基于燃油添加劑顆粒過濾器再生的研究

溫林生，黃會(huì)波（.浙江金剛汽車有限公司，臺(tái)州330044；.日本國立千葉大學(xué)工學(xué)研究科，千葉市6385）

【設(shè)計(jì)與計(jì)算】

基于燃油添加劑顆粒過濾器再生的研究

溫林生1，黃會(huì)波2
（1.浙江金剛汽車有限公司，臺(tái)州330044；2.日本國立千葉大學(xué)工學(xué)研究科，千葉市2638522）

一種采用Ce/Fe燃油添加劑聯(lián)合碳化硅壁流式過濾器再生方式被發(fā)展，在15 mg/kg Ce/Fe燃油添加劑加入含硫量300 mg/kg柴油的情況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，過濾器在排氣溫度為420℃時(shí)取得了連續(xù)再生，但不能在全部運(yùn)行條件下獲得安全再生。通過進(jìn)氣節(jié)流修正發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況下的排氣溫度MAP圖，過濾器進(jìn)行歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)再生試驗(yàn)，其前后端平均壓差為170 mbar，在全部運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定再生。

柴油機(jī)顆粒過濾器燃油添加劑進(jìn)氣節(jié)流再生

1　　引言

柴油機(jī)排氣中顆粒（PM）對(duì)環(huán)境和人體健康造成極大危害，顆粒過濾器裝置由于其對(duì)PM具有較高的過濾效率已成為柴油車顆粒排放后處理的有效手段。柴油機(jī)顆粒過濾器的再生研究一直是汽車排氣凈化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。當(dāng)顆粒過濾器（DPF）前后端壓差達(dá)到了20 kPa以上，柴油機(jī)工作開始明顯惡化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能下降，必須及時(shí)除去沉積在過濾器中的微粒，才能使DPF繼續(xù)正常工作，即DPF的再生［1］。柴油機(jī)顆粒過濾器的再生方法有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生，以及二者的結(jié)合。主動(dòng)再生是通過電加熱器、燃燒器、微波等技術(shù)，提供額外的能量使柴油機(jī)排氣溫度達(dá)到PM的起燃溫度（600℃），實(shí)現(xiàn)過濾器的再生；被動(dòng)再生是通過在燃油或者過濾體表面加入催化劑，降低PM的反應(yīng)活化能，從而降低PM的起燃溫度，使得PM在較低溫度下也能氧化燃燒［2］。燃油添加劑再生技術(shù)是將燃油添加劑加入柴油中并充分混合均勻，然后催化劑在柴油機(jī)燃燒過程中生成，并附著在PM顆粒上，通過降低吸附在顆粒過濾器的PM點(diǎn)火溫度，以及控制燃燒過程的散熱量催化顆粒過濾器的再生，從而穩(wěn)定而持久地降低柴油機(jī)的PM排放物。同時(shí)由于這種催化劑是添加在柴油中的，它在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中會(huì)以納米晶體的形式牢牢附著在碳煙顆粒上，所以對(duì)柴油中的硫含量不會(huì)太敏感［3～4］。柴油車的排氣溫度一般在150℃～350℃，基于燃油添加劑過濾器被動(dòng)再生在發(fā)動(dòng)機(jī)全部運(yùn)行狀況下并不能充分，尤其在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷情況下，為了保證過濾器能夠安全連續(xù)再生，主動(dòng)再生的輔助措施很有必要［5～8］。進(jìn)氣節(jié)流、提高進(jìn)氣溫度、后噴、減少進(jìn)氣壓力等手段都可以提高排氣溫度，輔助顆粒過濾器再生。進(jìn)氣節(jié)流可以通過減少柴油機(jī)的進(jìn)氣量，使過量空氣系數(shù)λ從8降到1.5，排氣溫度能有300℃左右的提高，因此一種聯(lián)合燃油添加劑和進(jìn)氣節(jié)流的顆粒過濾器再生系統(tǒng)被發(fā)展。

2　　試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)是在一臺(tái)4110柴油機(jī)上進(jìn)行的，并且在進(jìn)氣歧管上加裝一個(gè)進(jìn)氣節(jié)流閥，通過改變節(jié)流閥的開度來控制過量空氣系數(shù)λ，以提高排氣溫度。柴油機(jī)性能參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用的顆粒過濾器為碳化硅的壁流式載體，具體結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表2。燃油添加劑主要原料為鈰（Ce），并且含鐵（Fe）。添加劑添加量的確定見圖1。

表1　4110柴油機(jī)主要參數(shù)

圖1　　燃油添加劑（FBC）的添加量與燃油體積和目標(biāo)濃度的關(guān)系

3　　平衡溫度的確定及排溫分布

3.1平衡溫度的確定

從柴油顆粒過濾器再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)和能量消耗考慮，連續(xù)再生的最小溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。中國目前所用柴油的硫含量（質(zhì)量）在300 mg/kg 到2 000 mg/kg不等，試驗(yàn)采用硫質(zhì)量含量在300 mg/kg的柴油，Eolys添加劑的體積濃度為 15 mL/kL。平衡溫度按照以下步驟確定：保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，通過測(cè)功機(jī)改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷來改變發(fā)動(dòng)機(jī)排溫，直到排氣流經(jīng)顆粒過濾器產(chǎn)生的壓降保持穩(wěn)定，這一狀態(tài)定義為平衡點(diǎn)，即所有進(jìn)入顆粒過濾器的PM被燃燒掉，顆粒過濾器內(nèi)的PM不再有任何增加。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

表2　　碳化硅過濾器主要參數(shù)

圖2　　連續(xù)再生最小溫度

從圖2可以看出，在硫含量為300 mg/kg（質(zhì)量）的柴油中加入濃度為15 mL/kL（體積）Eolys添加劑的情況下，DPF開始入口溫度為470℃，前后端壓差為18.3 kPa，并呈逐漸下降趨勢(shì)。在186 min時(shí)，通過DPF的壓差降為14 kPa，說明過濾器中的PM被氧化的速度大于捕集的速度。然后通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，提高DPF的入口排氣溫度達(dá)到580℃以上，保持30 min，再減少發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低DPF入口的排氣溫度至390℃，此時(shí)DPF前后端壓差9.6 kPa，遠(yuǎn)低于初始?jí)翰?，說明DPF再生完全。保持發(fā)動(dòng)機(jī)工況不變，即DPF入口溫度為390℃，持續(xù)到第366 min，此過程中DPF前后端壓差呈線性增加至16.9 kPa，然后改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷使DPF入口溫度達(dá)到400℃，并隔一段時(shí)間保持負(fù)荷小幅度增加。在第492 min時(shí)排溫提高至420℃，過程中DPF前后壓差幾乎不變，即17 kPa左右；然后增加負(fù)荷使排溫達(dá)到450℃，DPF前后壓差有輕微的下降，壓差為15.5 kPa。通過以上分析可知，在入口溫度420℃左右時(shí)，排氣通過DPF的壓降保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，此為DPF的平衡溫度。

3.2柴油機(jī)排溫分布

從以上分析可以知道，Eolys燃油添加劑體積濃度為15 mL/kL時(shí)，連續(xù)再生的最小溫度為420℃。在柴油機(jī)實(shí)際工況下，為了保證顆粒過濾器在全工況下能夠安全連續(xù)再生，顆粒過濾器入口溫度應(yīng)適當(dāng)提高到450℃。通過調(diào)整進(jìn)氣節(jié)流閥的開度，以歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（ESC）13工況點(diǎn)為比較基準(zhǔn)，確保4110柴油機(jī)能在絕大多數(shù)工況下的排氣溫度在顆粒過濾器入口端達(dá)到450℃。以450℃為基準(zhǔn)修正的4110柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速/扭矩MAP圖見圖3。

圖3　　進(jìn)氣節(jié)流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩map圖的影響

4　　歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)再生試驗(yàn)

分別在不加燃油添加劑、加15 mL/kL燃油添加劑（Ce/Fe）、15 mL/kL燃油添加劑（Ce/Fe）+進(jìn)氣節(jié)流三種情況下，按歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)要求對(duì)DPF進(jìn)行再生試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)上述三種情況分別進(jìn)行了6個(gè)歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)的再生試驗(yàn)，每個(gè)ESC循環(huán)運(yùn)行28 min，取DPF前后端壓差在6個(gè)ESC上的平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明，向柴油中添加濃度為15 mL/kL的燃油添加劑（Ce/Fe），再加上進(jìn)氣節(jié)流以提高排氣溫度，在這種條件下再生時(shí)，DPF前后端壓差平均值最小，為17 kPa；其次為僅采用添加劑進(jìn)行再生，DPF前后端壓差平均值為20.4 kPa；當(dāng)不采用上述兩項(xiàng)措施進(jìn)行再生時(shí)，則DPF前后端壓差平均值最大，達(dá)到了26.6 kPa。

圖4　DPF歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)再生試驗(yàn)

5　　結(jié)論

（1）向含硫量300 mg/kg的柴油中加入低劑量的Ce/Fe燃油添加劑，能使DPF再生時(shí)的起燃溫度從600℃降低至420℃左右。但柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況下，排氣溫度低于這個(gè)溫度，因此采用進(jìn)氣節(jié)流來提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，以輔助DPF再生很有必要。

（2）通過進(jìn)氣節(jié)流修正發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷排氣溫度MAP圖，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在絕大多數(shù)工況下，排氣溫度達(dá)到并稍高于DPF連續(xù)再生的最低溫度420℃。并對(duì)DPF進(jìn)行了歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)再生試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用燃油添加劑加上進(jìn)氣節(jié)流這兩項(xiàng)措施能使DPF前后端平均壓差在整個(gè)測(cè)試循環(huán)過程中保持在一個(gè)相對(duì)安全水平，小于20 kPa。

［1］Hield P.The Effect of Back Pressure on the Operation of a Diesel Engine.DSTO-TR-2531［R］.Australia Defence Science and Technology Organisation，2011.

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Development of DPF system for Commercial Vehicles（Second Report）-Active Regeneration Function in Various Driving Condition-［C］，SAE 2005-01-3694.

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Research on the DPF Regeneration Based on Fuel Additives

Wen Linsheng1，Huang Huibo2
（1.Zhejiang Jingang Automotive，Taizhou 330044，China；2.Chiba University，Chiba 2638522，Japan）

A regeneration method combined Ce/Fe fuel additive with silicon carbide wall-flow monolith filter was development.The results of experiment based engine bench show that continuous regeneration can be achieved when Ce/Fe fuel additive dosing rate is as low as 15ppm in diesel fuel with sulfur level 300ppm by weight and exhaust gas temperature reaches 420℃，however，does not happen in all operation conditions. By modifying exhaust gas temperature MAP in low loads and low speeds through inlet throttling，continuous regeneration of filter can be achieved in European Steady Test Cycle，the average pressure drop across filter is 170mbar.

diesel engine，DPF，fuel Additives，Intake throttling，regeneration

來稿日期：2015-07-25

溫林生（1978-），男，本科，主要研究方向?yàn)槠嚺欧趴刂萍夹g(shù)。