术措施。具体的后处理技术可以参见图一所示。在柴油机产生的颗粒物中有大 约 30%是可溶性有机馏分 (SOF) 其余的事固态颗粒物。 , 柴油氧化催化器 (DOC) 就是一种降低颗粒物的后处理装置,它同时可以减少 CO 和 HC 化合物,但是它 对于颗粒物的减少能力在 30%以下。颗粒采集器 DPF 可以更多的降低排放中的 颗粒物,它有主动再生和被动再生之分,效率在 40% - 90%。人们根据排气流动 方式有时也把它分为直流式颗粒物采集器(PF-DPF – 它可以降低颗粒物排放 50%-80%) 和壁流式颗粒物采集器 (WF-DPF – 它可以减少颗粒物排放 85%以上) 两类。每类还有许多不同技术的各种产品。

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对于排气中的 NOx,可以用选择性还原催化器 SCR(通过排放物与尿素水 溶液反应,把 NOx 变为氨气和水来吸收掉,最高转换效率可达 90%,目前是应 用比较广泛的一种减少 NOx 的后处理技术) ;氮氧化合物催化器 LNC 和氮氧化 合物捕集器等三种类型的后处理技术。

后处理装置按照功能分类图
减少 NOx 和颗粒 物的后处理技术

颗粒物

NOx

DOC(SOF)

DPF(颗粒物)

SCR

LNC

LNT

错误! 错误

主动再生式 的 DPF

被动再生式 的 DPF

降低排放的措施除了上面谈到的从发动机内外两方面的改进着手, 力求通过 发动的高效燃烧和排出到大气之前的处理来降低排放外, 燃料油和发动机润滑油 的品质也是致关重要的。 其中非常重要的一条就是需要更高标准的发动机燃料油 和润滑油必需能够做到低 SAPs,即低磷、低硫、低灰分发动机油和低硫的燃料 油。

以下就这些减排技术分别加以概述: ? 发动机制造技术的改进: 发动机制造技术的改进: 汽缸内排放技术已经用来减少排放,这种技术包括改进喷射器设计、改变喷 射时间、改善燃烧室设计、提高喷射压力以及新的活塞设计等。 增加最高燃烧压力:燃料喷射压力增加可以减少颗粒物排放。提高燃料喷射 压力在发动机设计上主要采用了高压共轨的设计以取代直列多柱塞泵的设计, 喷

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射压力可提高 60%。高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传 感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼 此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管 (Rail), 通过公共供油管内的油压实现精确控制, 使高压油管压力(Pressure)大小 与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程 度。 卡*だ展镜 ACERT 技术: 高级燃烧减排技术 (Advanced Combustion Emission Reduced Technology)使用 HEUI(液压驱动电子控制泵-喷嘴)燃 油喷射系统, ,引用高级电子喷油定时控制、变换,使用内部废气再循环技术来 达到降低排放的目的。 ACERT 技术依靠空气管理、精确燃烧、先进的电子装置 和有效的后处理这四个系统相互配合以降低颗粒物、 氮氧化物和碳氢化合物的排 放,同时保持发动机的可靠性和耐久性,从而保持较低的运营成本。 活塞设计的改变:典型的单体铝活塞设计由于活塞与缸体之间的间隙较大 且一环的位置较低,燃烧死区大,造成颗粒物排放较高。而两体组合式活塞可以 大大改善这一问题。 ? 废气再循环和尾气再处理装置: 废气再循环和尾气再处理装置: 尾气处理技术的发展可分为以下几个阶段:在没有排放要求或排放要求比较 低时无需任何处理装置;采用 EGR 和 ACERT 技术可以满足较高排放标准的要 求;采用 DPF 及 SCR 后处理技术可以满足更高的排放要求。 EGR(废气再循环系统 exhaust gas recycle) :增加 EGR 循环比率将降低燃 烧温度从而减少 NOx 排放(如下图所示),其基本原理是: ?将一部分废气再循环进入燃烧室取代 O2, 从而减少与 N2 反应 ?部分废气再循环进入燃烧室后,相当于加入惰性气体,降低了燃烧温度 峰值 ?同时点火延迟也降低了燃烧压力峰值 ?低 O2 含量, 低压力和低温度 = 低 NOx

EGR 比率与烟炱和 NOx 含量的关系图

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冷却 EGR 系统是将废气通过冷却后再进入燃烧室,从 660℃降到 190℃。 除了卡*だ眨渌姆⒍圃焐潭夹冀褂酶案哐繁壤钡睦 却 EGR 系统,以达到 2007 年的 NOX 排放需求。现在的冷却 EGR 发动机是把约 10%—15%的 EGR 气体重新进入进气系统,而在更“高循环比例”的 EGR 里, 这个数值将达到约 30%—35%。但由于废气循环量将导致酸性物质的增加,增加 了烟炱和锈蚀问题,影响换油期。以下图表是在 M11 高烟炱试验当中对比采用 EGR 和不采用 EGR 对 TBN 值的影响,结果表明,采用 EGR 使 TBN 值降低较 快而缩短了换油周期。
E G R 装置对 T B N 的影响
M11-EGR M11

废油与新油的TBN 比率 废油与新油的TBN TBN比率 (% )

100 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 350

测试时间( 小时 ) 测试时间 (

:DPF 装置可以将残余物捕集 DPF(颗粒捕集器 Diesel Particulate Filter)

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起来,这些残余物质主要是固体碳黑、硫酸盐灰分、可溶性有机物(部分未完全 燃烧的燃料或机油) 。微粒分析显示多数微粒的直径大约在 0.4μm-8μm。这些 残余物的主要来源是燃料和润滑油,固体碳黑、可溶性有机物(部分未完全燃烧 的燃料或机油) 可以通过再生技术处理掉。 硫酸盐灰分造成的堵塞是不可再生的, 其主要来源是燃料中的硫和润滑油中的钙、硫和磷。 通过对柴油客车测试的检测表明:如果燃油消耗量相对恒定,新润滑油的硫 酸盐灰分和过滤器上微粒的是成比例的。 通过对过滤器上物质的研究我们发现不 燃物主要是硫酸钙,以及较小数量的 Zn2P2O7(锌焦磷酸) ,两者约占不燃物的 80 wt-%。 由于吸附的微粒物质会形成背压,背压增加会改变空燃比,增加烟炱,降低 燃料经济性。如果卡车没有背压传感器,在行驶 50,000-120,000 英里就需要进行 清洁以防止背压积累。

:是一个铂催 CDPFs(催化颗粒捕集器 Catalyze Diesel Particulate Filter) 化剂床构成的烟炱过滤器,是将尾气中的 NO 经铂催化剂生成 NO2,后者与烟 炱中的 C 反应产生 CO2 和 N2,以达到减少颗粒物排放的目的。 其作用原理如下: NO + 1/2 O2 NO2 + C NO2 + C NO2 NO + CO ( 在DPF中) 1/2 N2 + CO2 (在 DPF 中)

不管高循环比例的冷却 EGR 系统或者 ACERT 是否被使用,所有的发动机 生产厂家都宣布他们将引进催化微粒捕捉器 (CDPFs) 以达到 2007 年美国的 PM 标准。 SCR(选择性催化转化器 Selective Catalytic Reduction) :是欧洲国家主要 采用的降低排放的方案,此设计的燃料经济性较好,但需要加装尿素装置,体积 比较大。其作用原理是: 4 NO + 4 NH3 + O2 NO + NO2 + 2 NH3 6 NO2 + 8 NH3 4 N2 + 6 H2O 2 N2 + 3 H2O 7 N2 + 12 H2O

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CDPFs和SCR的普遍应用带来了另一个课题就是:如何保证他们的正常工 作呢? 首先,由于硫酸盐灰分是构成不燃颗粒物的主要成分,而硫酸盐灰分主要 来自于润滑油中的清净分散剂,因此世界各地对润滑油中的灰分要求越来越严 格,到2010年,润滑油中的灰分不大于1%,甚至要降到0.5-0.6%范围内。 其次,由于CDPFs中使用的催化剂大部分是贵金属,油品中的硫会造成催 化剂中毒,目前硫的主要来源是燃料油和润滑油添加剂,因此各国在不断更新柴 亚洲、 单位: 亚洲、欧洲和美国当前以及未来柴油中硫含量发展趋势 单位:ppm 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 5000 孟加拉 2000 柬埔寨 500 50 中国香港 2500 500 350 印度 5000 印度尼西亚 5000 100 50 日本 500 <10 韩国 500 3000 500 马来西亚 5000 5000 巴基斯坦 10000 2000 500 菲律宾 5000 2000 中国 5000 500 新加坡 3000 3000 斯里兰卡 10000 500 350 中国台湾 3000 500 350 泰国 2500 2000 500 越南 10000 15 美国 500 350 50 10 欧洲 油中的硫含量要求。各国对柴油中的硫含量要求趋势如下:

当柴油中的硫降到15ppm时, 润滑油中的硫含量在燃烧过程中的影响就非常 显著了,因此严格控制机油中的硫含量也是减排技术的要求,到2010年,硫含 量要降到0.4%以下。 最后,SCR装置对磷和硫的含量也有限制。相对CDPFs技术,SCR技术对 燃油中的硫含量和润滑油中的磷含量有一定的适应度,到2010年,要求磷含量 降到0.12%。

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?

燃料油的要求: 燃料油的要求: 为了减少排放和适应新的排放技术,要求柴油中的硫大大降低。柴油中的硫

可以使尾气处理装置催化剂中毒以造成排放失控;可以形成硫酸盐灰分,直接造 成不燃物质增加;可以腐蚀发动机,降低发动机的寿命,缩短换油周期。 1994 年,美国把燃料中硫含量由 1993 年 5000ppm 降到了 500ppm。2006 年为了满足 OEM 的要求降到 15ppm。硫含量在 15ppm 以下的柴油被称为“超低 硫柴油 ULSD” ,加氢精制工艺可用于减少柴油的硫含量和生产 ULSD,相对于 普通柴油有较低的密度和较高的十六烷值。美国环境保护署(EPA)要求逐步实 施 15ppm 的硫含量的标准。从 2006 年到 2010 年按 80:20 的比例。在 2006 年 6 月以前 80%的车辆必须采用硫含量 15ppm 以下的 ULSD。剩下的 20%在 2006 年 6 月到 2010 年 1 月之间逐步实施。 但是 EPA 调查发现到 2006 年 6 月车辆用柴油 95%以上是 ULSD, 2010 年, 到 车用柴油和非车用柴油都将采用 15ppm 的 ULSD。 从目前的情况看, 中国的可以满足国 III 排放标准的汽油和柴油规格大约要 到 2009 年底才会实施。

四、柴油机油的未来 为了满足日益严格的汽车尾气排放标准, 以及更好地延长发动机外净化装置 的使用寿命,对柴油机油的要求也越来越严格。总体要求是使用低 SAPs 机油, 即低磷、低硫、低灰分机油。 ? 要求更好的性能: 更好的抗磨性能 更好的碱值保持性 更好的锈蚀保护性能 更好的抗氧化性能 更好的烟炱分散能力 更好的控制涡轮增压器中沉积物的产生 更好的油耗控制更好的剪切稳定性 更好的燃料经济性要求 ? 更严格的化学成分指标:到 2010 年,机油对以下几个成分的要求标准如下:

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灰分:max1.0%,为了延长 DPF 的寿命 硫含量:max0.4%,以防止 DOC 失活,减少颗粒物 磷含量:max0.12%,以防止 DOC 失活以及防止 NOX 控制系统失活, 挥发性:可能维持在 13% ? 逐渐趋向使用高质量基础油:在未来的几年内,随着优质基础油的需求增大, 使得众多的 I 类油生产厂关闭。在今后的 10 年中,这将会造成全球约 20 亿 磅基础油的缺口,这个缺口将由 GTL 基础油(gas-to-liquids)所填补。到 2015 年,全球 GTL 基础油将占约 25%的市场份额。GTL 基础油原料是天然气, 不同于其它的 II 类和 III 类基础油的生产工艺。GTL 技术是将天然气转变为 合成气后再进一步转变为燃油及润滑油基础油。 GTL 基础油基于其几乎零 硫、氮、芳烃含量,以及几乎完全为异构烷烃的结构特点,表现出优异的氧 化安定性、低温性能,较低的 NOACK 蒸发损失和高的黏度指数,能够满足 市场对于更高性能基础油的增长要求。目前,GTL 基础油的生产工艺已发展 到能够制备从 2cSt 到大于 9cSt 的较大跨度的黏度级别(100℃) ,甚至可以生 产高黏度级别的光亮油。

五、柴油机排放启示录 综上所述,在柴油机排放方面我们可以得到如下启示: ? ? 我们应以前瞻性的思维来对待柴油发动机排放的后处理问题。 我国的机油等级可以实行蛙跳策略,跳过某些级别,缩小与世界润滑油技术级 别的差距。 ? 我国柴油的硫含量高, 尾气处理系统可以考虑采用对硫不是很敏感的 SCR 技 术。 ? 加强技术攻关,尽快淘汰高油耗、高排放、低效率的柴油机。

排放是关系到国计民生的大事,柴油机行业、炼油行业、润滑油行业和添 加剂行业,必须进行跨行业跨学科的合作。

参考文献

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1. James A.McGeehan, Gary M.Parsons, Diesel Engines have a future and that future is clean……but nothing is free. THE 11TH ANNUAL FUELS&LUBES ASIA CONFERENCE ,2005. 2. Ruud Vebeek, Mack van Aken, Maarten Verkivl.DAF Euro-4 heavy duty diesel . engine with TNO EGR system and CRT particulates filter. 2000 Automotive Engineer:2001-01-1947. 3. Sam Thomas. July 2006. Heavy Duty Diesel Engine Oil Trends. China Customer Seminar Society of

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