纳米金刚石发动机油明显改善尾气排放

张文刚,张书达

(天津乾宇超硬科技股份有限公司，天津 300384)

1 前言

我国及世界的环保形势日渐严峻，其中车辆尾气排放是重要影响因素之一[1]。许多人研究了车辆正常行驶中的尾气排放规律[2-5]。同样的，工程机械[6]和船舶[7]的尾气排放亦应引起高度重视。

目前普遍认为减排最有效的措施就是加装尾气催化器。本文指出了其局限性。

使用密封性好的发动机油确实可以改善尾气排放。将纳米微粒加入到发动机油中，可以改善润滑油的性能。已公开发表的纳米微粒有多种，如纳米软金属，纳米金属氧化物或硫化物，纳米无机金属硼酸盐、磷酸盐、钛酸盐、碳酸盐等。其中纳米陶瓷和多种上述纳米颗粒的混合物效果较好[8-12]。相比之下，纳米金刚石发动机油更具有独特优势。它不仅使发动机的动力性和经济性明显改善，而且使排放性亦明显改善。它使汽车尾气中的主要有害成分都得到大幅降低，这是其它减排措施很难与之相比的[13]。

2 尾气中主要污染物及其危害

机动车在行驶过程中，汽油、柴油等化学燃料总会有部分燃烧不完全，因而排放出各种成分复杂的污染物，主要为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以及各种粒径的颗粒物。其中，氮氧化物、碳氢化合物在静风、逆温等特定条件下，经强烈阳光照射，还会转化为光化学氧化物等二次污染物，进而形成危害更大的光化学烟雾。尾气中HC的种类多达 200多种，不乏包含3.4-苯并芘等致癌物质[14]。

机动车尾气中的颗粒污染主要是碳烟和其它微粒等。轻型柴油车在高怠速和低怠速运转的条件下,其尾气碳烟粒的粒径范围在15nm到30μm之间[15]，由于它具有多孔隙性和吸附活性的特点，能携带大量微生物和重金属等有害物质进入人体，苯并芘等强致癌物也常常存在于碳烟中。柴油机的微粒成分比汽油机更复杂,数量也比汽油机多30～60倍。

3 减少排放的措施

第一种是机内控制法。这种方法是对发动机机构及控制系统进行改造和设计，使发动机内的可燃混合气充分和高效地燃烧，从而达到减少有害气体排放的目的。但此法对于大量的现在正在行驶的车辆不适用。

第二种是机外控制法。被广泛地认为最有效措施之一的就是加装尾气催化器。尾气催化器通常含有三元催化剂，分别氧化HC、CO及还原NOx。但这些措施对减少排放的颗粒物基本无效。

第三种是改善气缸密封性法。它是介于机内和机外之间的，使用密封性极好的发动机油，即通过改善气缸密封性而大幅降低排放，它同时可明显减少多种主要的排放物。这一颠覆性创新是投资少见效快的最佳方案，但目前尚未引起人们的足够重视，甚至被一些专家否定。经实验，使用纳米金刚石发动机油后与之前相比，气缸压力明显提高，这足以说明密封性得到改善。台架试验发动机气缸压力从0.45提高到0.58MPa；一辆长安车在正常行驶中，缸压由0.7～0.8MPa提高到1.25MPa。缸压的提高不仅使发动机的输出功率增加，节省燃油，而且必然会使尾气排放得到改善。为便于运输和出口，我们研制了纳米金刚石发动机油精。将其作为发动机油添加剂按2%～5%加入到市售的发动机油中即可起纳米金刚石发动机油的奇特功效。

4 纳米金刚石发动机油可大幅降低尾气排放

由于它使滑动摩擦变成滚动摩擦，因而具有独特的减摩抗磨效果。润滑油使用周期是原来的2～4倍，这本身就是对环保的重大贡献。

军事交通学院汽车试验中心的台架测试数据表明，纳米金刚石发动机油可使发动机怠速排放碳氢化物降低60%，氮氧化物降低20.5%[17]。

在用汽油车稳态加载排放试验的检测中：一辆京FP xx69的切诺基BJ7250EA，排量2.5升，已行驶73442km，2003-07-07登记，使用本品后在北京中美机动车排放检测场于2015-07-29检测，结果见表1[18]。

表1 在用汽油车稳态加载排放试验检测报告Table 1 Test Report of Steady-State Loading Emission Test

机械工业内燃机油品检验评定中心检验柴油机烟度由86.0%降至68.8%，相对减少20.0%[18]。

前几年有辆已行驶80万公里的夏利1.3出租车(鲁ET xx86)，虽经两次大修，但烧机油仍很严重，机油耗率为1.5L/1000km(不包括更换机油)，所排尾气甚污；改用本品后，机油消耗率骤降至0.03 L/1000km(仅相当于原来的2.0%)，已达我国新车标准,当然尾气污染也解决了。可见本品对减排环保之功效极佳。发动机机油消耗主要有两种方式：定期更换油箱中的机油；行车中一部分机油在发动机内燃烧。后者是造成大气污染的重要原因。使用纳米金刚石发动机油就可使这一污染大大降低。

2004年9月6日用天津交管局的津Oxx610TJ7100U型夏利车试验，该车发动机号为No.96040958，已行驶5.4万km。清洗发动机后更换的发动机油是日本三菱进口原装BPS彼得士SF/CD SAE40，同时更换三滤。加入纳米金刚石发动机油精前后进行对比，均在同一尾气检测线检测，变化见图1，其间行驶不足1km，发动机未做任何调整。过量空气系数λ的测量值由0.860提高到0.926。一般说来其值越接近1，则经济性和排放性越好。HC和CO分别降低54.0%和18.1%，CO2提高18.75%。CO2增加与CO减少是基本相对应的，将剧毒的CO变为无毒的CO2是大好事。

图1 纳米金刚石发动机油精有效改善尾气排放(夏利车)Fig.1 Nano-Diamond Engine Oil Essence Effectively Improves Tail Gas Emissions (Car Brand: Xiali)

2016年3月23日北京理工大学汽车动力性及排放测试国家专业实验室对一辆长城牌M4型汽车排放进行检测，试验时车辆行驶里程：27968～29563km。测试结果表明不仅尾气中4种主要成分全部降低，而且还使油耗降低了2.87%。CO、HC、NOx和CO2分别降低18.44%、2.46%、19.15%和2.77%(图2)。

图2 纳米金刚石发动机油精有效改善尾气排放(长城车)Fig.2 Nano-Diamond Engine Oil Essence Effectively Improves Tail Gas Emissions (Car Brand: Great Wall)

由于车辆型号非常多，工况差别很大，测试仪器多种多样，故测量数据不可能相同，但纳米金刚石发动机油明显改善排放的结论是一致的。

5 比较

5.1 机内控制法

权威人士估计，国家对汽车排放每提高一个级别，发动机制造厂需要投入约10亿元资金及3年科研攻关时间。此法对绝大多数的现用车辆无效。

5.2 机外控制法

目前普遍认为最有效的方法是加装尾气催化器，其中含有三元催化剂，但它的缺欠不少。

在冷启动阶段，由于催化剂没有达到正常的工作温度，车辆会产生较多的排放。随着燃油硫含量的增加，N2O排放量上升；随着行驶里程的增加，N2O排放劣化[19]。

选择性催化还原(SCR)作为降低柴油机NOX排放手段，在催化剂作用下使其中的NOx部分还原成N2和水。300℃时转化率为36%，450℃时为54%,并且还需有尿素水溶液喷射[20]。SCR成功的关键因素有二：一是排气与NH3充分混合；二是按进入反应区的NOx浓度及去除率严格控制NH3的喷入量。在反应过程中，还原反应并不完全，不参加反应的部分NH3会随排气从烟道逸出。NH3本身也是一种大气污染物。催化剂也会随时间的增加而丧失活性，因此必须定期更换。

尾气中CO和HC需要氧化剂，而NOx需要还原剂；NOx的还原剂通常使用尿素水溶液。尿素结晶一直是有待攻克的难题。氨泄漏率一般为(50～220)×10-6(体积分数)[21]。这又形成新的污染源。

此外，催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，它们会使三元催化器失效，即慢性中毒。硫和铅来自燃油，磷和锌来自润滑油。

既使是同样的发动机，同样的三元催化转化器，车型不同，发动机常用的工作区间就不同，排气状况就发生变化，安装三元催化器的位置就不同，这都会影响三元催化转化器的催化转化效果。因此，不同的车辆，应使用不同的尾气催化器。

但无论何种三元催化剂均不能明显减少碳羽(碳颗粒形成的烟尘)，即烟度不会明显降低。

5.3 改善气缸密封性

气缸密封性得到改善主要是由于纳米金刚石润滑油油膜承载能力大幅提高。在市售Mobil 1049(ISO 68密度0.876g/cm3)油中，加入纳米金刚石油精2%～3%，可使油膜承载能力提高约1.5倍[22]，见图3。以纳米金刚石为骨架的润滑油膜极难被破坏，因而密封性明显改善。

以纳米金刚石为骨架的油膜很难被破坏，这就使发动机气缸的密封性空前提高。它会使燃烧更完全，气缸缸压提高，发动机输出功率提高，节约燃油；同时尾气中的污染物就会明显减少。这种减少是全方位的，即不仅HC、CO和NOx减少，碳颗粒物亦同时减少。

图3 加入纳米金刚石油精后Mobil 1049油膜承载能力大幅提高Fig.3 Mobil 1049 oil film bearing capacity increased significantly with nano-diamond engine oil essence

6 结论

为减少车辆排放对大气污染的影响，加装尾气催化器是有效措施之一，但亦有其局限性：如对颗粒物基本无效，催化剂必须定期更换并可能会引起中毒，不同的车辆应使用不同的尾气催化器。

使用纳米金刚石发动机油可明显改善气缸密封性，从而可同时减少车辆尾气排放的各种有害物质，是减少大气污染的有力措施，立竿见影。如与尾气催化器联用则效果更佳，并可延长催化剂使用寿命。推广使用这一颠覆性创新是减少车辆尾气排放投资少见效快的最佳方案。