鐵基燃油添加劑對柴油機顆粒排放影響的試驗研究

張川， 孟忠偉， 陳超， 王武先, 張靖

(西華大學汽車與交通學院汽車測控與安全四川省重點試驗室四川汽車關鍵零部件協同創新中心， 四川 成都 610039)

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鐵基燃油添加劑對柴油機顆粒排放影響的試驗研究

張川， 孟忠偉， 陳超， 王武先, 張靖

(西華大學汽車與交通學院汽車測控與安全四川省重點試驗室四川汽車關鍵零部件協同創新中心， 四川 成都 610039)

基于發動機試驗臺架，對柴油中添加微量的鐵基燃油添加劑進行了試驗，從顆粒物數量濃度和粒徑的分布特性、排氣煙度、顆粒物的氧化特性等方面研究了燃油添加劑對柴油機顆粒物排放的影響。研究結果表明：燃油添加劑能降低柴油機排氣溫度和排氣煙度。加入添加劑后，核模態顆粒數量濃度增加，峰值粒徑也增加；積聚態顆粒數量濃度無明顯變化；顆粒物總數量濃度增加，但添加劑濃度對顆粒數量濃度影響較小。添加劑使顆粒物中SOF含量增加，同時也使得微粒的氧化表觀活化能和起燃溫度都降低。

柴油機； 顆粒； 燃油添加劑； 粒徑分布； 數量濃度； 氧化特性

柴油機由于其在動力性、燃油經濟性、熱效率和耐久性等方面的優點，目前被廣泛應用于運輸業中[1]。但相比同排量汽油機，柴油機顆粒物(PM)排放是前者的30～80倍[2]，這極大地限制了柴油機的發展。研究表明，在不改動車輛與發動機的結構，不增加設備的情況下，使用柴油添加劑可改變柴油的物性，使柴油起燃溫度降低，燃燒速度增快，促使柴油完全燃燒[3-6]，降低顆粒物排放。近些年，由于某些金屬單質或化合物具有較強的氧化還原特性而被用作燃油添加劑[7],并表現出良好的性能。金屬基燃油添加劑能有效提高柴油機顆粒捕集器(DPF)催化再生性能[8]，同時也能降低常規氣態污染物的排放[9]。有研究表明，添加合適比例的鐵基燃油添加劑可以在一定程度上替代柴油機氧化催化器(DOC)，與其他后處理裝置聯合使用可以凈化柴油機顆粒排放[10]。從粒徑角度，顆粒分為核模態、積聚態和粗粒態[11]，劉忠長[8]等人的研究表明鐵基燃油添加劑可以增加核模態顆粒，但是未對排氣顆粒SOF組分或顆粒氧化特性進行研究。

本研究通過發動機臺架，對柴油機燃用摻混鐵基燃油添加劑柴油的排氣煙度、顆粒物數量濃度及粒徑分布、顆粒物氧化特性等方面進行研究，并與原機的原始排放特性進行對比，分析鐵基燃油添加劑對柴油機顆粒物排放的影響規律。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗發動機

本試驗所用的發動機為YN38-CRD2電控高壓共軌柴油機，其主要參數見表1。

表1 柴油機主要技術參數

試驗所選發動機工況轉速分別為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，扭矩分別為50 N·m和100 N·m。

1.2 試驗方法

本研究所使用的燃油添加劑為F7994鐵基燃油添加劑。以燃油添加劑為溶質，以市場采購的國Ⅳ柴油為溶劑，充分攪拌混合配制了3種混合燃料，添加劑質量分數分別為0.05%，0.2%和0.4%。發動機臺架測試系統見圖1。采用NI多通道數據采集卡采集各測點溫度、壓力信號，并實時傳輸給計算機。采用AVL415煙度計對排氣顆粒進行實時測量，同時使用DMS500快速顆粒光譜儀(FPS)對顆粒物粒徑分布進行測量。

圖1 發動機臺架系統

基于圖1的發動機臺架，將金屬濾網直接放置在排氣管后捕集柴油機顆粒，實時監測排氣溫度和金屬濾網前的排氣背壓。將濾網收集獲得的顆粒用Netzsch STA449F3同步熱分析儀進行熱重分析。試驗過程中，儀器通入體積分數為80% N2和20% O2的混合氣，從室溫以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。

將120 ℃和400 ℃時的失重率之差定義為SOF含量。干炭煙起燃溫度T10定義為柴油機顆粒在熱重試驗溫度區間內(400 ～800 ℃)反應掉的質量達到該溫度區間總反應掉的質量的10%時的溫度。

采用積分法計算柴油機顆粒氧化動力學參數[12]。反應級數n取0.7，積分法公式如下：

式中：α為失重率；T為反應溫度；A′為總指前因子；Sa,0是碳黑的初始表面積；pO2為氧氣分壓；R為通用氣體常數；β為升溫速率；E為活化能。對熱重試驗數據取對數ln{[1-(1-α)0.3]/ (0.3T2)}并與1/T進行作圖，將得到試驗曲線進行直線擬合，由擬合直線的斜率便可計算求出活化能E。

2 結果分析

2.1 添加劑對排氣溫度的影響

圖2示出了試驗工況下的排氣溫度。由圖可以看出，在試驗工況下，有添加劑(質量分數為0.05%)和無添加劑柴油的排氣溫度隨轉速(或負荷)的變化趨勢基本一致，但含添加劑柴油的排氣溫度略有降低，且降幅隨發動機轉速增加而減小。在低轉速時最大降幅分別為5.5%和4.0%。分析原因是添加劑的催化作用導致柴油混合氣的燃點降低，滯燃期縮短，使缸內預混合燃燒比例減小，從而使排氣溫度略有降低。當轉速提高，循環反應時間縮短，使得在高轉速時溫度差別減少。

圖2 添加劑對排氣溫度的影響

2.2 添加劑對排氣煙度的影響

圖3示出了試驗工況下的排氣煙度。兩種扭矩條件下，加入添加劑后排氣煙度均比原柴油的低。50 N·m工況下，0.05%，0.2% 和0.4%添加劑柴油的煙度平均降低率分別為9.2%，21.6%和35.2%，100 N·m工況分別為14.3%，21.3%和28.1%；添加劑濃度越大，煙度平均降幅也越大。原因是添加劑的催化作用使柴油燃燒更為充分，從而有利于排氣煙度的降低。

圖3 添加劑對排氣煙度的影響

2.3 添加劑對顆粒物粒徑分布特性的影響

燃油添加劑對顆粒物粒徑分布特性的影響見圖4。圖中用Dmax表示核模態顆粒數量濃度峰值粒徑。加入燃油添加劑后，各工況下排氣顆粒中核模態顆粒數量濃度均有不同程度增加，且峰值粒徑也增加。原機排放核模態顆粒數量濃度峰值粒徑為10～20.5 nm，加入添加劑后峰值粒徑為15.4～31.6 nm。原因是加入燃油添加劑后，在低負荷時排放溫度較低，不利于排氣中揮發性物質被氧化，直接隨發動機排出。而核模態顆粒(粒徑5～50 nm)主要來源于揮發性有機物、含硫混合物等物質[9]。因此加入燃油添加劑后排氣顆粒中核模態顆粒數量濃度增加。加入燃油添加劑后，與原機排放相比，排氣顆粒中積聚態顆粒變化不明顯，可見燃油添加劑對積聚態顆粒數量濃度影響較小。

由圖4可知，0.05%和0.2%添加劑曲線基本重合，而0.4%添加劑曲線低于上述兩條曲線，但均差別不大。相比扭矩50 N·m，在扭矩100 N·m時各濃度添加劑曲線更為接近，說明添加劑濃度(濃度范圍0.05%～0.4%)對顆粒數量濃度影響較小。

圖4 添加劑對顆粒物粒徑分布特性的影響

圖5示出了添加劑對顆粒物總數濃度的影響。由圖可見，原柴油與添加劑柴油顆粒物總濃度隨轉速變化的趨勢基本一致，但加入添加劑后顆粒物總濃度均有明顯增加。此時各個工況的顆粒物數量濃度分布以核模態為主，由前文可知加入燃油添加劑能增加核模態顆粒數量濃度，因此在有燃油添加劑加入時總顆粒數量濃度增加。此外也可看出添加劑濃度變化對總數量濃度影響相對較小，尤其在大負荷(100 N·m)工況條件下。相比原柴油，加入添加劑后顆粒物的總數量濃度增加，但煙度卻降低。這是因為核模態顆粒的粒徑小，其數量濃度變化對顆粒物總質量濃度變化影響較小，對排放總質量貢獻大的是積聚態顆?；虼至Ｗ?；因此顆粒數量濃度增加，煙度未必增加。

圖5 添加劑對顆粒物總數濃度的影響

2.4 添加劑對顆粒物氧化特性的影響

圖6示出了原柴油和0.05%添加劑柴油的排氣顆粒物中可溶性有機物(SOF)含量隨轉速的變化情況。各試驗轉速下，原柴油顆粒物SOF質量分數分別約為28.3%，16.5%，21.7%和20.4%，而添加劑燃油顆粒物SOF質量分數分別為40.3%，37.8%，38.9%和43.1%。該結果表明，加入添加劑后，顆粒物的SOF含量上升。原因是加入添加劑后，核模態顆粒數量濃度增加，該核模態顆粒在組成上是SOF組分的一個重要來源，因此導致SOF含量增加。另一方面，核模態顆粒的比表面積增加，更有利于吸附排氣中的揮發性物質形成SOF組分，兩方面共同作用使得顆粒SOF含量增加。

圖6 添加劑對顆粒物SOF含量的影響

圖7示出了原柴油和0.05%添加劑柴油的排氣顆粒物氧化反應表觀活化能隨轉速的變化情況。原柴油50 N·m扭矩下各轉速的表觀氧化活化能分別為53.4，63.9，62.4和62.5 kJ/mol，而加入添加劑后排氣顆粒表觀氧化活化能分別為50.0，49.1，55.2和51.2 kJ/mol，降低幅度為3.4～14.8 kJ/mol。說明加入添加劑后，顆粒物的表觀活化能有較大幅度的降低。

圖7 添加劑對顆粒物表觀活化能的影響

圖8示出了添加劑對干炭煙起燃溫度T10的影響。由圖可以發現，加入燃油添加劑后，干炭煙起燃溫度大幅度降低。原因如下：首先，鐵基燃油添加劑的活性催化成分與排放炭煙顆粒充分接觸，使得顆粒的氧化活性增加，致使起燃溫度T10降低；其次，柴油機顆粒是多孔介質結構，隨著炭煙表面SOF的揮發和氧化，炭煙的比表面積將逐漸增加，而含添加劑的柴油機顆粒SOF含量較高，使得干炭煙組分具有較高的比表面積，其活性增加，因此使得起燃溫度T10降低。同時由于SOF組分的氧化與干炭煙組分的氧化存在協同氧化效應[10]，隨SOF含量的增加，協同作用更加明顯，更容易降低干炭煙組分的表觀活化能。以上原因使得添加劑存在時排放顆粒的干炭煙起燃溫度下降。

圖8 添加劑對干炭煙起燃溫度的影響

3 結論

a) 燃油添加劑能降低柴油機排氣溫度，降幅隨轉速的升高而減小；

b) 加入燃油添加劑后，核模態顆粒數量濃度增加，但添加劑對積聚態顆粒數量濃度無明顯影響；

c) 燃油添加劑使排氣顆粒物總數濃度明顯增加，與核模態顆粒數量濃度增加趨勢一致，但在測試范圍內，添加劑的濃度對顆粒物總數量濃度影響相對較??；

d) 燃油添加劑能降低柴油燃燒的排氣煙度，隨添加劑濃度增加，各工況的排氣煙度平均降幅也增大；

e) 燃油添加劑使排氣顆粒物中SOF含量升高，同時使微粒表觀氧化活化能降低，微粒起燃溫度T10也降低。

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[編輯： 姜曉博]

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

國家自然科學基金資助項目(51106130);教育部“春暉計劃”合作科研項目(Z2014058);發動機燃料電控系統及尾氣后處理系統產業集群項目(成財教[2013]265);四川省教育廳青年基金項目(12ZB138);西華大學重點科研基金項目(Z1120319);四川省重點科技項目(2011JYZ014);西華大學研究生創新基金項目(ycjj2015040)

張川(1990—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機氧化催化器；413384690@qq.com。

孟忠偉(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向為柴油機顆粒物捕集器；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.016

U473.5

B

1001-2222(2016)02-0088-05