生物机油添加剂对柴油机气态污染物和颗粒物排放的影响

刘泽民，鲍晓峰，姚鹏，李凯，朱仁成

中国环境科学研究院移动源研究基地，北京　100012



生物机油添加剂对柴油机气态污染物和颗粒物排放的影响

刘泽民，鲍晓峰*，姚鹏，李凯，朱仁成

中国环境科学研究院移动源研究基地，北京100012

摘要通过柴油机台架试验对某种生物机油添加剂进行排放性试验，确定其对柴油机尾气中各类污染物排放的影响。试验过程依据GBT 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》和GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，选定转速为2 000 rmin进行发动机负荷特性试验，对尾气中的CO、THC(total hydro carbons)、NOspan及颗粒物进行采集分析。结果表明：使用该生物机油添加剂后，CO和THC比排放量变化不大，只在低负荷时略有降低，最高可降低15%左右；NOspan比排放量有一定程度的升高，最多可升高15%；颗粒物比排放量降低较为明显，最大可削减53%；使用添加剂后，低负荷下可削减20～100 nm颗粒物的数浓度，中负荷下颗粒物数浓度排放变化不明显，高负荷下对20 nm以下和50 nm以上的颗粒物数浓度有削减作用，而20～50 nm的颗粒物数浓度会略有增加；随着发动机负荷增加，粒径分布图中颗粒物数浓度最大值会逐渐变大，粒径范围变窄，并向粒径较小的方向移动，使用添加剂会减缓该变化趋势。

关键词柴油机；机油；生物机油添加剂；CO；THC；NOspan；颗粒物

Study on the Effect of the Bio-lubricating-oil-additive on the Gaseous Pollutants and Particulate Matter Emissions of Diesel Engine

LIU Zemin, BAO Xiaofeng, YAO Peng, LI Kai, ZHU Rencheng

Innovation Research Base of Mobile Sources Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

AbstractThe influence of the bio-lubricating-oil additive was determined by the emission experiment of the diesel engine bench test. The test procedure followedRoadvehicles-enginetestcode-performance(GBT 18297-2001) andLimitsandmeasurementmethodsforexhaustpollutantsfromcompressionignitionandgasfuelledpositiveignitionenginesofvehicles(Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ) (GB 17691-2005). The engine speed of 2 000 rmin was chosen to conduct the load characteristic test, with CO, THC, NOxand particulate matter in the exhaust gas collected and analyzed. The results show that the specific THC and CO brake specific emissions generally change little, and decreased only at low load, with the maximum reduction of about 15%. The specific NOxbrake specific emission increased to a certain extent, with a maximum of rate 15%. The specific particulate concentration could be reduced significantly, with maximum rate of 53%. After using the additive, the particle number concentration of 20-100 nm can be reduced at low load, the particle number concentration does not change obviously at medium load, the particle number concentrations below 20 nm and above 50 nm will be reduced at high load, while the particle number concentration of 20-50 nm will be slightly increased. With the increase of the engine load, the particle size distribution map will gradually increase and become narrow and shift to the left, and the use of additives will mitigate the trend.

Key wordsdiesel engine; lubricating oil; bio-lubricating-oil additive; CO; THC; NOx; particulate matter

根据环境保护部发布的《2014年中国机动车污染防治年报》[1]统计数据，2013年机动车污染物排放总量达4 570.9万t，其中NOx为640.6万t，THC(total hydro carbons)为431.2万t，CO为3 439.7万t，颗粒物为59.4万t。机动车排放的污染物中，90%以上的NOx及颗粒物中70%以上的HC和CO都来源于汽车。汽车排放物中，柴油车排放的NOx接近70%，排放的颗粒物超过90%[2-5]。

随着国家排放标准的不断提高，对发动机技术和燃料特性的要求越发严格，发动机机内外净化技术不断革新，车用燃油油品的特性也不断改善，研究逐渐转向发动机机油性能对机动车排放的影响[6]。

发动机机油由基础油和添加剂组成：基础油是润滑油的主要成分，决定润滑油的基本性质；添加剂则可以弥补和改善基础油性能方面的不足，赋予某些新的性能，是润滑油的重要组成部分。添加剂的主要类型包括清净剂、分散剂、抗氧抗腐剂、极压抗磨剂、油性剂、摩擦改进剂、黏度指数改进剂、防锈剂、降凝剂、抗泡剂、抗乳化剂和乳化剂等[7]。使用摩擦改进剂可改善发动机机油性能，通过降低摩擦和提高发动机热效率等方法达到减排的目的。机油添加剂的作用机理大多相同，主要含有铜、锌、钨、钙和钼等金属成分，以润滑油为载体，发动机运行时，在气缸、活塞、轴瓦和连杆机构等所有磨损、划伤、凹陷和裂纹处聚集以形成动态保护层，在高温高压下令磨损部位光滑且强硬，以此来降低发动机运行时的摩擦，提高发动机内的密封，从而达到节能环保和延长使用寿命的功能[7-12]。罗仁芝等[13]对纳米WS2机油添加剂进行研究，该添加剂的作用机理是提高基础油的减摩性能和极压抗磨性能，使用该添加剂后，在不同转速和不同负载下均能在一定程度上降低发动机的燃油消耗率，减少发动机尾气中NOx和颗粒物的浓度。Wang等[14]研究了某种机油添加剂对柴油机颗粒物排放的影响，结果表明，使用添加剂后颗粒物的组成和排放都发生了变化，其结构更加松散，构成中出现了更多的灰分和挥发性组分。Wang等[15]研究了抗磨添加剂对柴油机尾气中颗粒物的影响，结果表明，使用添加剂后会产生更多凝聚态颗粒物，微观上会产生更多团聚形态的颗粒物。

目前，研究大多集中于使用机油添加剂后，汽车尾气中气态污染物排放的变化趋势，对颗粒物排放影响的试验较少，并且大多集中在颗粒物浓度或形态结构的研究，对细颗粒物数浓度和粒径分布的研究较少，尤其是对超细颗粒物(ultrafine particles，UFP，d≤100 nm)和纳米级颗粒物(nanoparticles，NP，d≤50 nm)的研究较少。大气中的细颗粒物是颗粒物数浓度的主要贡献源，同体积下细颗粒物具有较大的表面积，消光性较强，会影响大气的能见度，导致光化学烟雾，加剧温室效应，并且细颗粒物会随着呼吸深入人体肺部，在肺泡及其他肺部组织中沉积，也有可能进入人体的血液或者免疫系统中，导致人体的免疫系统和心肺疾病等，严重的还有可能诱发癌变。由此可见，大气中细颗粒物排放已经严重威胁到人体健康和生态安全，研究细颗粒物的有关变化和相关治理方案显得越发重要[16]。

笔者采用某种生物机油添加剂，考察其作为摩擦改进剂对发动机原有机油性能的提升，通过测试其排放特性验证其提升效果，着重考察该添加剂对柴油机颗粒物排放的影响。

1试验系统与方案

1.1试验对象

1.1.1发动机

试验所用发动机为全顺2.8 L直列四缸电控高压共轨柴油机，满足国Ⅳ排放标准，带有增压中冷和废气再循环(EGR)系统，具体参数见表1。

表1　试验用发动机参数

1.1.2燃料和机油

试验用燃料为符合国Ⅴ排放标准的柴油，该柴油的理化特性见表2。为了控制变量，在整个试验过程中，使用同一批柴油。

试验用机油为美孚黑霸王重负荷机油，为控制变量，在整个试验过程中，使用同一规格和同一型号的机油。该机油的特点和潜在效益包括控制油泥与沉淀，减少油耗和防止磨损，清洁发动机并延长其使用寿命，延长垫片和密封件的使用寿命。该机油的主要理化特性见表3。

表2　试验用柴油的理化特性

1)以KOH计；2)20 ℃下测得。

表3　美孚黑霸王机油理化特性

1)40 ℃下测得；2)100 ℃下的测得；3)以KOH计；4)15 ℃下测得。

1.1.3机油添加剂

选取某种生物机油添加剂作为试验对象。该添加剂的主要功效为降低油耗和减少尾气排放。其工作原理是以机油为载体，可吸附于发动机气缸壁等金属表面，形成保护层，降低发动机机内摩擦，还可清除机械表面的积炭，延长机油更换时间。制备方法是以天然植物材料为主体，采用纳米生物化学技术合成。

1.2试验方法

试验环境及所使用的本底柴油和机油保证不变，试验前放空机油后加入新的机油进行本底试验，本底试验后再一次放空机油加入混合有添加剂的机油，进行24 h的耐久试验，确保带有添加剂的机油充分润滑发动机后再进行对比试验。在相同试验条件下，每个工况点进行3次试验，采集数据后，剔除异常数据取平均值作为最终结果，如果3次试验结果差别较大，则进行补充试验。此外，负荷采用功率来表示，功率由扭矩点换算得到。

1.3分析方法

颗粒物取样稀释通道为Horiba公司的MDLT1302TMA，稀释倍数为4～50倍，颗粒物在经过稀释通道后由特氟龙膜采集；颗粒物数浓度由TSI公司的SMPS粒径谱仪采集；尾气中的气体组分由Horiba公司的MEXA7100D排气分析仪进行组分分析，主要测定尾气中CO、CO2、THC、NOx和O2浓度。

2结果与讨论

2.1使用添加剂对气态污染物的影响

2.1.1CO和THC

图1　使用添加剂前后CO比排放量的变化Fig.1　CO brake specific emission of base oil and additive

图2　使用添加剂前后THC比排放量的变化Fig.2　THC brake specific emission of base oil and additive

使用添加剂前后发动机尾气中CO和THC的比排放量如图1和图2所示。由图1和图2可知，在中负荷和高负荷工况下，CO和THC的比排放量没有明显变化；而在低负荷下，使用添加剂后CO比排放量最大降低了16%，THC最大降低了13%，产生最大削减量的点均为所测工况点中负荷最低(44 N·m)的点。

气体排放物中的CO和THC的比排放量没有明显变化，这是由于柴油机为扩散燃烧，受淬熄效应和油膜及积炭吸附效应的影响很小，且柴油机运行的大部分工况都属于高空燃比燃烧，燃料可以充分燃烧，CO和THC的比排放量本身偏低，产生的主要原因是油气混合不均匀，因此润滑油对其比排放量的影响并不明显。

2.1.2NOx

使用添加剂前后尾气中的NOx比排放量如图3所示。从图3可以看出，使用添加剂后，NOx的比排放量整体呈上升趋势，最高增至15%。NOx的排放主要是由于高温和富氧2个因素造成的，使用添加剂后，增加了机油与气缸壁的吸附效果，提高了活塞与气缸壁之间机油油膜的质量，密封效果更好，从而提高了缸内的温度和压力，燃烧的峰值温度也有所增加，因此促进了NOx的生成。但总体来说，添加剂对柴油机NOx的比排放量影响较小。

图3　使用添加剂前后NOx比排放量的变化Fig.3　NOx brake specific emission of base oil and additive

2.2使用添加剂对颗粒物的影响

2.2.1颗粒物比排放量

使用添加剂前后尾气中颗粒物比排放量如图4所示。从图4可以看出，使用添加剂后颗粒物比排放量有一定的下降，在中低负荷下削减量最大，可达30%～40%；在满负荷状态下，使用添加剂前后颗粒物比排放量变化不大。

图4　使用添加剂前后颗粒物比排放量的变化Fig.4　Mass concentration of particulate matter brake specific emission of base oil and additive

机油特性对颗粒物比排放量的影响较为明显。其中，排放的颗粒物80%以上为凝聚态，由炭烟(DS)、可溶性有机成分(SOF)和硫酸盐组成；5%～20%为粗模态颗粒物，来源于燃烧室和排气系统中积炭的脱落等[18]。使用添加剂后，提升了活塞与气缸间机油油膜的效果，提高了润滑性和密封性。一方面缸内压力和温度升高，燃料燃烧更加完全，未燃组分减少；另一方面由于机油分子构成较柴油分子量更大，结构更复杂，燃烧后更易形成凝聚态颗粒物，提高密封性可减少机油蒸汽进入气缸的现象，减轻烧机油的状况，从而降低了颗粒物浓度。

2.2.2颗粒物数浓度

对机动车颗粒物比排放量贡献较大的是积聚态颗粒物，即粒径(Dp)相对较大的颗粒物，而对于颗粒物数浓度贡献较大的都集中于粒径较小的颗粒物，即核模态颗粒物，尤其集中在超细颗粒物和纳米颗粒物这2个粒径范围内。

为研究颗粒物数浓度，采用SMPS对粒径段为5.83～228.80 nm的颗粒物进行采集计数。为分析UFP和NP的变化情况，进一步将粒径划分为4组：Dp≤20 nm，20 nm100 nm[19]。使用添加剂后，4组颗粒物数浓度和几何平均粒径(Geo. Mean)随负荷的变化规律见图5。由图5可知，颗粒物粒径大都集中在100 nm以下，20～50 nm的颗粒物最多；在低负荷和中负荷工况下，20 nm以下和50～100 nm的颗粒物数浓度相差不大；在高负荷工况下，20 nm以下的颗粒物逐渐增多，与20～50 nm的颗粒物数浓度相当，50～100 nm的颗粒物逐渐减少。可见随着负荷的升高，核模态颗粒物逐渐增加。

图5　使用添加剂前后在不同粒径范围的颗粒物数浓度分布Fig.5　Particle number concentration of base oil and additive lubricating oil in different sizes

使用机油添加剂后，低负荷下对颗粒物数浓度有比较明显的削减，尤其是对20～50和50～100 nm的颗粒物数浓度产生了较大的削减作用；中负荷和高负荷下，使用添加剂对颗粒物总数浓度的削减效果不明显；高负荷下使用添加剂对20 nm以下的颗粒物数浓度有比较明显的削减，但会增加20～50 nm的颗粒物数浓度。

由于使用添加剂后，

在中负荷工况下颗粒物数

浓度并没有很明显的变化，为进一步分析该添加剂对颗粒物数浓度的影响，在低负荷和高负荷下分别选取工况点进行粒径分布的分析。70和190 N·m工况下颗粒物的粒径分布见图6和图7。2个工况下颗粒物数浓度的统计数据见表4。

图6　70 N·m工况下使用添加剂前后颗粒物的粒径分布Fig.6　The particle size distribution of base lubricatingoil and additive lubricating oil in 70 N·m

图7　190 N·m工况下使用添加剂前后颗粒物的粒径分布Fig.7　The particle size distribution of base lubricating oil and additive lubricating oil in 190 N·m

表4　70和190 N·m工况下尾气中颗粒物数浓度统计

从图6、图7和表4可以看出，在低负荷和高负荷工况下，颗粒物粒径均呈单峰分布；低负荷下使用添加剂前后颗粒物峰值粒径分别为39.95和32.20 nm；高负荷下使用添加剂前后颗粒物峰值粒径分别为26.60和30.72 nm。由图5～图7可知，在低负荷工况下，使用添加剂后可减少颗粒物数浓度，且粒径分布图中颗粒物数浓度最大值较低；在高负荷工况下，使用添加剂后会增加颗粒物数浓度，且粒径分布图中颗粒物数浓度最大值较高。总的来说，随着发动机负荷增加，颗粒物的数浓度会增加，几何平均粒径减小，因此粒径分布图中颗粒物数浓度最大值会逐渐变大，粒径范围会逐渐变窄，且向粒径较小的方向移动，在使用添加剂后，这种变化程度会减小。

为进一步阐述颗粒物数浓度的变化趋势，分别分析核模态颗粒物和积聚态颗粒物的数浓度变化。在低负荷工况下，使用添加剂后核模态颗粒物增加，积聚态颗粒物减少，粒径分布图中峰值向粒径较小的方向偏移，中值粒径、平均粒径、几何平均粒径、峰值粒径和颗粒物总数浓度均有所降低；在高负荷工况下，使用添加剂后核模态颗粒物减少，积聚态颗粒物增加，粒径分布图中峰值向粒径较大的方向偏移，中值粒径、平均粒径、几何平均粒径、峰值粒径和颗粒物总数浓度均有所升高。综合来看，使用添加剂后，可缩小粒径的变化幅度，保证颗粒物数浓度大多集中在20～50 nm，避免发动机燃烧产生过大或者过小的颗粒物。

3结论

(1)使用某生物机油添加剂后，CO和THC的比排放量没有明显变化，在低负荷工况下略有降低。

(2)使用添加剂会使NOx的比排放量有一定升高。

(3)使用添加剂后，颗粒物比排放量有较为明显的削减。

(4)使用添加剂后，低负荷下可以削减20～100 nm的颗粒物数浓度，中负荷下颗粒物数浓度排放变化不明显，高负荷时对20 nm以下和50 nm以上的颗粒物数浓度有削减作用，而20～50 nm的颗粒物数浓度会略有增加。

(5)随着发动机负荷增加，粒径分布图中颗粒物数浓度会逐渐变大，粒径范围变窄，并向粒径较小的方向移动，使用添加剂会使这种变化趋势减缓。

(6)机油添加剂对发动机排放的影响，主要集中在对颗粒物的影响上，对气态污染物的影响效果不明显。

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中图分类号:X511；X513

文章编号:1674-991X(2016)02-0157-06

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.023

作者简介:刘泽民(1991—)，男，硕士，主要从事机动车排放控制研究，15210560502@163.com*责任作者:鲍晓峰(1956—)，男，研究员，博士，主要从事机动车排放控制研究，baoxf@craes.org.cn

收稿日期:2015-11-24