低排放、长寿命柴油机对燃料和润滑油的需求

1、2007年中国内燃机学会油品与清洁燃料分会第一届学术年会论文 编号:070910低排放、长寿命柴油机对燃料和润滑油 的需求李桂云(中国石油兰州润滑油研究开发中心 甘肃兰州 730060摘要:降低环境污染是世界共同关注的目标,重负荷柴油车作为氮氧化物和颗粒物排放的贡献者,降低柴 油机排放、开发清洁型柴油机是达到排放要求的关键因素,柴油机后处理系统会对燃料和润滑油的提出更 高的要求,带有尾气后处理发动机必须使用低硫燃料和低硫、低磷、低硫酸盐灰分(低 SAPS柴油机油。 关键词:柴油机 ; 清洁 ; 燃料 ; 润滑油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前言降低柴油机的排放是全球范围的需求,降低颗粒物和氮氧化物(NOx排放是柴油机发

4、 展的关键因素,氮氧化物是汽缸做功过程中空气里氮的氧化,颗粒物由固体碳(烟炱 、硫 化物、 水和未完全燃烧的燃料、 润滑油产物。 氮氧化物形成的烟雾和酸雨造成水源和庄稼的 污染, 颗粒物对人体健康带来麻烦, 有效地控制排放对社会带来效益, 并且可以提高燃料经 济性和延长发动机使用寿命。2010年是柴油机发展的一个里程碑,柴油机将会被定义为“清洁” ,美国、欧洲、日本 在 2010年前对降低柴油机的排放有新的举措出台, 与之相适应的系统将会发生较大的变化, 低硫燃料的使用、 汽缸燃烧系统的设计改进、 废气后处理的变化以及与废气后处理系统相适 应的润滑油。燃料硫含量水平将严重影响 NOx 的吸附和

5、颗粒物的排放,低硫燃料是保证带有尾气处 理系统发动机工作的基础。对新一代柴油机油来讲发动机寿命与尾气后处理的平衡是最为困难的事情, 为了达到这 个目的, 美国公布了满足 EPA2007排放需求的装有粒子捕获器的新一代柴油机的润滑油标准 APICJ-4,此柴油机油标准中增加了硫、磷元素和硫酸盐灰分的限制要求,发动机台架试验 也有较大的改变。2 排放法规美国最早控制排放的法规出现在 1988年,经过 20年的发展,氮氧化物从 14.4降至 0.27g/kWh,颗粒物从 0.8降至 0.013g/kWh,与法规相适应的润滑油规格也从 API CE发展 到了 APICJ-4 ,适应 2010年新排放法

6、规的润滑油规格也会提高到 PC-11。表 1 美国重负荷柴油机的排放需求年代 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 颗粒物,g/kWh 14.4 8.05 6.7 6.7 5.4 3.3 1.5 0.27 对应的润滑油 CE CF-4 CG-4 CH-4 CI-4 CJ-4 PC-11 S,% 5000 500 15表 2 欧洲重负荷柴油机排放要求ESC + ELR试验循环 ETC 试验循环分类 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 减低排放的措施和润滑油的发展3.1缸内净化3.1.1减低缸内氮氧化物和颗粒物从 1988年到 1991年, 通过改进汽缸内燃烧等措施达到排放要求如电控喷嘴、

8、 空气涡流 控制、碗型汽缸、涡轮增压、中间冷却、降低油耗。为了满足 1994年的颗粒物排放柴油的 硫含量由 5000ppm 降低到 500ppm。在燃料 500ppm 下润滑油对不同发动机没有影响, 它可以提供发动机寿命并延长换油期, APICG-4 所有发动机试验采用 500ppm 的柴油。3.1.2延迟燃料进气时间降低 NOx为满足更低的颗粒物排放, 发动机设计顶环台距离缩短, NOx 化物从 6.7降到 5.4g/kWh以延迟燃料进气时间达到, 发动机设计的两个变化造成汽缸燃烧室烟炱的增加。 为了改进因 烟炱而带来的发动机油粘度增长和磨损问题,CH-4 在 1998年出台。3.1.3冷却

9、废气再循环(EGR进一步降低氮氧化物由于汽缸顶部温度是影响氮氧化物排放最有效的因素, 美国除康明斯外各大汽车制造商 都采用 EGR 技术降低氮氧化物来满足 2002排放标准。EGR 使得进气中废气含量占到 25-35%,降低排气温度从 650到 250-300;500ppm 在 汽缸内形成硫化物和硫酸的水平提高,冷却液和油温越高,气缸中酸的浓度也越大,CI-4通过提高清净剂水平保护缸套、提高抗氧剂水平保护因氧化而带来的轴承腐蚀。3.2尾气后处理技术缸内净化可以在一定程度上降低氮氧化物和颗粒物的排放,但不能满足 2005-2010美 国、欧洲、日本排放要求,即欧 IV 和欧 V 排放要求,因此后

10、处理技术和低硫燃料得到广泛 应用。现在常用的后处理系统有:氧化催化剂、氮氧化物吸附剂、选择性催化剂(SCR 、粒 子过滤器(DPFs和连续再生捕获器(CRT等。由于尾气后处理系统的采用,现有规格的 CH-4/CI-4 等产品不能满足使用要求,2006年初提出了 CJ-4柴油机油规格将重负荷柴油发动机润滑提高到了新的水平, CJ-4 不仅包 括了早期标准中所有性能要求而且更加适应于 2007年后苛刻发动机的环境保护要求 。4 燃料和润滑油元素含量对尾气后处理技术的影响4.1 柴油硫含量的影响燃料的挥发性能、 芳烃含量和硫含量都会影响发动机的排放效果, 柴油的硫含量不仅影 响颗粒物排放, 而且影响

11、 NOx 吸附转化的效果, 图 1是柴油硫含量与 NOx 转化率的关系试验, 燃料中硫含量为 300ppm 时,发动机行驶不到 100公里对 NOx 的转化率已降低为 60%,燃料 中硫含量 30ppm 发动机行驶 300公里对 NOx 的转化率达到 85% , 当燃料中硫含量小于 10ppm 时对 NOx 的转化率基本保持在初始水平,柴油的硫含量影响排放的效果非常明显。柴油硫含量对颗粒物排放的影响见图 2, 可以明显看出, 柴油硫含量大于 30ppm 时, 颗 粒物的排放大于 0.020 g/kWh,即已不能满足欧 IV 和欧 V 颗粒物排放限值,也就是说,要 达到欧 IV 和欧 V 颗粒物

12、排放,柴油的硫含量必须低于 30ppm 。 美国、 欧洲、 日本为满足使用后处理系统的发动机, 燃料低硫化的时间表见图 3、 图 4 , 美国市场 2007年低硫柴油(小于 15ppm将达到 95% , 2010年达到 100%; 德国目前已为 10ppm、 澳洲、日本也在不久会实现 10ppm 的目标。 4.2 润滑油化学元素的影响2007年柴油发动机不仅增加 DPF、CRT 满足新排放法规的要求,而且对制造商提出了提高发动机使用寿命的特殊要求,下图是不同类型柴油车的行驶里程要求。图 5 长寿命柴油机的新要求要使所有的柴油车后处理系统在 24万公里内发挥作用,DPF 堵塞和催化剂的失活影响应

13、降至最低。由于再生后的金属保留在捕获器中,金属清净剂和 ZDDP 可造成捕获器排气背压增加,润滑油硫酸盐灰分导致过滤器堵塞,由金属清净剂和 ZDDP 带来的润滑油硫酸盐灰分等是影响的主要因素。 燃料中硫可快速降低 NOx 吸附转化的效率, 但是没有还足够的数据支持润滑油中的硫带来 NOx 转化效率降低。 颗粒物 NOx DPF NOx 吸附剂 S 硫酸盐灰分 降低 NOx 催化剂 P SCR 图 6 后处理系统对润滑油元素的要求 P API CH-4/CI-4 规格的产品限制硫酸盐灰分 1.3-2.0%，但是没有对硫、磷元素提出要 求，对于满足后处理系统的 API CJ-4 规格的产品，提出了

14、低 SAPS 概念，即低硫酸盐灰分、 低磷、低硫，硫酸盐灰分控制在 1.0%以下，并增加硫、磷要求。 表 3 重负荷柴油机油对元素含量的限制 API CJ-4-2006 硫酸盐灰分，% 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 柴油机油的性能要求 API CJ-4 规格的产品需通过 8 个发动机台架试验。 5.1 阀系磨损 在三个不同烟炱水平下测定润滑油的抗磨损能力，6%烟炱下带有 EGR 的 Cummins ISM 取代 M11 ；4%烟炱下 GM6.5 和 3.5% 烟

15、炱含量下带有 EGR 的 Cummins ISB 的阀系磨损系列 试验评定油品的防止阀系磨损的性能。 5.2 活塞沉积物和油耗的控制 燃料硫含量 15ppm 下的 Caterpillar C-13 和硫含量 500ppm 下的 Caterpillar 1N 评价 油品的活塞沉积物控制能力和油耗控制能力。 5.3 汽缸磨损、油品氧化、烟炱分散能力 带有 EGR 的 Mack T-12 在硫含量 15ppm 下测定油品的防止缸套磨损的能力， 本试验取代 MackT-10 ；用评价汽油机油抗氧化能力的 MS 程序 IIIG 试验来评价油品的抗氧化性能；在 烟炱 6% 用带有 EGR 的 Mack T-11(11A取代 T-8E 检测油品的烟炱分散能力。 75 表4 试验 Mack T-11(11A Mack T-12 Cummins ISM Cummins ISB GM 6.5 RFWT Caterpillar C-13 Caterpillar 1N MS G API CJ-4 的发动机试验 性能 烟炱 6%的粘度增长 环、缸套磨损、油耗、腐蚀 阀系磨损、热稳定性、油泥 阀系磨损