基于燃油添加劑顆粒過濾器再生的研究

溫林生，黃會波（.浙江金剛汽車有限公司，臺州330044；.日本國立千葉大學工學研究科，千葉市6385）

【設計與計算】

基于燃油添加劑顆粒過濾器再生的研究

溫林生1，黃會波2
（1.浙江金剛汽車有限公司，臺州330044；2.日本國立千葉大學工學研究科，千葉市2638522）

一種采用Ce/Fe燃油添加劑聯合碳化硅壁流式過濾器再生方式被發展，在15 mg/kg Ce/Fe燃油添加劑加入含硫量300 mg/kg柴油的情況下進行發動機臺架試驗，過濾器在排氣溫度為420℃時取得了連續再生，但不能在全部運行條件下獲得安全再生。通過進氣節流修正發動機低負荷低轉速工況下的排氣溫度MAP圖，過濾器進行歐洲穩態測試循環再生試驗，其前后端平均壓差為170 mbar，在全部運行工況下實現了安全穩定再生。

柴油機顆粒過濾器燃油添加劑進氣節流再生

1　　引言

柴油機排氣中顆粒（PM）對環境和人體健康造成極大危害，顆粒過濾器裝置由于其對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。柴油機顆粒過濾器的再生研究一直是汽車排氣凈化研究領域的熱點和難點之一。當顆粒過濾器（DPF）前后端壓差達到了20 kPa以上，柴油機工作開始明顯惡化，導致發動機動力性和經濟性等性能下降，必須及時除去沉積在過濾器中的微粒，才能使DPF繼續正常工作，即DPF的再生［1］。柴油機顆粒過濾器的再生方法有主動再生和被動再生，以及二者的結合。主動再生是通過電加熱器、燃燒器、微波等技術，提供額外的能量使柴油機排氣溫度達到PM的起燃溫度（600℃），實現過濾器的再生；被動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，從而穩定而持久地降低柴油機的PM排放物。同時由于這種催化劑是添加在柴油中的，它在發動機燃燒過程中會以納米晶體的形式牢牢附著在碳煙顆粒上，所以對柴油中的硫含量不會太敏感［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再生在發動機全部運行狀況下并不能充分，尤其在低轉速、低負荷情況下，為了保證過濾器能夠安全連續再生，主動再生的輔助措施很有必要［5～8］。進氣節流、提高進氣溫度、后噴、減少進氣壓力等手段都可以提高排氣溫度，輔助顆粒過濾器再生。進氣節流可以通過減少柴油機的進氣量，使過量空氣系數λ從8降到1.5，排氣溫度能有300℃左右的提高，因此一種聯合燃油添加劑和進氣節流的顆粒過濾器再生系統被發展。

2　　試驗準備

試驗是在一臺4110柴油機上進行的，并且在進氣歧管上加裝一個進氣節流閥，通過改變節流閥的開度來控制過量空氣系數λ，以提高排氣溫度。柴油機性能參數見表1。試驗所用的顆粒過濾器為碳化硅的壁流式載體，具體結構性能參數見表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柴油機主要參數

圖1　　燃油添加劑（FBC）的添加量與燃油體積和目標濃度的關系

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設計和能量消耗考慮，連續再生的最小溫度是一個非常重要的參數。中國目前所用柴油的硫含量（質量）在300 mg/kg 到2 000 mg/kg不等，試驗采用硫質量含量在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：保持柴油機轉速為1 700 r/min，通過測功機改變發動機負荷來改變發動機排溫，直到排氣流經顆粒過濾器產生的壓降保持穩定，這一狀態定義為平衡點，即所有進入顆粒過濾器的PM被燃燒掉，顆粒過濾器內的PM不再有任何增加。試驗結果見圖2。

表2　　碳化硅過濾器主要參數

圖2　　連續再生最小溫度

從圖2可以看出，在硫含量為300 mg/kg（質量）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。在186 min時，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。然后通過增加發動機負荷，提高DPF的入口排氣溫度達到580℃以上，保持30 min，再減少發動機負荷降低DPF入口的排氣溫度至390℃，此時DPF前后端壓差9.6 kPa，遠低于初始壓差，說明DPF再生完全。保持發動機工況不變，即DPF入口溫度為390℃，持續到第366 min，此過程中DPF前后端壓差呈線性增加至16.9 kPa，然后改變發動機負荷使DPF入口溫度達到400℃，并隔一段時間保持負荷小幅度增加。在第492 min時排溫提高至420℃，過程中DPF前后壓差幾乎不變，即17 kPa左右；然后增加負荷使排溫達到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，排氣通過DPF的壓降保持在一個相對穩定的水平，此為DPF的平衡溫度。

3.2柴油機排溫分布

從以上分析可以知道，Eolys燃油添加劑體積濃度為15 mL/kL時，連續再生的最小溫度為420℃。在柴油機實際工況下，為了保證顆粒過濾器在全工況下能夠安全連續再生，顆粒過濾器入口溫度應適當提高到450℃。通過調整進氣節流閥的開度，以歐洲穩態測試循環（ESC）13工況點為比較基準，確保4110柴油機能在絕大多數工況下的排氣溫度在顆粒過濾器入口端達到450℃。以450℃為基準修正的4110柴油機的轉速/扭矩MAP圖見圖3。

圖3　　進氣節流對發動機轉速/扭矩map圖的影響

4　　歐洲穩態測試循環再生試驗

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）+進氣節流三種情況下，按歐洲穩態測試循環要求對DPF進行再生試驗，結果如圖4所示。

對上述三種情況分別進行了6個歐洲穩態測試循環的再生試驗，每個ESC循環運行28 min，取DPF前后端壓差在6個ESC上的平均值。試驗結果表明，向柴油中添加濃度為15 mL/kL的燃油添加劑（Ce/Fe），再加上進氣節流以提高排氣溫度，在這種條件下再生時，DPF前后端壓差平均值最小，為17 kPa；其次為僅采用添加劑進行再生，DPF前后端壓差平均值為20.4 kPa；當不采用上述兩項措施進行再生時，則DPF前后端壓差平均值最大，達到了26.6 kPa。

圖4　DPF歐洲穩態測試循環再生試驗

5　　結論

（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再生時的起燃溫度從600℃降低至420℃左右。但柴油機在低轉速、低負荷工況下，排氣溫度低于這個溫度，因此采用進氣節流來提高發動機排氣溫度，以輔助DPF再生很有必要。

（2）通過進氣節流修正發動機低轉速低負荷排氣溫度MAP圖，使得發動機在絕大多數工況下，排氣溫度達到并稍高于DPF連續再生的最低溫度420℃。并對DPF進行了歐洲穩態測試循環再生試驗，發現采用燃油添加劑加上進氣節流這兩項措施能使DPF前后端平均壓差在整個測試循環過程中保持在一個相對安全水平，小于20 kPa。

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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，主要研究方向為汽車排放控制技術。