铁基燃油添加剂对柴油机颗粒排放影响的试验研究

张川， 孟忠伟， 陈超， 王武先, 张靖

(西华大学汽车与交通学院汽车测控与安全四川省重点试验室四川汽车关键零部件协同创新中心， 四川 成都 610039)



铁基燃油添加剂对柴油机颗粒排放影响的试验研究

张川， 孟忠伟， 陈超， 王武先, 张靖

(西华大学汽车与交通学院汽车测控与安全四川省重点试验室四川汽车关键零部件协同创新中心， 四川 成都 610039)

基于发动机试验台架，对柴油中添加微量的铁基燃油添加剂进行了试验，从颗粒物数量浓度和粒径的分布特性、排气烟度、颗粒物的氧化特性等方面研究了燃油添加剂对柴油机颗粒物排放的影响。研究结果表明：燃油添加剂能降低柴油机排气温度和排气烟度。加入添加剂后，核模态颗粒数量浓度增加，峰值粒径也增加；积聚态颗粒数量浓度无明显变化；颗粒物总数量浓度增加，但添加剂浓度对颗粒数量浓度影响较小。添加剂使颗粒物中SOF含量增加，同时也使得微粒的氧化表观活化能和起燃温度都降低。

柴油机； 颗粒； 燃油添加剂； 粒径分布； 数量浓度； 氧化特性

柴油机由于其在动力性、燃油经济性、热效率和耐久性等方面的优点，目前被广泛应用于运输业中[1]。但相比同排量汽油机，柴油机颗粒物(PM)排放是前者的30～80倍[2]，这极大地限制了柴油机的发展。研究表明，在不改动车辆与发动机的结构，不增加设备的情况下，使用柴油添加剂可改变柴油的物性，使柴油起燃温度降低，燃烧速度增快，促使柴油完全燃烧[3-6]，降低颗粒物排放。近些年，由于某些金属单质或化合物具有较强的氧化还原特性而被用作燃油添加剂[7],并表现出良好的性能。金属基燃油添加剂能有效提高柴油机颗粒捕集器(DPF)催化再生性能[8]，同时也能降低常规气态污染物的排放[9]。有研究表明，添加合适比例的铁基燃油添加剂可以在一定程度上替代柴油机氧化催化器(DOC)，与其他后处理装置联合使用可以净化柴油机颗粒排放[10]。从粒径角度，颗粒分为核模态、积聚态和粗粒态[11]，刘忠长[8]等人的研究表明铁基燃油添加剂可以增加核模态颗粒，但是未对排气颗粒SOF组分或颗粒氧化特性进行研究。

本研究通过发动机台架，对柴油机燃用掺混铁基燃油添加剂柴油的排气烟度、颗粒物数量浓度及粒径分布、颗粒物氧化特性等方面进行研究，并与原机的原始排放特性进行对比，分析铁基燃油添加剂对柴油机颗粒物排放的影响规律。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验发动机

本试验所用的发动机为YN38-CRD2电控高压共轨柴油机，其主要参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

试验所选发动机工况转速分别为1 000 r/min，1 600 r/min，1 900 r/min，2 200 r/min，2 500 r/min和2 800 r/min，扭矩分别为50 N·m和100 N·m。

1.2 试验方法

本研究所使用的燃油添加剂为F7994铁基燃油添加剂。以燃油添加剂为溶质，以市场采购的国Ⅳ柴油为溶剂，充分搅拌混合配制了3种混合燃料，添加剂质量分数分别为0.05%，0.2%和0.4%。发动机台架测试系统见图1。采用NI多通道数据采集卡采集各测点温度、压力信号，并实时传输给计算机。采用AVL415烟度计对排气颗粒进行实时测量，同时使用DMS500快速颗粒光谱仪(FPS)对颗粒物粒径分布进行测量。

图1 发动机台架系统

基于图1的发动机台架，将金属滤网直接放置在排气管后捕集柴油机颗粒，实时监测排气温度和金属滤网前的排气背压。将滤网收集获得的颗粒用Netzsch STA449F3同步热分析仪进行热重分析。试验过程中，仪器通入体积分数为80% N2和20% O2的混合气，从室温以0.5 ℃/s升至120 ℃，保持600 s；然后以0.5 ℃/s升至400 ℃，保持 1800 s；最后以0.5 ℃/s升至800 ℃，保持600 s。

将120 ℃和400 ℃时的失重率之差定义为SOF含量。干炭烟起燃温度T10定义为柴油机颗粒在热重试验温度区间内(400 ～800 ℃)反应掉的质量达到该温度区间总反应掉的质量的10%时的温度。

采用积分法计算柴油机颗粒氧化动力学参数[12]。反应级数n取0.7，积分法公式如下：

式中：α为失重率；T为反应温度；A′为总指前因子；Sa,0是碳黑的初始表面积；pO2为氧气分压；R为通用气体常数；β为升温速率；E为活化能。对热重试验数据取对数ln{[1-(1-α)0.3]/ (0.3T2)}并与1/T进行作图，将得到试验曲线进行直线拟合，由拟合直线的斜率便可计算求出活化能E。

2 结果分析

2.1 添加剂对排气温度的影响

图2示出了试验工况下的排气温度。由图可以看出，在试验工况下，有添加剂(质量分数为0.05%)和无添加剂柴油的排气温度随转速(或负荷)的变化趋势基本一致，但含添加剂柴油的排气温度略有降低，且降幅随发动机转速增加而减小。在低转速时最大降幅分别为5.5%和4.0%。分析原因是添加剂的催化作用导致柴油混合气的燃点降低，滞燃期缩短，使缸内预混合燃烧比例减小，从而使排气温度略有降低。当转速提高，循环反应时间缩短，使得在高转速时温度差别减少。

图2 添加剂对排气温度的影响

2.2 添加剂对排气烟度的影响

图3示出了试验工况下的排气烟度。两种扭矩条件下，加入添加剂后排气烟度均比原柴油的低。50 N·m工况下，0.05%，0.2% 和0.4%添加剂柴油的烟度平均降低率分别为9.2%，21.6%和35.2%，100 N·m工况分别为14.3%，21.3%和28.1%；添加剂浓度越大，烟度平均降幅也越大。原因是添加剂的催化作用使柴油燃烧更为充分，从而有利于排气烟度的降低。

图3 添加剂对排气烟度的影响

2.3 添加剂对颗粒物粒径分布特性的影响

燃油添加剂对颗粒物粒径分布特性的影响见图4。图中用Dmax表示核模态颗粒数量浓度峰值粒径。加入燃油添加剂后，各工况下排气颗粒中核模态颗粒数量浓度均有不同程度增加，且峰值粒径也增加。原机排放核模态颗粒数量浓度峰值粒径为10～20.5 nm，加入添加剂后峰值粒径为15.4～31.6 nm。原因是加入燃油添加剂后，在低负荷时排放温度较低，不利于排气中挥发性物质被氧化，直接随发动机排出。而核模态颗粒(粒径5～50 nm)主要来源于挥发性有机物、含硫混合物等物质[9]。因此加入燃油添加剂后排气颗粒中核模态颗粒数量浓度增加。加入燃油添加剂后，与原机排放相比，排气颗粒中积聚态颗粒变化不明显，可见燃油添加剂对积聚态颗粒数量浓度影响较小。

由图4可知，0.05%和0.2%添加剂曲线基本重合，而0.4%添加剂曲线低于上述两条曲线，但均差别不大。相比扭矩50 N·m，在扭矩100 N·m时各浓度添加剂曲线更为接近，说明添加剂浓度(浓度范围0.05%～0.4%)对颗粒数量浓度影响较小。

图4 添加剂对颗粒物粒径分布特性的影响

图5示出了添加剂对颗粒物总数浓度的影响。由图可见，原柴油与添加剂柴油颗粒物总浓度随转速变化的趋势基本一致，但加入添加剂后颗粒物总浓度均有明显增加。此时各个工况的颗粒物数量浓度分布以核模态为主，由前文可知加入燃油添加剂能增加核模态颗粒数量浓度，因此在有燃油添加剂加入时总颗粒数量浓度增加。此外也可看出添加剂浓度变化对总数量浓度影响相对较小，尤其在大负荷(100 N·m)工况条件下。相比原柴油，加入添加剂后颗粒物的总数量浓度增加，但烟度却降低。这是因为核模态颗粒的粒径小，其数量浓度变化对颗粒物总质量浓度变化影响较小，对排放总质量贡献大的是积聚态颗粒或粗粒子；因此颗粒数量浓度增加，烟度未必增加。

图5 添加剂对颗粒物总数浓度的影响

2.4 添加剂对颗粒物氧化特性的影响

图6示出了原柴油和0.05%添加剂柴油的排气颗粒物中可溶性有机物(SOF)含量随转速的变化情况。各试验转速下，原柴油颗粒物SOF质量分数分别约为28.3%，16.5%，21.7%和20.4%，而添加剂燃油颗粒物SOF质量分数分别为40.3%，37.8%，38.9%和43.1%。该结果表明，加入添加剂后，颗粒物的SOF含量上升。原因是加入添加剂后，核模态颗粒数量浓度增加，该核模态颗粒在组成上是SOF组分的一个重要来源，因此导致SOF含量增加。另一方面，核模态颗粒的比表面积增加，更有利于吸附排气中的挥发性物质形成SOF组分，两方面共同作用使得颗粒SOF含量增加。

图6 添加剂对颗粒物SOF含量的影响

图7示出了原柴油和0.05%添加剂柴油的排气颗粒物氧化反应表观活化能随转速的变化情况。原柴油50 N·m扭矩下各转速的表观氧化活化能分别为53.4，63.9，62.4和62.5 kJ/mol，而加入添加剂后排气颗粒表观氧化活化能分别为50.0，49.1，55.2和51.2 kJ/mol，降低幅度为3.4～14.8 kJ/mol。说明加入添加剂后，颗粒物的表观活化能有较大幅度的降低。

图7 添加剂对颗粒物表观活化能的影响

图8示出了添加剂对干炭烟起燃温度T10的影响。由图可以发现，加入燃油添加剂后，干炭烟起燃温度大幅度降低。原因如下：首先，铁基燃油添加剂的活性催化成分与排放炭烟颗粒充分接触，使得颗粒的氧化活性增加，致使起燃温度T10降低；其次，柴油机颗粒是多孔介质结构，随着炭烟表面SOF的挥发和氧化，炭烟的比表面积将逐渐增加，而含添加剂的柴油机颗粒SOF含量较高，使得干炭烟组分具有较高的比表面积，其活性增加，因此使得起燃温度T10降低。同时由于SOF组分的氧化与干炭烟组分的氧化存在协同氧化效应[10]，随SOF含量的增加，协同作用更加明显，更容易降低干炭烟组分的表观活化能。以上原因使得添加剂存在时排放颗粒的干炭烟起燃温度下降。

图8 添加剂对干炭烟起燃温度的影响

3 结论

a) 燃油添加剂能降低柴油机排气温度，降幅随转速的升高而减小；

b) 加入燃油添加剂后，核模态颗粒数量浓度增加，但添加剂对积聚态颗粒数量浓度无明显影响；

c) 燃油添加剂使排气颗粒物总数浓度明显增加，与核模态颗粒数量浓度增加趋势一致，但在测试范围内，添加剂的浓度对颗粒物总数量浓度影响相对较小；

d) 燃油添加剂能降低柴油燃烧的排气烟度，随添加剂浓度增加，各工况的排气烟度平均降幅也增大；

e) 燃油添加剂使排气颗粒物中SOF含量升高，同时使微粒表观氧化活化能降低，微粒起燃温度T10也降低。

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[编辑： 姜晓博]

Experimental Investigation on Influence of Fe-based Fuel Additive on Diesel Engine Particle Emission

ZHANG Chuan, MENG Zhongwei, CHEN Chao, WANG Wuxian, ZHANG Jing

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan Collaborative Innovation Center for Automotive Key Components, School of Automotive and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Through adding a little Fe-based fuel additive into diesel fuel, the influences of additive on particle number concentration, size distribution, exhaust smoke and oxidation of particulate matter were researched on a test bench. The results show that both engine exhaust temperature and exhaust smoke decrease after adding the fuel additive. The number concentration and peak size of nuclear mode particle increase and the number concentration of accumulation mode particle hardly changes. The addition of fuel additive leads to the increase of total number concentration of particle, but additive concentration has little influence on number concentration. In addition, the fuel additive leads to the increase of SOF content in particle and the decrease of intrinsic activation energy and ignition temperature of particle oxidation.

diesel engine; particulate; fuel additive; size distribution; number concentration; oxidation characteristic

2015-11-20；

2016-01-04

国家自然科学基金资助项目(51106130);教育部“春晖计划”合作科研项目(Z2014058);发动机燃料电控系统及尾气后处理系统产业集群项目(成财教[2013]265);四川省教育厅青年基金项目(12ZB138);西华大学重点科研基金项目(Z1120319);四川省重点科技项目(2011JYZ014);西华大学研究生创新基金项目(ycjj2015040)

张川(1990—)，男，硕士，主要研究方向为柴油机氧化催化器；413384690@qq.com。

孟忠伟(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向为柴油机颗粒物捕集器；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.016

U473.5

B

1001-2222(2016)02-0088-05