汽车节能与排放控制技术进步及其对润滑油的要求

2007年2月润 滑 油第22卷第1期

Feb.2007LubricatingOilVol.22,No.1

文章编号:1002 3119(2007)01 0001 05

汽车节能与排放控制技术进步及其对润滑油的要求

王建昕

(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)

摘要:对以汽油机和柴油机为动力的汽车节能及排放控制技术进步进行了综述,这包括传统汽油机的主要技术、缸内直喷式汽油机的应用现状与技术难点、均质混合气压燃技术应用于汽油机的优势与研究进展、柴油机的机内净化技术以及柴油机的排气后处理技术。同时,简要讨论了这些技术进步和变化带来的对润滑油性能的新要求。关键词:润滑油;汽车节能;汽车排放控制中图分类号:TE626.3 文献标识码:A

0 前言

世界上第一台内燃机是于1876年由德国人奥托(N.Otto)研制成功的,尽管它用煤气作燃料,但它具备了四冲程、火花点火等现代汽油机的基本特征。在其10年后,1886年德国人奔茨(K.Benz)发明了世界上第一辆汽车,它用的是在奥托发动机基础上改进的火花点火汽油机。为了应用较重馏分石油燃料,又在大约10年后,1897年德国人迪赛尔(Deisel)研制成功柴油机,它采用压缩着火和空气辅助燃油喷射。这样,以石油的轻馏分为燃料,以石油的重馏分为润滑剂的内燃机和汽车,就开始奔驶在世界各地,并成为人类社会经济发展和日常生活以至战争都无法缺少的动力来源和运载工具。可以说,从内燃机和汽车诞生的那一天开始,它就与石油结下了不解之缘。

在内燃机和汽车诞生后的几十年里,主要研究工作几乎都集中在动力性、燃油经济性以及可靠耐久性方面,这使得内燃机的升功率和热效率不断提高,始终保持着各类热能动力机械中的最优地位。但在内燃机诞生90年后,也就是汽车诞生80年后,1966年美国加州颁布了世界上第一个汽车排放法规,从那时起,排气污染问题成了汽车和内燃机生死攸关的第一重要问题。

为解决汽油机和柴油机的排放问题,近50年来国际内燃机界和汽车界围绕内燃机燃烧过程进行了艰苦卓绝的研究开发,使排气污染至少降低了70%~90%以上,但这些降低排放技术不同程度的影响了动力性和燃油经济性。1970代末开始的三效催化剂在汽油机上的应用,是汽车排放控制技术进步中的一个里程碑,它标志着以催化化学为基础的排1990年代开始,美、日、欧各国相继开展了国家级规模的 油品-排放 (Auto-Oil)研究项目,燃料品质已成为排放控制中不可或缺的重要环节。由此,燃料、燃烧和后处理技术构成了汽车节能和排放控制的三个最重要因素。

润滑油一直被认为与内燃机和汽车的机械效率及耐久性有重要相关性,但随着节能和排放控制要求的不断提高,它正在成为一个同时与排放和能耗相关的不能忽视的重要因素。正是基于这一基本思想,文章在介绍汽车节能和排放控制技术进步的同时,探讨了这些技术进步与润滑油的关系。

内燃机和汽车已分别走过了130年和120年的历程,它为人类带来了巨大的技术进步,2006年的全球汽车保有量已达8.5亿辆。但目前内燃机和汽车也遇到了来自节能和排放控制等社会要求的巨大挑战,因此它需要一次新的技术革命。而在这个革命性的技术进步中,与石油化工行业的跨领域合作会变得越来越重要。

1 汽油机技术进步

汽油机是汽车的主要动力来源,在全球8.5亿辆汽车中一直占70%左右。目前绝大部分汽油车采用的是进气道电控喷油(PFI)和三效催化剂(TWC)技术,即文中所说的传统汽油机。为了降低燃油消耗率,缸内直喷式汽油机(GDI)在近10年中被商品化。为了进一步降低燃油消耗率同时大幅度降低NOx排放,均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧方法成为近年来国际研究热点。下面将分别介绍这三类汽油机的技术进步及其与润滑油的相关性。

收稿日期:2006-09-12。

作者简介:王建昕(1953-),男,日本北海道大学博士,现任清华大学,

2 润 滑 油 2007年第22卷

1.1 传统汽油机

与柴油车相比,汽油车得益于闭环电控与三效催化剂组成的高效率排放控制系统,排放法规达标相对容易,但燃油经济性不高是其最大的问题。1.1.1 传统汽油机的排放控制

三效催化剂可使汽油机排放的CO、HC和NOx三项有害成分同时降低95%以上,因此正常工作时,汽油车的排放是非常低的。为了满足越来越严格的排放法规,如何降低冷启动时(即催化剂起燃之前)HC排放一

直是关键问题。为此,汽油车的排放控制系统由一级催化剂到两级催化剂,再到多级催化剂,并与电控系统进行精确匹配。如本田公司1998年开发的零排放汽车(ZLEV)(见图1),通过采用多级催化剂、HC吸附剂以及与电控系统精确匹配优化等技术,排放仅有加州超低排放标准的1/10,在洛杉矶市区早晨上班时间路试时,排气中的HC浓度甚至低于周围大气中的HC浓度。因此,汽油车沿用 催化剂+电控 的排放控制技术路线,至少可以应对未来10年的排放法

规。

图1 本田公司的零排放控制系统(ZLEV)

三效催化剂主要劣化原因有热劣化和中毒劣化。在汽油完全无铅化之后,硫成了中毒劣化的主要原因,其次还有磷、锰、铁等。试验研究已表明硫可以明显降低三效催化剂寿命,因而实施欧!和国!排放法规时,汽油中的硫含量要降至50 g/g以下。这些有害成分不但汽油中含有,润滑油中也存在,研究表明润滑油中过高的硫、磷含量对三效催化剂的寿命有影响,因此从APISH开始SJ、SL、SM和ACEA的C系列规格都对磷、硫含量严格限制,但磷、硫对三效催化剂寿命影响的机理尚需深入研究。

废气再循环(EGR)是降低NOx排放的有效技术,目前也逐渐用于改善汽油机部分负荷工况的油耗。采用EGR技术,废气中未完全燃烧产物回到燃烧室后,有可能通过活塞与气缸壁之间的间隙泄漏到油底壳,污染和劣化润滑油,因而对采用EGR的发动机,应提高其润滑油对油泥的分散能力。1.1.2 传统汽油机的节能技术

近年来,传统车用汽油机的节能技术进步主要表现在:燃烧室结构优化、提高压缩比、顶置凸轮轴与多气门、可变气门定时和升程、进气系统优化设计与可变进气系统、双火花塞点火以及涡轮增压等。另外,停缸法(中低负荷时使部分气缸停止工作)和Go-Stop方法(汽车处于长时间怠速时,发动机自

提高机械效率也一直是汽车发动机节能的重要途径。选择合理的润滑油是保持高机械效率的有效途径。通过减少活塞环数目和张力、优化活塞裙部或其承载面、减少气缸套变形,以及降低水泵、油泵和冷却风扇等附件耗功,均可提高机械效率,改善发动机的燃油经济性。

1.2 稀燃与GDI汽油机

传统汽油机为保证三效催化剂的高效净化,必须在化学计量比条件下工作,因而其油耗偏高。稀薄混合气燃烧(稀燃)可以降低油耗(如图2),但要实现较高程度的稀燃必须采用汽油缸内直喷方式(GDI)。

第1期 王建昕.汽车节能与排放控制技术进步及其对润滑油的要求 3

GDI汽油机突破了传统汽油机均质混合气燃烧模式,利用灵活的缸内燃油喷射形成非均质的分层混合气,保证点火瞬时在火花塞周围形成易于着火的浓混合气,而燃烧室其余区域为稀混合气,这样就可以实现高度稀薄燃烧(空燃比可达40~50)、更高的压缩比和比热容比、更小的传热损失,中小负荷允许更多的空气进入气缸而使得泵气损失明显减小,因而使燃油消耗率大幅度下降。如图3所示,日本三菱公司的GDI发动机应用4气门和滚流技术,压缩比达12.5,燃油经济性可以提高25%左右。丰田汽车公司开发的D-4发动机(GDI),按日本轻型车工况测试时,可节油30%左右。作为国家 863

项目,清华大学进行了GDI发动机的研制开发。通过采用两段喷射(TSGDI)实现了稳定的稀燃,其油耗比传统进气道喷射(PFI)的发动机降低15%~24%。

GDI发动机的技术难点是,分层稀薄燃烧的控制难度极大,稀燃催化剂开发的难度和成本很高,以及为满足不断加严的排放法规而使节油效果减弱等。因此,2000年以后,欧洲采取了化学计量比均质混合气的GDI发动机技术路线,尽管其降低油耗效果只有5%~10%,但动力性的提高也会使整车油耗降低,最主要的是避开了稀燃催化剂和分层混合气控制等难点,

提高了产业化可行性。

图3 日本三菱公司的GDI发动机

GDI发动机由于在稀燃条件下工作,无法使用三效催化剂,只能使用稀燃催化剂,其中最成功的是丰田公司开发的吸附还原型催化剂。但这种稀燃催化剂对燃油中硫含量的限制非常苛刻,必须在10~20 g/g以下。润滑油中的硫含量对稀燃催化剂的影响尚有待研究。

另外,GDI发动机由于是缸内喷射,液体汽油有可能喷到气缸壁面上,造成稀释润滑油的问题。1.3 HCCI汽油机

近年来,均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧技术成为国际汽车界的最热点研究课题。柴油机采用HCCI燃烧方式可以使NOx和微粒(PM)排放同时被降低到接近零,而汽油机采用HCCI燃烧方式可以使NOx降低到接近零的同时,热效率有可能提高至现有柴油机水平。HCCI燃烧方式是有别于传统汽油机均质混合气点燃燃烧、传统柴油机非均质混合气压燃扩散燃烧、GDI发动机分层混合气点燃燃烧方式的第4种燃烧方式。HCCI汽油机燃烧特点可概括为:均质稀薄混合气,高压缩比(因为靠压缩着火),大面积多点同时着火因而放热速率高,燃烧

燃比可大于50~100)也使泵气损失减小。

图4为HCCI燃烧与其他3种燃烧方式的对比,汽油HCCI燃烧的指示燃油消耗率(ISFC)降低到180~200g/kW h,指示热效率超过50%,达到直喷式柴油机的水平,而NOx排放几乎为零,甚至低于装有三效催化剂的汽油机。

4 润 滑 油 2007年第22卷

作为国家 973 项目,清华大学正在进行HCCI发动机的研究开发。清华大学的HCCI燃烧系统采用缸内直喷方式,具有多段喷油形成分层混合气以控制着火、火花点火辅助控制着火以及内部EGR和燃油重整等特点,获得了与图4相同的低油耗及超低NOx排放试验结果。汽油HCCI燃烧中,需要比传统发动机更多的EGR,以控制着火及燃烧速率,因而废气污染润滑油的可能性增大。同时,HCCI的喷油方式将主要是缸内喷射,容易产生稀释润滑油的问题。2 柴油机技术进步

柴油机的油耗明显低于汽油机,但排放污染难以控制,因而近年来的主要技术进步集中在排放控制方面。相对于目前的排放法规,CO和HC一般不成问题,最难控制的是微粒(PM)和NOx,因为两者存在Trade-off关系。为满足国#~国 (或欧#~欧 )的排放法规,柴油机主要采用以改善燃烧为核心的机内净化技术,从国!和欧!阶段开始,柴油机将开始按装排气后处理装置,即机外净化技术。2.1 柴油车的机内净化技术

为满足国 排放法规,柴油车需要采用燃烧室优化设计、废气涡轮增压、电控并高压喷油,并根据需要推迟喷油时间或采用EGR。因此传统的直列机械高压油泵开始被淘汰,代之以高压共轨、单体泵或泵喷嘴等能使喷油压力达100MPa以上的喷油系统。另外,也有少量柴油车采用氧化催化剂(DOC)。

为满足国!排放法规,需要在进一步优化燃烧系统基础上,采用中冷及可变喷嘴的废气涡轮增压系统,进一步提高喷油压力至160MPa左右,进一步提高电控系统的匹配和控制精度,根据需要进一步加大EGR率。对重型车仅靠这些是不够的,必须同时采用NOx选择还原催化剂(SCR)或微粒捕集器(DPF)。

EGR可以显著降低NOx排放,但与上述汽油机的情况相同,柴油机大量采用EGR时也会产生污染润滑油的问题。

PM一般由碳烟(Soot)、可溶性有机物(SOF)和硫酸盐(Sulfat)组成,各占60%、30%和10%左右。其中SOF来源于未燃柴油和润滑油,用色谱或色-质联机可以进一步将SOF分解成数十种碳氢化合物,一般认为低于C19的HC来自燃油,高于C28的来自润滑油。随着发动机燃烧改善,碳烟排放会显比重提高,因此现代柴油机对润滑油的消耗也有限值要求。

PM中硫酸盐的多少主要与燃料的含硫量有关,另外也包括其他金属盐和重金属成分。因此从国#到国 阶段,柴油的含硫量由1000 g/g降低到350 g/g,国!阶段考虑到催化剂的应用有可能降到50 g/g以下。随着燃料含硫量的大幅度降低,来自润滑油中的硫和其他成分对PM中硫酸盐的贡献将会增大,因此有必要限制润滑油中硫及各种金属成分的含量。2.2 柴油车的后处理技术

实用化的柴油机后处理技术主要有氧化催化剂(DOC)、NOx还原催化剂、微粒捕集器(DPF)。

DOC可以通过氧化反应降低排气中的CO和HC成分以及微粒中的SOF,同时对乙醛等尚未限制的有害成分(非常规排放)也有效果。但DOC也会将排气中的SO2氧化成SO3,遇水生成硫酸盐。一般认为,柴油中的含硫量大于100 g/g时,采用DOC后会使PM排放升高,因此必须使用低硫柴油。

目前商品化的DPF一般采用陶瓷材料作过滤体,对PM的净化效率高达90%以上。但随PM在DPF中的积存,排气背压增大,导致柴油机动力性和油耗恶化,必须及时将积存的PM除去,即必须进行再生。目前应用最多的再生方法是在陶瓷滤体表面涂敷白金等贵金属,对PM进行催化氧化,但排气中的硫会使贵金属中毒,很快失活,润滑油中的硫酸盐灰分会堵塞过滤器,造成过滤器不能再生。目前商品化的柴油机NOx净化技术有:选择催化还原(SCR)法、吸附还原催化(LNT)法。欧洲已于2005年底实施了柴油车的欧!排放法规,重型柴油车广泛采用了以尿素为还原剂的SCR催化剂系统,这种催化剂有较好的耐硫性能,可以用欧 标准的柴油(含硫量%350 g/g)工作。但未来实施欧&和欧 法规时,为进一步降低NOx,需要在SCR催化剂前设置氧化催化剂以增加NO2比重,而DOC是要求低硫柴油的。LNT法除了在柴油车上应用,在前述的缸内直喷汽油机上也采用,但LNT催化剂十分容易硫中毒。

鉴于上述柴油机后处理装置对低硫燃料的苛刻要求,欧、日、美各国已将其柴油含硫量限制在50 g/g以下,实际中甚至低到10 g/g左右。随着柴油含硫量的大幅度降低,润滑油含硫量的影响可能,

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油机油规格中对润滑油的硫含量、磷含量和硫酸盐灰分都有严格的限制。但其具体影响机理和程度尚缺乏系统的研究。柴油机排放控制技术见图5

。

将这些含氧燃料应用于柴油机时,还会得到显著的降低排气烟度和微粒的效果。如图6所示,清华大学采用乙醇-生物柴油-柴油混合燃料,在大

负荷时,E10B(乙醇10%、生物柴油10%、其余柴油)、E20B和E30B分别比原柴油(E0)的烟度降低了30%,55%,85%。这非常有助于柴油机脱出PM与NOx排放的Trade-off

关系怪圈。

图5 柴油机排放控制技术

3 替代燃料

汽车的替代燃料有压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、二甲醚(DME)等气体燃料,以及甲醇、乙醇、甲脂(生物柴油)等液体含氧燃料。特别是液

体含氧替代燃料,不但具有汽车燃料供给系统改造最小便于推广应用的特点,同时由于含氧,可以改善汽车排放特性。目前,含10%乙醇的汽油已在全国10个省市推广应用,车辆可以不作任何改造。这不但有显著的石油替代效果,而且可以降低怠速时CO和HC排放。但是高掺混比的乙醇-汽油或甲醇-汽油如(E85和M85)有可能使润滑油的劣化加快,而用纯乙醇特别是纯甲醇时这种现象会更严重。

4 总结

油品、燃烧和后处理技术构成了当今汽车节能和排放控制的三角鼎立对策技术框架。改善发动机燃烧以及采用催化剂等后处理技术方面的研究开发工作,经多年的积累已比较成熟,相比之下燃料的影响及其机理尚需系统深入的研究,而润滑油对汽车排放的影响更是存在许多未知问题。因此,为实现节能环保绿色汽车的目标,汽车界与石化界的跨行业精诚合作研究是非常必要的。

图6 用含氧燃料降低柴油机排气烟度的效果

THETECHNOLOGYPROGRESSOFAUTOMOBILEFUELECONOMYANDEMISSIONCONTROLANDITSREQUIREMENTONLUBRICANT

WANGJian-xin

(StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Thetechnologiesofautomobilefueleconomyandemissioncontrolpoweredbygasolineengine

anddieselenginearereviewed.Thesetechnologiesincludethetechnologyfortraditionalgasolineengine,thenewconceptcombustiontechnologiessuchasgasolinedirectinjectionandhomogeneouschargecompressionigni tion,cleancombustionin-cylinderandafter-treatmenttechnologiesfordieselengine.Meanwhile,thenewrequirementofautomobilefueleconomyandemissioncontrolonlubricantarebrieflydiscussed.

fuelcontrol

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