FBC添加劑對發(fā)動機及DPF的影響研究

陳明虎，孫澤，祝先標，許勤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

測試試驗

FBC添加劑對發(fā)動機及DPF的影響研究

陳明虎，孫澤，祝先標，許勤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

選定一穩(wěn)態(tài)工況，對比FBC添加前后發(fā)動機性能及DPF累碳量的變化。研究結果表明，添加FBC添加劑以后，發(fā)動機動力性有明顯的提高，DPF累碳量大幅降低，且FBC可有效預防DPF堵塞。

柴油機；顆粒物；顆粒捕集器（DPF）；燃油添加劑（FBC）

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-129-03

前言

柴油機因為其經濟性好、輸出扭矩大、耐用等優(yōu)點被廣泛應用于重型貨車、城市大巴、工業(yè)設備等。同時，柴油車的排放也越來越受到研究人員的關注，隨著我國汽車排放標準的不斷嚴格，僅依靠優(yōu)化燃燒、廢氣再循環(huán)（EGR）等機內凈化措施已無法滿足排放標準要求。因此，機外凈化技術研究變得非常關鍵。相較于汽油機，柴油機的主要污染物為NOx 和PM顆粒。目前，滿足國Ⅴ階段排放標準的機外凈化技術路線主要有兩條，即DOC+DPF路線和DOC+SCR路線。顆粒補集器（DPF）是目前最有效、應用最廣泛的微粒排放控制措施。但隨著DPF中P M的增加,排氣背壓不斷升高,會對柴油機的動力性、經濟性及排放產生影響，因此需要適時對DPF進行再生處理[1]。為了去除DPF內部沉積顆 粒，實現(xiàn)DPF再生，一般采用提高排氣溫度或催化燃燒的方法來促進顆粒物燃燒[2]。在燃油中加入某些金屬有機物(鈰、鐵、銅和鉑等)作為燃油添加劑，使其燃燒后生成的金屬氧化物附著在炭煙表面起到催化作用，可以降低炭煙的起燃溫度，實現(xiàn)DPF在發(fā)動機正常工況下連續(xù)穩(wěn)定的被動再生[3]。這種以燃油作媒介的催化再生添加劑稱為燃油催化再生添加劑(FBC)[4]。

本研究選用鐵基FBC做燃油添加劑，配置FBC質量濃度8mg/kg的燃油與普通國Ⅴ燃油在試驗臺架上做對比試驗，考察FBC添加劑對發(fā)動機動力性及DPF被動再生能力的影響。

1、試驗方案

1.1 燃料的制備及發(fā)動機參數(shù)

臺架試驗所用燃油為0#國Ⅴ柴油。燃油添加劑選擇鐵基FBC添加劑，F(xiàn)BC添加劑可以與柴油任意比例互溶，配置出FBC的質量濃度為8mg/kg的燃油。試驗發(fā)動機參數(shù)如表1所示：

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 試驗方案

DPF被動再生所需溫度在600℃左右，加入FBC添加劑后可降低至400℃左右，因此根據(jù)發(fā)動機實際運轉情況選取DOC入口溫度為350℃（2800rpm@油門54%）、450℃（2800rpm@油門60.5%）的穩(wěn)定工況。采用普通國Ⅴ燃油和FBC質量濃度為8mg/kg的配置燃油分別運轉2h，試驗中確保發(fā)動機轉速、油門、進氣溫度、進出水溫度等影響發(fā)動機性能的參數(shù)保持一致，監(jiān)控發(fā)動機運轉數(shù)據(jù)并對2h后的DPF進行對比稱重（DPF在床溫200℃時稱重）。試驗中各參數(shù)點測量位置如圖1示：

圖1 傳感器布置示意圖

2、結果與分析

2.1 FBC對發(fā)動機動力性的影響

燃油分子是由氫原子和碳原子依靠共價鍵而組合成的，其中的C—H、C—C鍵的鍵能均較大，C—C 鍵的鍵能為347.8 kJ/mol、C—H 鍵 為414.8 kJ/mol。由催化理論可知，在一般情況下C—H鍵是惰性的，無論從空間效應或電子轉移來看活化它都是困難的。但在過渡金屬催化作用下，C—H鍵可以與配位不飽和 、低氧化態(tài) 、富電子金屬中心的過渡金屬和稀土金屬等有機配臺物發(fā)生氧化反應， C—H鍵能被活化[5]。FBC添加劑通過降低燃油分子中的C—H鍵的活化能，使燃油更易裂解為易氧化的低分子化合物，因此可以優(yōu)化柴油機的缸內燃燒，使發(fā)動機在轉速、油門均不變的情況下動力性有所提升，如圖3、圖4所示，在發(fā)動機轉速、油門等各項參數(shù)均相同的情況下，添加FBC以后發(fā)動機功率、扭矩均勻明顯的提升。

圖2 FBC添加前后發(fā)動機的動力性比曲線—450℃

圖3 FBC添加前后發(fā)動機的動力性對比曲線—350℃

2.2 FBC對DPF被動再生的影響

因FBC添加劑可降低碳煙顆粒的C-C鍵的活化能，因此DPF上捕集的碳煙顆?？梢栽诟偷臏囟认屡c廢氣中的O2和NO2反應，DPF的累碳速度下降。從圖4、圖5可以看出，添加FBC添加劑后DPF前后溫差變大，說明DPF的被動再生反應更為劇烈。從表2可以看出，添加FBC以后，DPF累碳量明顯下降，DOC入口450℃時下降了93.47%，DOC入口350℃時下降了80.55%，說明FBC添加劑可以顯著提升DPF被動再生能力。

表2 FBC添加前后DPF累碳量對比

圖4 FBC添加前后DPF前后溫差對比曲線—450℃

圖5 FBC添加前后DPF前后溫差對比曲線—350℃

圖6 發(fā)動機運轉2h后有無FBC添加劑累碳情況對比—450℃

2.3 FBC對DPF過載后被動再生的影響

如圖7所示，首先用普通國五柴油運轉，將DPF中的碳累到52.7g（滿載20g），然后將燃油切換成FBC添加劑質量濃度8mg/kg的柴油，運行30分鐘，DOC入口排氣溫度440℃，DPF中碳煙顆粒含量減少20.5g。說明在添加FBC添加劑的情況下，當DOC入口處排氣溫度達到440℃以上可以很快將DPF中的碳被動再生掉，可以有效的避免DPF在使用堵塞的風險。

圖7 FBC對過載后的DPF的再生效果

3、結論

a）FBC添加劑可以降低燃油分子的C-H化學鍵的鍵能，使燃燒更充分，提升發(fā)動機的動力性能，相當于提升了發(fā)動機的經濟性。

b）FBC添加劑可顯著降低DPF的累碳速度，極大的增強的DPF的被動再生能力。

b）添加FBC添加劑后，即使DPF過載，當DOC入口的排氣溫度超過440℃時也可以很快將DPF中的碳燒掉，F(xiàn)BC添加劑可以有效的避免DPF過載堵塞。

[1] Schejbal M,Marek M.Modelling of diesel filters for particulates removal[J].Chemical Engineering Journ al,2009,154 (13) :219-230．

[2] 馮向宇,葛蘊珊,馬朝臣,等. FBC-DPF在柴油機顆粒物控制中的應用研究[J].環(huán)境科學研究.2014,27(1):36-42.

[3] 馮浩杰,孫平,嵇乾,劉軍恒,王玉梅,等．鈰基 F B C 添加劑對柴油機顆粒物組分及熱重特性的影響[J].車用發(fā)動機,2016,222(1): 52-56.

[4] 馬林才,劉穎.有機金屬化合物降低糶油機碳煙排放及其機理的研究[J].燃料化學學報，2006，34 (2) ：230- 233.

[5] 簡棄非,梁榮光,翁儀壁,羅勝平,林奇,區(qū)志誠,等.燃油添加劑對降低汽油機油耗和有害排放物的試驗研究[J].華南理工大學學報（自然科學版）,1999,27（7）：97-100.

The influence of FBC additives on engine and DPF research

Chen Minghu, Sun Ze, Zhu Xianbiao, Xu Qin
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD. Technology center, Anhui Hefei 230601 )

Select a steady condition,Contrast the engine performance and the amount of carbon in DPF before and after adding the FBC Additives.The results showed that, after adding the FBC additives, Engine power has improved significantly,the amount of carbon in DPF significantly reduced, the FBC Additives can prevent DPF to be blockaged effectively.

diesel engine; particulates; diesel particle filter（DPF）; Fuel-bome Catalyst

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-129-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.044

陳明虎，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。