天然气发动机排放的颗粒物数量及其微观特性：润滑油的作用

《Journal of the Energy Institute》：Particulate number emissions and particle micro-characteristics from natural gas engines: the role of lubricating oils

降低天然气发动机润滑油的颗粒物排放特性及机理研究，通过实验分析不同粘度与组成的润滑油对PN排放的影响，采用TEM-EDX表征颗粒微结构及化学成分。结果表明高硫矿物油基础油（L-Soil30）PN达2.79×107 N/cm3，合成油（L-oil30）仅9.23%，粘度增加使CO、HC和PN均降低，颗粒形态从球形ZnO到链状结构演变，碳氧含量随粘度变化呈现差异，合成油颗粒含更高硅元素。

　　本研究聚焦于天然气发动机中润滑机油对颗粒物排放的影响，特别是在颗粒数（PN）排放方面的表现。随着全球对环境保护和碳减排的重视，各国陆续出台更为严格的排放标准，其中中国在2020年正式提出了实现“碳达峰”和“碳中和”的战略目标，标志着能源行业进入了一个以低碳转型为核心的新阶段。在此背景下，天然气作为一种清洁、低碳的燃料，其在重型商用车辆动力系统中的应用日益广泛。然而，尽管天然气燃烧相比柴油具有更低的碳排放，其颗粒物排放，尤其是PN排放，仍然是制约其推广的重要因素。

PN排放主要指的是排气中超细颗粒物的数量浓度，这些颗粒物通常具有小于100纳米的直径。由于其体积小、数量多，这些超细颗粒物容易进入人体呼吸道，进而引发多种呼吸系统疾病。同时，PN排放还与雾霾的形成密切相关，对交通安全和生态环境构成潜在威胁。因此，控制PN排放不仅关乎公众健康，也是环境保护的重要组成部分。在当前的政策和法规框架下，对PN排放的限制日益严格，特别是在中国，重型柴油发动机的PN排放限值在2021年实施的中国-VI标准中首次被明确设定，要求PN排放低于6×1011个/公里。

对于天然气发动机而言，其PN排放虽然在某些情况下低于柴油发动机，但在特定工况下，如瞬态加速和高负荷运行时，PN排放却显著上升，甚至超过柴油发动机的排放水平。这一现象主要归因于天然气发动机燃烧过程中产生的大量纳米级颗粒物。已有研究表明，润滑机油是导致PN排放的重要来源之一。润滑机油在燃烧过程中可能进入燃烧室，经历热解反应，进而形成颗粒物。这一过程不仅影响颗粒物的生成，还可能改变其化学组成和微观结构。

为了深入探讨润滑机油对PN排放的具体影响，本研究选择了一款符合中国-VI标准的重型天然气发动机，采用四种不同组成和粘度等级的润滑机油进行实验。通过实验，研究团队分析了润滑机油对发动机燃烧性能和排放特性的影响，特别是对颗粒物数量、尺寸分布以及化学成分的影响。实验过程中，采用了透射电子显微镜（TEM）和能谱分析（EDX）等技术手段，对不同润滑机油生成的颗粒物进行了微观结构和化学成分的分析。

实验结果显示，在1700转/分钟和10%负荷条件下，使用含矿物基础油和高硫添加剂的L-Soil30润滑机油时，PN排放显著增加，达到2.79×10?个/立方厘米。相比之下，使用粘度相近的合成基础油L-oil30时，PN排放仅为L-Soil30的9.23%。这表明润滑机油的组成对其对PN排放的贡献具有显著影响。此外，随着润滑机油粘度的增加，CO、HC和PN的排放均有所下降，但颗粒物中积聚模式的颗粒比例却上升。这说明粘度的变化不仅影响了颗粒物的生成量，还可能改变了其形态特征。

通过TEM-EDX分析发现，L-Soil30润滑机油生成的颗粒物中存在规则的球形氧化锌（ZnO）颗粒，这些颗粒能够吸附碳颗粒，形成簇状的颗粒物聚集结构。而L-oil30润滑机油生成的颗粒物则呈现出链状结构。L-oil50润滑机油的颗粒物形态较为不规则，表现为絮状聚集，且其初级颗粒直径较大。EDX光谱分析进一步表明，随着润滑机油粘度的增加，颗粒物中的碳含量上升，氧含量下降，同时合成机油生成的颗粒物中硅（Si）含量较高。这些发现揭示了润滑机油的化学成分和物理特性如何影响颗粒物的生成和排放特性。

研究还指出，润滑机油的粘度和组成是影响天然气发动机PN排放的关键因素。高粘度润滑机油不仅能够降低PN排放，还能改变颗粒物的形态，使其更倾向于形成积聚模式的颗粒物。这一发现对于优化润滑机油配方，以减少PN排放具有重要意义。同时，研究结果也为进一步分析颗粒物的形成机制提供了理论依据，有助于开发更高效的排放控制技术。

从现有研究来看，润滑机油在燃烧过程中的参与对颗粒物的生成具有重要作用。然而，目前对于润滑机油的组成和粘度如何具体影响颗粒物的微观结构和化学成分的研究仍显不足。因此，本研究通过实验手段，系统地分析了不同润滑机油对天然气发动机PN排放的影响，为相关领域的深入研究提供了新的视角和数据支持。

研究结果表明，润滑机油的粘度和化学组成是影响PN排放的关键因素。高粘度润滑机油能够有效降低PN排放，这可能是由于其在燃烧过程中形成的颗粒物更容易被气流带走，或者其化学成分对燃烧产物的形成具有一定的抑制作用。而润滑机油的化学组成则直接影响颗粒物的生成路径和化学成分。例如，矿物基础油和高硫添加剂的使用可能导致更多的金属成分进入颗粒物，从而改变其化学性质和排放特性。

此外，研究还发现，不同粘度等级的润滑机油在燃烧过程中对颗粒物的形态产生显著影响。高粘度润滑机油生成的颗粒物更倾向于形成积聚模式，而低粘度润滑机油则可能生成更多的链状结构。这一现象可能与润滑机油在燃烧过程中的热解行为有关，不同粘度等级的润滑机油在高温下可能经历不同的化学反应路径，从而影响颗粒物的生成和形态。

本研究的实验结果不仅揭示了润滑机油对PN排放的影响机制，还为优化润滑机油配方、降低PN排放提供了实践指导。通过选择合适的润滑机油，可以在不影响发动机性能的前提下，有效减少颗粒物的生成，从而满足日益严格的排放标准。同时，研究结果也为相关行业提供了技术参考，有助于推动天然气发动机的清洁化发展。

总体而言，本研究通过系统的实验分析，深入探讨了润滑机油对天然气发动机PN排放的影响。研究结果表明，润滑机油的粘度和化学组成在很大程度上决定了颗粒物的生成路径和排放特性。高粘度润滑机油能够有效降低PN排放，而不同化学成分的润滑机油则可能对颗粒物的形态和化学成分产生不同的影响。这些发现不仅有助于理解天然气发动机颗粒物排放的机制，也为未来的排放控制技术提供了新的思路和方向。