不同比例润滑油对柴油机细颗粒物排放的影响*

刘兵 雷良育，3 许广举 李林丰 董亮

（1.浙江农林大学；2.常熟理工学院；3.浙江兆丰机电股份有限公司）

近年来，环境与能源问题成为了当今世界的两大主题。2012年，我国开始实施国Ⅴ排放标准，力求大幅度降低常规污染物排放[1]。2014年，为进一步降低NOx和HC的排放，欧盟对新车型式认证实行欧6b标准。文献[2]在试验中分离了柴油燃烧微粒中的烟尘及可溶性有机物，并分析了可溶性有机物的产生原因，试验显示润滑油燃烧对细颗粒物排放中可溶性有机物的生成有着很大影响。文章通过柴油机台架试验，研究在怠速工况下不同质量比例润滑油对燃烧颗粒物形貌特征和粒径分布的影响。

1 试验设备及研究方案

1.1 试验设备

试验发动机采用YN-4100QBZL-2型柴油机，四冲程增压中冷，压缩比为17.5，标定转速为3 200 r/min，标定功率为80 kW[3]。润滑油采用美孚江铃全能IV润滑油，质量水平为API CI-4，黏度等级为SAE 15W-40。

本次试验采用中/近红外全谱彩屏汽柴油分析仪分析添加润滑油之后试验用油品质的变化情况，为之后的排放试验提供理论依据。使用JSM-7001F扫描电子显微镜对采样的颗粒物进行观察，可以通过得到的形貌特征图直观地分析微粒的物化特征。

1.2 试验方案

将润滑油与柴油按5种不同比例进行混合，润滑油占混合燃料的质量比例分别为0%，1%，2%，3%，4%。将混合燃料置于柴油机台架上进行怠速工况试验。图1示出柴油机台架试验布置图。

图1 柴油机台架试验布置图

2 混合油品数据

2.1 十六烷值

图2示出不同比例润滑油混合柴油中十六烷值的变化曲线。从图2可以看出，柴油中润滑油的质量比例越大，十六烷值也越高。纯柴油的十六烷值为47.5，当润滑油掺入质量比为4%时，十六烷值达到了54.3，上升趋势明显。十六烷值过高的柴油低温流动性、雾化与蒸发性能均受影响，燃料雾化不充分以致滞燃期过短，部分燃料不能够进行完全燃烧，颗粒物排放也因此增加。所以，润滑油加入燃烧将在一定程度上增加细颗粒物的排放，排放量也会随燃烧中润滑油质量比例的变大而呈上升趋势。

图2 不同比例润滑油混合柴油中十六烷值的变化曲线

2.2 芳香烃含量

图3示出不同比例润滑油混合柴油中芳香烃含量的变化曲线。从图3中可以看出，混合燃油中芳香烃含量随着润滑油质量比例增大也呈现一定的上升趋势。纯柴油的芳香烃含量为14.2，当润滑油掺入质量比为4%时，芳香烃含量为16.2。芳香烃对柴油机排放的影响主要有2个方面：一是芳香烃的碳氢比例较高，燃烧过程中会使得火焰温度变高，从而使颗粒物排放中NOx增多；二是芳香烃燃烧会生成碳烟，这会恶化颗粒物的排放[4]。润滑油掺入质量比提高导致芳香烃含量提高，所以细颗粒物排放也随之增加。

图3 不同比例润滑油混合柴油中芳香烃含量的变化曲线

2.3 T90含量

图4示出不同比例润滑油混合柴油中T90的变化曲线。从图4可以看出，随着润滑油的增加，柴油T90（90%质量蒸发完）也随之提高。纯柴油的T90为324.7℃（蒸发90%质量需要的温度），掺入润滑油之后T90上升明显，但是随着润滑油掺入质量比的增加，这一趋势比较平缓。柴油中的重质成分雾化不良，燃烧不完全，容易在燃烧室中产生积碳，恶化颗粒物的排放。所以，润滑油质量的增加使得重质馏分增加，细颗粒物排放也随之增加。

图4 不同比例润滑油混合柴油中T90的变化曲线

3 柴油机排放细颗粒物形貌特性与粒径分布试验数据

3.1 颗粒物的形貌特征

选取纯柴油、掺混1%质量润滑油的柴油以及掺混2%质量润滑油的柴油，充分混合后进行台架试验。采集柴油机怠速工况时排气中的颗粒物，样品采集完成后，采用聚四氟乙烯滤膜采集燃烧后的颗粒物，对样品表面进行喷金处理。颗粒物内部微观组织采用热场发射扫描电子显微镜观察和分析，放大倍数最高可达到50万倍，分辨率为1.2 nm（30 kV）/3.0 nm（1 kV）。然后采用图像统计方法分析颗粒物的平均粒径。

图5示出用电子显微镜放大6万倍得到的3种不同掺混比例燃料燃烧颗粒物的形貌特征图。从图5中可以清楚地看出，燃烧颗粒物主要呈链状和团状结构；随着润滑油掺入质量的增加，燃烧排放的颗粒物聚集度也升高了。所以，润滑油消耗增加会使得燃烧颗粒物的结构发生变化，颗粒物之间排列更紧密。

图5 3种燃料燃烧颗粒物的微粒形貌

3.2 粒径分布特征

本试验采用图像统计的方法计算排放颗粒物的平均粒径，将掺混不同质量比例润滑油的混合柴油燃烧之后产生的颗粒物的粒径划分为 50，45，40，35，30 nm 5个级别。颗粒物的平均粒径定义为：

式中：DM——颗粒物的平均粒径，nm；

Di——第i级颗粒物的粒径，nm；

Ni——第i级微粒的个数；

N——微粒的总个数。

图6示出润滑油掺入质量比不同的混合柴油燃烧排放颗粒物的粒径分布图。从图6中可以看出，混合柴油排放颗粒物的粒径呈近似正态分布特征，主要集中分布在40 nm，约占总数目的48%。

图6 柴油颗粒物粒径分布特征

图7示出3种润滑油掺混质量比不同的燃料排放颗粒物的平均粒径情况。从图7中可以看出，3种燃料中润滑油掺混质量比越高，排放颗粒物平均粒径也越大；纯柴油的颗粒物平均直径为30 nm，掺混2%质量润滑油的柴油颗粒物平均直径为52 nm。所以，润滑油对柴油机排放细颗粒物粒径也会产生一定影响，随着润滑油燃烧比例增加，产生的颗粒物粒径变大。

图7 3种燃料颗粒物的平均粒径

4 结论

将不同质量比例的润滑油和柴油掺混燃烧，利用燃油品质分析仪以及扫描电子显微镜分别对燃油品质和燃烧颗粒物的形貌粒径进行观察和分析得出：

1）根据油品分析的结果，可以看出十六烷值、芳香烃含量及T90都随着润滑油质量的增加有上升的趋势，而这三者的上升必然从本质上导致细颗粒物的增加。这表明润滑油参与燃烧会对柴油机细颗粒物排放产生一定影响，并且随润滑油消耗量的增加颗粒物排放也随之增加。

2）从燃料燃烧产生的排放颗粒物形貌变化可以看出，随着润滑油掺混质量比例的增加，颗粒物的团聚程度也变高，这就意味着润滑油参与燃烧的消耗量越多，产生的颗粒物也就越多。从粒径分布情况也可以看出，润滑油会影响排放颗粒物的粒径，润滑油掺混质量比例越高，粒径越大。