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机油灰分之利弊观

机油灰分之利弊观

发布时间: 2019-05-06

       最新研究发现ZDDP的配比平衡至关重要。



       润滑油行业正处于关键的转折点。环境污染不断加重,人类受到的影响越来越大,因此新的法规被制定出来,以控制汽车的二氧化碳排放以及提高燃料经济性。雅富顿的化学家、工程师与行业领袖、学术界专家合力确定汽油直喷发动机的汽油颗粒捕集器对污染物排放和系统性能的影响。

       这项研究有利于人们获得关于颗粒捕集技术的突破性见解,并且了解捕集器与某些高灰分润滑油添加剂之间的关系。

       由于目前没有前人的研究和标准行业测试作为支撑,雅富顿设计了一个加速测试法来评估当燃料和机油产生烟炱和灰分后,捕集器在发动机使用期内的耐久性。测试一一列出了机油对颗粒捕集器耐久性的复杂影响,人们还发现可以利用润滑油灰分,让捕集效果达到排放标准。

       汽车生产商通过汽油直喷技术来减少二氧化碳排放和满足燃料经济性标准,因此汽油直喷(GDI)发动机在新车中的投入使用持续增加。

       在过去17年里,GDI发动机的使用率从1%上升到44%,而且在未来5年有望增长到62%。与传统的进气道喷射(PFI)发动机相比,GDI发动机产生更多的颗粒,其中包括碳(烟炱)和无机物(灰分)。这些颗粒对环境和人体有害,因此立法部门已经设法收紧机动车辆的颗粒排放标准。汽车工程师已经找到了从机内净化到废气减排等各种减少颗粒的手段。目前研究显示,颗粒捕集技术是最为可行且最具成本效益的颗粒排放控制手段。

       在未来,全球对轻型车辆的排放要求及其生效日期只会更加严格。GDI发动机的使用率持续增长,没有减缓的迹象,因此人们需要从现在起着手于颗粒捕集器的设计,以满足将来的要求。


解决颗粒问题

     几年前,颗粒捕集器作为具有经济效益的过滤系统出现在市面上,有助于达到未来的颗粒排放标准。

      预测到这个趋势后,雅富顿测评了颗粒捕集器的性能及其对润滑油配方的影响。尽管汽油颗粒捕集器与柴油颗粒捕集器相似,但是汽油捕集器属于精密系统,如图2所示,它需要专门的设计方案。

      尽管颗粒捕集技术看来与其他技术相似,但是科学地认识汽油颗粒捕集器的功能与其工作机制十分重要,这样才能建立方法来精确评估捕集器性能以及捕集器与其他油液、成分的关系。汽油颗粒捕集器一般采用monolith结构(注:指具有多个按规则布置的通道的蜂窝结构)。monolith捕集器的部分通道前、后端被堵塞,废气从通道前段的入口进入monolith捕集器,然后通过壁孔进入临近通道,最后才能从后端出口排出。这种壁流式结构的目的在于捕集颗粒,这是捕集器内部的烟炱和灰分混合物。废气从壁孔穿过,颗粒沉积在捕集器内。

       废气流经捕集器,颗粒得以沉积,然后捕集器内形成灰分滤饼层,引起压差。这对汽车的工作具有影响;当烟炱积聚到一定数量时,捕集器的温度随发动机的工作温度升高,颗粒中的烟炱被燃烧(并主要转化为二氧化碳)。灰分残留在捕集器内,避免被排放到大气中。


建立测试方法

      对于颗粒捕集器的使用人们仍然怀有一些问题,比如:机油燃烧副产品是如何影响捕集器耐久性的?由于没有现存且精确可靠的测试方法,因此雅富顿的研发部首先重点解决这个问题。如果通过实际使用情况来评估颗粒捕集器的耐久性和性能,那么这将会是一个漫长的过程。

      为了在较短的时间内获得有效结果,测试使用了汽车行业普遍使用的加速老化技术,它比实际使用考察更快完成,降低了时间和金钱成本。

      要得到一个更合适的汽油颗粒捕集器老化测试方法,必须考虑几个关键因素,包括暴露在高温废气中引起的热老化、润滑油等(包括磨损)因素引起的灰分加载、不完全燃烧和系统工作导致的烟炱生成及再生。

      捕集器耐久性加速测试采用了一台乘用车发动机作为废气生成器。为了确定最佳的测试条件,研究人员制定了各种复杂的发动机工作参数和排放控制系统性能参数,比如废气温度、燃料消耗率、颗粒数量和烟炱数量。

      这些参数为选择工作条件和工作模式提供指导,以便在两个相反的老化条件中获得平衡:一个是模拟热老化的高温条件;另一个是烟炱、灰分积聚和滤饼层形成所需的中低温条件。

      研究人员选定了一个包括三个阶段的方案,通过燃油直喷促进灰分加载、利用高温环境增强灰分加载、在不影响灰分加载的前提下,烟炱生成并聚积在捕集器中。该方案被用于实际评估硬件技术与润滑油的关系,以及最终得出系统的性能耐久性。

机油灰分之利弊观

高灰分和低灰分机油测试

       少量润滑油在发动机工作时被燃烧掉。润滑油配方中的一些关键成分是无机物(ZDDP、清净剂),它们燃烧后的产物是灰分。这些灰分添加剂在润滑油配方中的配比需要受到控制,它们也对润滑油功能的全面性至关重要。

       在许多情况下,这些添加剂无法被非金属添加剂代替,在维持总体性能的条件下,人们需要控制它们对汽油颗粒捕集器功能的影响。

       单独解决某个问题较为容易。可是如果想要同时获得各种性能,那么这些性能之间的冲突会变得明显。

       在设计与评估时,人们需要把润滑油和捕集器看作是整个发动机、油液和排放系统的一部分。鉴于此,主要关注两方面:

       其一是灰分加载,或者说是颗粒捕集器所捕集的灰分数据,这取决于润滑油中的灰分含量、润滑油消耗率。捕集器的设计和汽车行驶里程。

        其二是灰分对汽油颗粒捕集器性能的影响,也就是灰分引起的捕集器工况变化。它的影响因素包括润滑油化学成分、捕集器特性的灰分负载。


机油灰分之利弊观

       雅富顿利用汽油颗粒捕集器测试方法,评估了高灰分和低灰分润滑油对新旧颗粒捕集器的排放性能的影响,从而了解该技术的极限。测试中的灰分含量在0.6%和1.25%之间,测试覆盖了绝大多数市售润滑油产品。测试的灰分加载总量相当于常规工况(总里程超过32万公里)下使用高灰分润滑油的加载量。测试分析了关键的性能指标,包括背压、燃料消耗、颗粒质量和颗粒数量。在新旧汽油颗粒捕集器中,高灰分和低灰分润滑油的颗粒数量和质量大致相仿。

       观察新旧捕集器的颗粒排放情况后,人们发现它们二者使用的润滑油都提高了过滤效率。这些研究结果表明,灰分滤饼层可以提高颗粒捕集器的效率,将颗粒排放量维持在规定水平之下。

       值得注意的是,崭新的捕集器过滤效率不及形成灰分滤饼层的老旧捕集器,滤饼层能够促进过滤进程。因此,控制早期的灰分加载过程十分重要,这意味着在考虑润滑油的灰分含量时,要立足于整个系统。为了让过滤效率达到一定的水平,润滑油中必须存在一定量的灰分,因为润滑油灰分是形成滤饼层的必要物质,这样才能确保过滤系统的效率和有效减排。
        在本次研究的基础上进行的其他相关研究和试验都立足于更广泛的性能要求,雅富顿认为目前行业规定的标准(0.8%硫酸盐灰分)就能为润滑油和系统性能需求提供最佳平衡。在测试了高灰分和低灰分润滑油的影响之后,该研究小组转向测试中等灰分润滑油。

 

中等灰分机油测试

        基于以上研究,研究小组测试了两款中等灰分润滑油(而非低灰分润滑油):一是满足ACEA C3机油标准的雅富顿产品(油A);二是能够减少低速早燃现象的清净剂(油B)。根据图表1,在耐久性测试结束时,每个汽油颗粒捕集器的过滤效果都能远远满足排放标准。为了更好地理解早期过滤过程,人们还考察了颗粒捕集器上游和下游的颗粒数量和颗粒质量。结果显示,当灰分继续加载时,过滤效率提高,颗粒排放减少。

       人们对环境的关注日益加强,GDI发动机系统的使用持续增长,该研究探索了能够将排放控制在现行标准之下的汽油颗粒捕集技术和相关润滑油。当润滑油具有一定量的灰分时,可以提高汽油颗粒捕集器的效率,这是控制较低颗粒排放水平的必要方法。

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