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基础油到底有多重要?

来源:网络 浏览次数: 日期:2016-06-04

摘要:为更好地理解润滑油成分对发动机性能及排放的影响,选用两种不同的矿物基础油用于发动机润滑,并采用AVL五组分尾气分析仪测量发动机气态排放,利用微栅收集发动机颗粒物。借助于图像处理软件研究颗粒物的粒径分布、分形特征及回转半径分布等参数。试验结果表明:低黏度的基础油恶化了发动机的动力性及经济性,也增加了未燃HC排放。低负荷工况下,低黏度基础油150N基本粒子直径为40.625nm,高于350N基础油的36.237nm。同时,150N基础油也增加了颗粒物的回转半径,但基础油对颗粒物空间结构影响不大。低负荷工况下颗粒物分形维数值在1.4附近,高负荷在1.1左右。总之,由于其挥发特性及热特性的差异,润滑油基础油对发动机排放尤其是颗粒物排放有明显的影响。

关键词:润滑油;基础油;柴油机;颗粒物排放;透射电镜

 

 

柴油机的排放因污染大气环境和威胁人类健康而引起研究学者们的关注,同时不同国家和地区也制定和实施了越来越严格的排放法规来控制发动机尾气排放。研究人员发现除了发动机燃料的质量、燃料种类、发动机结构设计、燃油喷射系统和燃烧模式对发动机排放有直接影响外,发动机润滑油种类、成分也对柴油机排放有所影响。研究发现,润滑油通过缸内蒸发、窜气等方式进入燃烧室,伴随燃油一起燃烧而影响发动机排放[1-4]

国外学者Froelund及Jefferd等探讨了矿物油、半合成及合成油对发动机排放的影响,发现矿物油对颗粒物排放影响最严重[5-6]。另外,Andrews和Taylor等的试验研究发现润滑油的寿命、挥发性及黏度对颗粒物排放有较大影响[3,7]。除了考虑润滑油种类、寿命、黏度和挥发性外,国内Dong和王月森等[8-9]研究了成品润滑油对柴油机颗粒物排放的影响,发现润滑油增加了核模态颗粒物数量,改变了颗粒物粒径分布。同时,也有研究表明润滑油中不同的添加剂对颗粒物粒径分布及形貌特征有着不同的影响[10-15]。但是,这些研究局限于润滑油品质及其添加剂对柴油机颗粒物质量、形貌特征的研究。关于润滑油基础油对柴油机排放的影响尚未得到完整的试验研究。基础油成分是成品润滑油的主体部分,也是添加剂的载体,约占润滑油的80%~90%。研究基础油对排放的影响机理及规律将有助于新型润滑油开发及发动机排放控制技术的发展。因此,采用两种不同的矿物基础油作为润滑油,研究其对柴油机性能及排放的影响,并利用透射电子显微镜技术重点分析颗粒物基本粒子粒径分布、形貌特征的变化,从而理解润滑油基础油对发动机排放的贡献。

1 试验装置及方法

1.1 发动机、润滑油及工况

研究所采用的发动机是一台直列、四缸、四冲程涡轮增压柴油发动机,具体参数如表1所示。试验过程中,发动机搭载在一台杭州雷诺水力测功机试验台上。发动机的控制及工况调试操作由EMC2020数据采集及控制系统完成,发动机燃油消耗率通过瞬态油耗仪(FCM04)进行测量记录,试验装置如图1所示。


 

采用了两种常用的不同黏度的矿物基础油,即中性油150N和350N。两种基础油的具体物理特性如表2所示。

 

研究过程中,将上述两种润滑油基础油分别添加至油底壳中替换发动机原厂润滑油,选择的试验工况主要为发动机的外特性。检测发动机动力性及经济性,记录发动机在负荷特性下的气态排放值等数据。为了研究不同润滑油基础油对柴油机颗粒物排放的影响,选定两种不同转速1200r/min(pe=0.279MPa)及2000r/min(pe=0.384MPa)工况进行颗粒物的采集,以便进一步分析。

为了保证采样结果的准确性,所有测试及记录均在发动机完全热机之后进行。控制每次加入油底壳的润滑油量为4L,且在每一次采集样品前都保持发动机在稳态工况点运转至少5min。另外,在更换油底壳中润滑油时重新更换所有机油滤清器并使用将要用于研究的润滑油基础油进行发动机清洗工作。该项工作进行两次并及时更换新的机油滤清器,以保证发动机运转时不会受到前一种润滑油基础油的影响。

1.2 气态排放测量

为了监测润滑油基础油对柴油机气态排放物影响,采用AVL公司的DIGAS 4000 LIGHT五组分尾气分析仪进行尾气分析,主要观测的参数是发动机常规气态排放物,如HC、CO、CO2、O2及NOx。

1.3 颗粒物采集及分析

润滑油基础油对颗粒物排放的影响需要将颗粒物进行收集然后进行后续的分析研究。因此,对发动机排气管进行改装设计,从废气流中引流分支,实现颗粒物的采集。主要用到的采集载体是铜网微栅及定性滤纸。试验过程中,将定性滤纸用锥孔工具锥出通心小孔,然后将直径为3mm的铜网微栅固定在滤纸上。采集过程中将滤纸在改装引流的排气支管出口处扫过,实现颗粒物在铜网微栅的附着收集工作。

每完成一次采样,将微栅转移到专用微栅自吸盒中保存待用。微栅样品的分析利用日本JEM-2010FEF透射电镜仪器进行分析。该仪器的点分辨率为0.23nm,最高加速电压为200kV,最高放大倍数为1500000。采用20000和40000两种不同的放大倍数、200kV加速电压进行透射电镜分析。为了确保测量数据的精确度,实际测量过程中主要采用放大40000倍的电镜图片进行颗粒物形貌特征的测量分析。透射电镜图片的处理需要借助于专业图像处理软件Image-pro plus 6.0,主要测量颗粒物粒径、投影面积、最大碳链长度和重叠系数等参数。对于每一种工况,约从20~30张电镜图片中挑选具有清晰轮廓的颗粒物进行测量以降低人为误差。

2 润滑油基础油成分及热特性

为了更好地了解两种基础油对排放的影响,笔者对两种基础油的成分及热特性进行了研究。通过气相色谱-质谱联用仪检测可以知道基础油的主要成分,通过与数据库进行对比发现,150N基础油中可能含有十一烷、十三烷、十四烷、十五烷、十六烷、二十二烷、二十四烷、二十九烷、3-甲基十一烷、4-甲基十二烷、3-甲基十三烷、3-甲基十四烷、4-甲基十六烷、4-甲基十七烷和3-甲基十八烷等物质。而350N基础油则可能含有十五烷、十六烷、十七烷、十八烷、十九烷、二十烷、二十一烷、二十四烷和二十九烷等物质。成分的差异会影响基础油的挥发性及燃烧氧化能力,也会因此而影响其对排放的贡献。

另外,利用热重分析仪可以研究基础油的热特性。在氮气氛围下,质量的减少主要是由于润滑油基础油的挥发或裂解后的挥发,挥发或裂解会直接导致局部范围内燃烧温度的降低,从而影响柴油机的排放。同时,基础油的裂解和燃烧也会对柴油机排放带来影响。图2中数据表示出了两种基础油热物理特性的差异。150N础油在150℃开始出现质量损失,而350N基础油则在将近220℃附近才开始挥发裂解。同时,随着温度的升高,两种基础油的质量损失速率均有两个峰值点,如图2中质量损失速率曲线所示。虽然两种基础油的开始挥发温度不同,第1个质量损失速率峰值却均出现在260℃附近。而第2个峰值点则分别出现在320℃(150N基础油)和400℃(350N基础油)。这表明两种基础油中不同挥发性成分的比例不同,350N基础油中含有更多的难挥发裂解物质。因此,彻底挥发裂解350N基础油需要更高的环境温度。

 

3 试验结果及分析

3.1 基础油对发动机性能及气态排放的影响

3.1.1 动力性能

图3显示了采用不同基础油时发动机外特性下的动力性曲线。为了保护发动机缸套活塞的润滑,避免拉缸状态,操作发动机由怠速逐渐增至最大扭矩点,而没有测试更高转速工况点的相关数据。

 

图3中的数据清晰的显示,在低转速工况范围内,采用2种基础油的柴油机功率变化不大,基本一致。随着转速增加至中等转速范围,采用150N基础油时,发动机的外特性功率较采用350N 基础油时低,且差异逐渐明显。

3.1.2 经济性能

图4是瞬态油耗仪记录的发动机外特性工况下燃油消耗曲线。随着转速的增加,使用2种基础油的燃油消耗率都呈现先降低的趋势,当超过1800r/min转速时,油耗率缓慢增加。

 

总体上,使用350N基础油的油耗率比使用150N基础油的明显更低。其原因可能是无论在中低转速还是高转速下,由于低黏度的150N基础油对发动机内的摩擦副润滑作用更差,增大摩擦损失。另外,由于低黏度基础油的附着性差,而导致活塞环组密封性降低,最终影响功率输出并增加了发动机油耗。

3.1.3 气态排放性能

利用AVL五组分尾气分析仪对发动机常规气态排放进行了检测。图5是发动机2000r/min负荷特性下的排放结果。

 

对比2种基础油的发动机排放情况发现,氮氧化物NOx及CO2的排放情况基本一致。同时,CO排放的差异也不大。最主要的区别是2种基础油对未燃HC的排放,在2000r/min的负荷特性工况范围内,150N基础油的使用导致更多的未燃HC排放。这可能是由于150N基础油的挥发性较350N基础油好,同时黏度较低。基础油挥发及裂解会导致局部热量被吸收,而较低的黏度则会导致发动机运转过程中活塞环组密封性下降。发动机缸内燃烧不够充分,从而增加了未燃HC排放量。

3.2 基础油对颗粒物排放的影响

基础油对柴油机颗粒物排放的影响主要是利用微栅采样方法,利用透射电子显微镜技术分析颗粒物的形貌特征的变化,主要包括颗粒物的直观形态、基本粒子的粒径分布、粒径大小、分形维数特征以及聚合体的回转半径等参数。

3.2.1 聚合颗粒物电镜图片

图6是采用2种不同基础油在不同工况点下的颗粒物在透射电子显微镜下的直观形态。从图6中可以看出,采用润滑油基础油作为润滑油时,柴油机生成的颗粒物的基本形态呈现典型的链状结构或者葡萄状结构。这与利用常规润滑油的试验结果相一致[9] ,由此可知基础油并没有影响到颗粒物的整体外貌。

 

3.2.2 初级粒子粒径分布

仅从颗粒物的直观形态上很难区别出基础油对颗粒物形貌的影响,因此对颗粒物的基本粒子进行了更深入的分析。采用商用图像处理软件对颗粒物中的基本粒子直径进行测量,每种工况约测量200个基本粒子,并统计出粒径分布结果,如图7(pe=0.279MPa)和图8(pe=0.384MPa)所示。整体上看,柴油机颗粒物的基本粒子粒径大小都呈现正态分布,不同基础油以及工况对粒径分布的影响主要体现在粒径的铺展和集中范围。

由图7可知,在pe=0.279MPa 工况下,采用150N基础油时,基本粒子主要集中在25~60nm范围内,而350N基础油则主要集中在20~50nm范围内,峰值点出现在40nm处。

 

与图7工况结果相比,图8工况下的基本粒子粒径则分布在较狭窄的区域范围,即20~40nm,而峰值点则出现在30nm附近。这主要是由于在高负荷工况下缸内生成的颗粒物能够更好地氧化,从而形成粒径较为集中的基本粒子。

 

表3给出了在不同工况下的基本粒子的平均粒径(Dp)及其标准差(Sd.)数值。

 

3.2.3 颗粒物分布形貌特征

分形形貌特征是指颗粒物的内部空间结构.分形维数(Df)是用来反映颗粒物空间结构形貌的规则程度的主要参数。为了避免繁琐的回转半径的求解过程,通过测量颗粒物的最大长度L、平均直径Dp、总投影面积Aa和基本粒子投影面积Ap等参数进行分形维数的计算,具体定义如图6(b)所示。每种工况大约测量10~20个颗粒物聚合体的相关参数用以统计。

首先,根据公式(1)确定每一个积聚颗粒物的初级粒子个数N。其中取α经验值1.19,kα常数1.81。同时利用积聚颗粒物的最大长度和回转半径之间的近似关系,如公式(2)所示,利用L代替回转半径Rg。

 

基于图形测量及公式(1)~(2),画出N-L/Dp的对数图,从而得到以最大长度L为基准的分形维数DfL和kL,分别为直线的斜率和截距。最后,根据公式(3)和公式(4)可以得到颗粒物的分形维数Df和分形系数kg。

 

图9采用不同基础油时颗粒物分形维数数据统计结果。颗粒物的聚合主要有两种方式,即颗粒-簇结合及簇-簇结合。分形维数较低的颗粒物则表示基本粒子主要以簇-簇的方式结合,会呈现疏松的碳链结构,基本粒子之间的重叠度较低。然而,高分形维数的颗粒物则更多地表现紧凑的微粒结构,基本碳粒子之间重叠系数较高,主要以颗粒-簇方式结合。

如图9所示,在低负荷工况下,颗粒物的分形维数较大,即颗粒物空间结构较为紧凑。低负荷下,颗粒物的燃烧相对高负荷不够充分,会有较多的颗粒物前驱体生成。同时,由于窜入燃烧室的基础油也无法在缸内充分燃烧,未燃部分含有较多的有机物,具有较大的黏性。因此,颗粒物前驱体及基本粒子会被附着在颗粒物表面的有机物吸附并逐渐聚合,从而导致低负荷工况下颗粒-簇的结合方式占据主导地位。相反地,在高负荷下,参与燃烧的基础油燃烧相对充分,在颗粒物的形成过程中通过颗粒-簇结合的颗粒的比例降低,从而形成疏松的空间结构。

 

对比2种不同基础油的分形维数,可以发现在同一种工况下,颗粒物分形维数差异不大,基础油对颗粒物的聚合方式影响不大。

3.2.4 回转半径

根据公式(2)以及对聚合体的最大长度L的测量,可以计算聚合体的回转半径及其分布情况,如图10所示。由图10可以看出,采用基础油作为润滑油时柴油机排放颗粒物的回转半径主要分布在100~250nm范围内。与高负荷不同的是,在低负荷工况下,有一部分的颗粒物回转半径属于100nm以下及250nm以上范围内。这可能是由于在低负荷工况下,窜入燃烧室的基础油无法完全燃烧,加剧了基本粒子之间的黏合积聚,形成更大尺寸的聚合物。这也可以解释采用150N基础油时回转半径的分布峰值向大尺寸方向迁移的原因。另外,低负荷工况下缸内气流的滚动不够剧烈,有可能会导致部分基本粒子没有足够的动力与其他粒子碰撞结合,所以会有部分聚合体的回转半径小于100nm。

 

4 结论

(1)润滑油基础油的黏度对发动机的动力性及经济性有直接影响,可能由于低黏度的基础油附着性较差,润滑油油膜不能较好地密封活塞环组与缸套接触面,从而导致发动机功率损失。

(2)基础油对发动机气态排放的影响主要体现在低黏度基础油会增加未燃HC的排放,而对NOx及CO的影响不大。

(3)不同基础油对颗粒物的基本形态及空间结构影响不大,但是低黏度基础油扩大了基本粒子的粒径分布范围,增加了基本粒子聚合体的回转半径尺寸。

(4)基础油对柴油机颗粒物排放的影响主要是由其挥发性及热特性决定的,改善基础油的挥发性成分及热性质能够为改善发动机排放做出一定的贡献。

 


 


 

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