汽车节能与排放控制技术进步及其对润滑油的要求

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:T E626.3 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气后处理技术成为现代汽车不可缺少的重要组成。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,现任清华大学教授,汽车安全与节能国家重点实验室副主任,中国内燃机学会理事。

2007年2月Feb.2007 润 滑 油

Lubricating Oil

第22卷第1期

Vol.22,No.1

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(ZL EV)

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API SH 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

动停止运转)也在国外开始得到应用。

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)。

图2 汽油机空然比对油耗的影响

2 润 滑 油 2007年第22卷