低排放、長壽命柴油機對燃料和潤滑油 的需求

1、2007年中國內(nèi)燃機學(xué)會油品與清潔燃料分會第一屆學(xué)術(shù)年會論文 編號:070910低排放、長壽命柴油機對燃料和潤滑油 的需求李桂云(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心 甘肅蘭州 730060摘要:降低環(huán)境污染是世界共同關(guān)注的目標(biāo),重負荷柴油車作為氮氧化物和顆粒物排放的貢獻者,降低柴 油機排放、開發(fā)清潔型柴油機是達到排放要求的關(guān)鍵因素,柴油機后處理系統(tǒng)會對燃料和潤滑油的提出更 高的要求,帶有尾氣后處理發(fā)動機必須使用低硫燃料和低硫、低磷、低硫酸鹽灰分(低 SAPS柴油機油。 關(guān)鍵詞:柴油機 ; 清潔 ; 燃料 ; 潤滑油Demand of Clean diesel engines to fuel and

2、 lubricant oilsLi Guiyun(PetroChina Company Limited Lanzhou Lube Oil R& D Institute, Gansun Lanzhou 730060Abstract :This is a global aim to reduce diesel exhaust emissions. NOx and particulate are mainly made of heavy-duty vehicles. In order to meet the level of emission standard ,diesel engines

3、 should be clean . The new demands of fuel and lubricant oils are needed to engines after-treatment systems . Desulfurizing diesel fuel and low SAPS engine oil are required for after-treatment engine.Key wards: heavy-duty vehicles; clean; fuel; lubricant oils1前言降低柴油機的排放是全球范圍的需求,降低顆粒物和氮氧化物(NOx排放是柴油機發(fā)

4、 展的關(guān)鍵因素,氮氧化物是汽缸做功過程中空氣里氮的氧化,顆粒物由固體碳(煙炱 、硫 化物、 水和未完全燃燒的燃料、 潤滑油產(chǎn)物。 氮氧化物形成的煙霧和酸雨造成水源和莊稼的 污染, 顆粒物對人體健康帶來麻煩, 有效地控制排放對社會帶來效益, 并且可以提高燃料經(jīng) 濟性和延長發(fā)動機使用壽命。2010年是柴油機發(fā)展的一個里程碑,柴油機將會被定義為“清潔” ,美國、歐洲、日本 在 2010年前對降低柴油機的排放有新的舉措出臺, 與之相適應(yīng)的系統(tǒng)將會發(fā)生較大的變化, 低硫燃料的使用、 汽缸燃燒系統(tǒng)的設(shè)計改進、 廢氣后處理的變化以及與廢氣后處理系統(tǒng)相適 應(yīng)的潤滑油。燃料硫含量水平將嚴(yán)重影響 NOx 的吸附和

5、顆粒物的排放,低硫燃料是保證帶有尾氣處 理系統(tǒng)發(fā)動機工作的基礎(chǔ)。對新一代柴油機油來講發(fā)動機壽命與尾氣后處理的平衡是最為困難的事情, 為了達到這 個目的, 美國公布了滿足 EPA2007排放需求的裝有粒子捕獲器的新一代柴油機的潤滑油標(biāo)準(zhǔn) APICJ-4,此柴油機油標(biāo)準(zhǔn)中增加了硫、磷元素和硫酸鹽灰分的限制要求,發(fā)動機臺架試驗 也有較大的改變。2 排放法規(guī)美國最早控制排放的法規(guī)出現(xiàn)在 1988年,經(jīng)過 20年的發(fā)展,氮氧化物從 14.4降至 0.27g/kWh,顆粒物從 0.8降至 0.013g/kWh,與法規(guī)相適應(yīng)的潤滑油規(guī)格也從 API CE發(fā)展 到了 APICJ-4 ,適應(yīng) 2010年新排放法

6、規(guī)的潤滑油規(guī)格也會提高到 PC-11。表 1 美國重負荷柴油機的排放需求年代 1988 1990 1991 1994 1998 2002 2006 2010 NOx,g/kWh 0.8 0.8 0.33 0.134 0.134 0.134 0.013 0.013 顆粒物,g/kWh 14.4 8.05 6.7 6.7 5.4 3.3 1.5 0.27 對應(yīng)的潤滑油 CE CF-4 CG-4 CH-4 CI-4 CJ-4 PC-11 S,% 5000 500 15表 2 歐洲重負荷柴油機排放要求ESC + ELR試驗循環(huán) ETC 試驗循環(huán)分類 Nox,g/kWh PM,g/kWh Nox,g/k

7、Wh PM,g/kWh Euro 1-1992 7.9 0.36Euro 2-1996 7.0 0.15Euro 3-2000 5.0 0.10 5.0 0.16Euro 4-2005 3.5 0.02 3.5 0.03Euro 5-2008 2.0 0.02 2.0 0.03注:ESC-European Steady CycleETC-European Transient CycleELR-European Load Response3 減低排放的措施和潤滑油的發(fā)展3.1缸內(nèi)凈化從 1988年到 1991年, 通過改進汽缸內(nèi)燃燒等措施達到排放要求如電控噴嘴、 空氣渦流 控制、碗型汽缸、渦輪增

8、壓、中間冷卻、降低油耗。為了滿足 1994年的顆粒物排放柴油的 硫含量由 5000ppm 降低到 500ppm。在燃料 500ppm 下潤滑油對不同發(fā)動機沒有影響, 它可以提供發(fā)動機壽命并延長換油期, APICG-4 所有發(fā)動機試驗采用 500ppm 的柴油。為滿足更低的顆粒物排放, 發(fā)動機設(shè)計頂環(huán)臺距離縮短, NOx 化物從 6.7降到 5.4g/kWh以延遲燃料進氣時間達到, 發(fā)動機設(shè)計的兩個變化造成汽缸燃燒室煙炱的增加。 為了改進因 煙炱而帶來的發(fā)動機油粘度增長和磨損問題,CH-4 在 1998年出臺。由于汽缸頂部溫度是影響氮氧化物排放最有效的因素, 美國除康明斯外各大汽車制造商 都采用

9、 EGR 技術(shù)降低氮氧化物來滿足 2002排放標(biāo)準(zhǔn)。EGR 使得進氣中廢氣含量占到 25-35%,降低排氣溫度從 650到 250-300;500ppm 在 汽缸內(nèi)形成硫化物和硫酸的水平提高,冷卻液和油溫越高,氣缸中酸的濃度也越大,CI-4通過提高清凈劑水平保護缸套、提高抗氧劑水平保護因氧化而帶來的軸承腐蝕。3.2尾氣后處理技術(shù)缸內(nèi)凈化可以在一定程度上降低氮氧化物和顆粒物的排放,但不能滿足 2005-2010美 國、歐洲、日本排放要求,即歐 IV 和歐 V 排放要求,因此后處理技術(shù)和低硫燃料得到廣泛 應(yīng)用。現(xiàn)在常用的后處理系統(tǒng)有:氧化催化劑、氮氧化物吸附劑、選擇性催化劑(SCR 、粒 子過濾器

10、(DPFs和連續(xù)再生捕獲器(CRT等。由于尾氣后處理系統(tǒng)的采用,現(xiàn)有規(guī)格的 CH-4/CI-4 等產(chǎn)品不能滿足使用要求,2006年初提出了 CJ-4柴油機油規(guī)格將重負荷柴油發(fā)動機潤滑提高到了新的水平, CJ-4 不僅包 括了早期標(biāo)準(zhǔn)中所有性能要求而且更加適應(yīng)于 2007年后苛刻發(fā)動機的環(huán)境保護要求 。4 燃料和潤滑油元素含量對尾氣后處理技術(shù)的影響4.1 柴油硫含量的影響燃料的揮發(fā)性能、 芳烴含量和硫含量都會影響發(fā)動機的排放效果, 柴油的硫含量不僅影 響顆粒物排放, 而且影響 NOx 吸附轉(zhuǎn)化的效果, 圖 1是柴油硫含量與 NOx 轉(zhuǎn)化率的關(guān)系試驗, 燃料中硫含量為 300ppm 時,發(fā)動機行駛

11、不到 100公里對 NOx 的轉(zhuǎn)化率已降低為 60%,燃料 中硫含量 30ppm 發(fā)動機行駛 300公里對 NOx 的轉(zhuǎn)化率達到 85% , 當(dāng)燃料中硫含量小于 10ppm 時對 NOx 的轉(zhuǎn)化率基本保持在初始水平,柴油的硫含量影響排放的效果非常明顯。柴油硫含量對顆粒物排放的影響見圖 2, 可以明顯看出, 柴油硫含量大于 30ppm 時, 顆 粒物的排放大于 0.020 g/kWh,即已不能滿足歐 IV 和歐 V 顆粒物排放限值,也就是說,要 達到歐 IV 和歐 V 顆粒物排放,柴油的硫含量必須低于 30ppm 。 美國、 歐洲、 日本為滿足使用后處理系統(tǒng)的發(fā)動機, 燃料低硫化的時間表見圖 3

12、、 圖 4 , 美國市場 2007年低硫柴油(小于 15ppm將達到 95% , 2010年達到 100%; 德國目前已為 10ppm、 澳洲、日本也在不久會實現(xiàn) 10ppm 的目標(biāo)。 4.2 潤滑油化學(xué)元素的影響2007年柴油發(fā)動機不僅增加 DPF、CRT 滿足新排放法規(guī)的要求,而且對制造商提出了提高發(fā)動機使用壽命的特殊要求,下圖是不同類型柴油車的行駛里程要求。圖 5 長壽命柴油機的新要求要使所有的柴油車后處理系統(tǒng)在 24萬公里內(nèi)發(fā)揮作用,DPF 堵塞和催化劑的失活影響應(yīng)降至最低。由于再生后的金屬保留在捕獲器中,金屬清凈劑和 ZDDP 可造成捕獲器排氣背壓增加,潤滑油硫酸鹽灰分導(dǎo)致過濾器堵塞

13、,由金屬清凈劑和 ZDDP 帶來的潤滑油硫酸鹽灰分等是影響的主要因素。 燃料中硫可快速降低 NOx 吸附轉(zhuǎn)化的效率, 但是沒有還足夠的數(shù)據(jù)支持潤滑油中的硫帶來 NOx 轉(zhuǎn)化效率降低。 顆粒物 NOx DPF NOx 吸附劑 S 硫酸鹽灰分 降低 NOx 催化劑 P SCR 圖 6 后處理系統(tǒng)對潤滑油元素的要求 P API CH-4/CI-4 規(guī)格的產(chǎn)品限制硫酸鹽灰分 1.3-2.0%，但是沒有對硫、磷元素提出要 求，對于滿足后處理系統(tǒng)的 API CJ-4 規(guī)格的產(chǎn)品，提出了低 SAPS 概念，即低硫酸鹽灰分、 低磷、低硫，硫酸鹽灰分控制在 1.0%以下，并增加硫、磷要求。 表 3 重負荷柴油機

14、油對元素含量的限制 API CJ-4-2006 硫酸鹽灰分，% P，% S，% 1.0 0.14 0.4 ACEA E6-2004 1.0 0.08 0.3 JASO DH-2-2005 1.0 0.12 0.5 5 CJ-4 柴油機油的性能要求 API CJ-4 規(guī)格的產(chǎn)品需通過 8 個發(fā)動機臺架試驗。 5.1 閥系磨損 在三個不同煙炱水平下測定潤滑油的抗磨損能力，6%煙炱下帶有 EGR 的 Cummins ISM 取代 M11 ；4%煙炱下 GM6.5 和 3.5% 煙炱含量下帶有 EGR 的 Cummins ISB 的閥系磨損系列 試驗評定油品的防止閥系磨損的性能。 5.2 活塞沉積物和油耗的控制 燃料硫含量 15ppm 下的 Caterpillar C-13 和硫含量 500