柴油機燃用Ce基FBC燃油顆粒物微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)分析

劉軍恒 孫 平 嵇 乾 蘇雯博 肖 雪 姚肖華

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013； 2.中國重型汽車集團有限公司， 杭州 311231)

柴油機燃用Ce基FBC燃油顆粒物微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)分析

劉軍恒1孫 平1嵇 乾1蘇雯博2肖 雪1姚肖華1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013； 2.中國重型汽車集團有限公司， 杭州 311231)

以環(huán)烷酸鈰溶液作為燃油添加劑(FBC)，依次按Ce元素質(zhì)量比為50、100、150、300 mg/kg添加到柴油中，分別配制出F50、F100、F150和F300燃油。對共軌柴油機燃用鈰基FBC燃油的燃燒顆粒，采用熱重分析、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、掃描電鏡和粒徑分級采樣的方法，研究了FBC燃油顆粒的氧化特性、可溶有機物組分(SOF)、粒徑分布及微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨FBC摻混比的提高，顆粒物的氧化反應(yīng)向著低溫區(qū)域移動，含鈰元素150 mg/kg時為最佳摻混比；與純柴油顆粒相比，F(xiàn)BC顆粒的SOF中高碳原子數(shù)目下降，多環(huán)芳烴含量減少了49.2%；FBC顆粒粒徑向著小粒徑方向移動，核模態(tài)顆粒的數(shù)量濃度峰值增加了8.9%，而質(zhì)量濃度峰值降低了14.5%；FBC顆粒物含有Ce元素質(zhì)量分數(shù)為1.23%，其形貌為疏松多孔的海綿狀，粘結(jié)程度明顯降低。

柴油機； 顆粒捕集器； 燃油添加劑； 鈰元素； 微觀結(jié)構(gòu)

引言

柴油機由于其油耗低、可靠性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械、交通運輸和工程機械等領(lǐng)域，但柴油機的NOx和顆粒物排放對大氣環(huán)境和人類健康危害極大[1-4]。柴油機排放的顆粒物是PM2.5的重要來源，通常由多種揮發(fā)和半揮發(fā)有機物凝結(jié)在碳核表面形成，尤其是多環(huán)芳烴 (PAHs)因其較強的致畸性和致癌性而廣泛受到關(guān)注。柴油機顆粒捕集器 (DPF)是目前公認的降低顆粒物最有效的手段[5-7]，隨著我國法規(guī)對降低顆粒物的要求不斷嚴格，加裝DPF裝置將成為一項必備方案，相應(yīng)地對燃油品質(zhì)和DPF再生技術(shù)提出了更高要求[8-9]。

DPF連續(xù)催化再生技術(shù)包括：①在載體表面涂覆含有貴金屬的涂層[10]，通過分解捕集的顆粒物來降低過濾器再生溫度，但該技術(shù)對燃油中硫含量敏感，要求含硫量低。②在燃油中加入燃油添加劑 (FBC)[11]，F(xiàn)BC一般是可溶性金屬鹽或有機物(鈰、鐵、銅和鉑等)，其燃燒后生成的金屬氧化物與顆粒物共同沉積在DPF上起到催化作用，使顆粒物的起燃溫度大幅降低，從而實現(xiàn)發(fā)動機正常運行的排氣溫度滿足DPF連續(xù)穩(wěn)定被動再生條件[12-13]。柴油中硫含量對FBC-DPF的影響非常小，更適于硫含量高的地區(qū)使用[14]。

有機金屬化合物催化碳煙燃燒的作用主要是由接觸度決定的物理特性和由本征活性決定的化學(xué)特性。當柴油中添加劑濃度較低時，物理作用較化學(xué)作用起決定性作用；濃度達到閾值后，添加劑成分決定的化學(xué)作用才充分發(fā)揮。因而，在添加劑調(diào)制時一方面要提高催化劑與碳煙的有效接觸，力求添加劑在燃油中均勻溶解；另一方面在保證發(fā)動機性能正常下，調(diào)節(jié)添加劑濃度到催化效果最佳值，充分發(fā)揮其化學(xué)作用[15]。本文選用環(huán)烷酸鈰溶劑作為燃油添加劑，針對Ce基FBC添加劑對柴油機顆粒物的氧化特性、可溶性有機組分(SOF)、微觀結(jié)構(gòu)和粒徑分布的影響，采用熱重分析、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、掃描電鏡和粒徑分級采樣技術(shù)，對顆粒的理化特性加以研究，旨在為柴油機FBC-DPF催化再生技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗設(shè)備與方案

1.1 試驗樣機及燃料

樣機采用YZ4DB1-40型直列4缸電控共軌增壓中冷柴油機，主要技術(shù)參數(shù)見表1。柴油選用市售國Ⅳ0號柴油，其含硫量低于5.0×10-5。FBC添加劑為環(huán)烷酸鈰溶液，為棕色粘稠狀液體，環(huán)烷酸鈰分子式為(CnH2n-1COO)4Ce，式中n為7～18，能夠與柴油任意比例互溶，本文所選環(huán)烷酸鈰溶液中的鈰元素質(zhì)量分數(shù)為10%。依次按Ce元素質(zhì)量比50、100、150、300 mg/kg比例添加到柴油中，依次標記為F50、F100、F150和F300。

表1 柴油機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of diesel engine

1.2 分析儀器

發(fā)動機試驗臺架為AVL-PUMA型發(fā)動機全自動測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用交流電力測功機；顆粒采集設(shè)備為AVL公司的SPC472型顆粒采樣器，該儀器采用分流稀釋系統(tǒng)；使用METTLER公司的TGA/DSC1型熱重儀器分析顆粒物的氧化特性；使用Agilent公司的GC-MS色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀分析顆粒中SOF的含量和種類；使用日立公司的S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對顆粒樣品進行SEM/EDS分析；使用TSI公司的EEPS-3090型顆粒物粒徑譜儀分析發(fā)動機排氣顆粒物的數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度，其時間分辨率為0.1 s，為了試驗的可重復(fù)性，每個工況重復(fù)運行3次，驗證試驗結(jié)果的不確定性不超過5%。

1.3 試驗方案

發(fā)動機參照ESC13工況試驗循環(huán)運行，使用Pall-Flex玻璃纖維濾膜采集不同F(xiàn)BC比例的顆粒樣品，完畢后纖維濾膜在100℃恒溫箱中干燥10 min。在熱重分析中，各種樣品約3 mg，溫度控制區(qū)間為40～800℃，升溫速率為20℃/min，保護氣為N2，反應(yīng)氣為O2，流速30 mL/min，通過熱重分析碳煙氧化過程并確定最佳FBC比例，從而優(yōu)化方案。

將柴油和FBC的燃燒顆粒物置于CH2Cl2溶劑中，用超聲清洗器進行超聲洗脫，對固、液混合物進行分離和過濾，過濾后得到的濾液為SOF分析液。色譜質(zhì)譜試驗采用HP-5MS型石英毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，采用程序升溫，載氣為He，進樣量為1 μL；電離方式EI電子轟擊法，轟擊能量為70 eV，離子源溫度為230℃，參照NIST05質(zhì)譜標準庫，采用峰面積歸一法對SOF各組分進行定量分析。

對柴油和FBC的顆粒樣品進行噴金處理，利用電子顯微鏡觀察添加FBC前后顆粒物形貌與粒徑，使用X射線能量色散譜儀對PM樣品進行EDS元素分析。同時在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min的100%負荷下研究添加FBC前后微粒的數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度分布規(guī)律。通過上述研究方法系統(tǒng)探討FBC對柴油機微粒的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性的影響。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顆粒氧化特性分析

圖1 不同F(xiàn)BC摻混比柴油燃燒顆粒的氧化特性Fig.1 Oxidation characteristics of particles for different FBC ratios

圖1為不同F(xiàn)BC摻混比燃油燃燒顆粒樣品的氧化特性曲線。由圖1a可見，隨著FBC摻混比的增加，顆粒氧化反應(yīng)向低溫區(qū)域移動。定義TG曲線上峰值失重率點的切線與TG曲線基線延長線的交點所對應(yīng)的溫度為起始燃燒溫度(Te)，與柴油相比，F(xiàn)50、F100、F150和F300燃燒顆粒樣品的Te分別降低了94℃、131℃、150℃和152℃，其燃燒顆粒峰值失重率所對應(yīng)的溫度分別降低了61.3℃、122.7℃、145.7℃和161℃；從圖1b中可見，峰值失重率隨FBC摻混比的增大而逐漸降低。

由于FBC添加劑的燃燒產(chǎn)物CeO2在柴油機工作過程中與氣缸內(nèi)的細小碳粒緊密結(jié)合，隨顆粒排出氣缸并被DPF捕集后，起到催化劑作用，實現(xiàn)顆粒的低溫氧化燃燒。該催化燃燒機理為電子轉(zhuǎn)移機理和氧轉(zhuǎn)移機理的共同作用[16]：一方面，催化劑削弱了碳煙顆粒表面C—C鍵的穩(wěn)定性，從而加強了碳煙的低溫燃燒活性；另一方面，催化劑CeO2獨特的晶格結(jié)構(gòu)可以提供大量的氧空位，CeO2向Ce2O3轉(zhuǎn)化過程中會釋放氧活性較強的晶格氧，能夠與碳煙在較低溫度下發(fā)生氧化反應(yīng)，隨后Ce2O3利用O2實現(xiàn)CeO2再生。CeO2在反應(yīng)過程中起氧傳遞作用，使碳煙更易獲得O2而被氧化。此外，顆粒燃燒反應(yīng)速率與顆粒形態(tài)相關(guān)，隨著粒徑減小，比表面積增加致使吸附氧能量加強，其化學(xué)反應(yīng)活性增強。當加入FBC添加劑后，顆粒形貌趨于細化，其組分更易吸附周圍氣體分子從而較早發(fā)生氧化反應(yīng)，促進低溫區(qū)域氧化反應(yīng)的進行。

根據(jù)有機金屬添加劑對顆粒的催化作用機理，F(xiàn)BC摻混比決定了有機金屬催化顆粒氧化的物理與化學(xué)特性，且存在閾值效應(yīng)。從圖1中F300和F150兩種燃油燃燒顆粒樣品氧化過程的TG和DTG曲線可見，催化效果基本無變化。說明含鈰150 mg/kg時，由本征活性決定的化學(xué)催化作用已充分發(fā)揮，雖然F300顆粒氧化的Te和峰值溫度略有下降，但殘余灰分的質(zhì)量分數(shù)高達17.7%。為避免灰燼堵塞DPF及金屬氧化物的二次污染，150 mg/kg摻混比是合理值。

2.2 顆粒物中SOF組分分析

添加FBC前后顆粒樣品中SOF總離子流色譜如圖2所示。將萃取前后的顆粒樣品、濾紙和過濾器進行稱量計算，得出柴油與FBC添加后SOF成分的質(zhì)量分數(shù)分別為29.6%和24.1%，可見添加FBC使得SOF成分下降。添加FBC前后SOF組分變化如表2和表3所示，其中質(zhì)量分數(shù)低于2%和基本無變化的未列出，SOF碳原子數(shù)的分布如圖3所示。由表2知柴油顆粒的SOF組分主要由C14～C29直鏈及支鏈烷烴、有機酸脂和芳香烴等組成，分別占SOF的49.2%、35.4%和7.57%，其中質(zhì)量分數(shù)最高的十六酸甲酯占13.69%，危害最大的PAHs(熒蒽、芘等)所占質(zhì)量分數(shù)為4.65%。C14～C24直鏈與支鏈烷烴主要是由于缸內(nèi)局部區(qū)域缺氧，導(dǎo)致油氣混合不均及燃燒惡化，柴油燃燒不充分產(chǎn)生[17]；C25～C29高碳烷烴主要是竄入燃燒室的未燃潤滑油[18]。由表3可知，F(xiàn)BC顆粒的SOF組分主要由烷烴和有機酸脂組成，質(zhì)量分數(shù)分別為40.2%和51.6%，熒蒽、芘等PAHs質(zhì)量分數(shù)為2.36%，較純柴油下降了49.2%。這是由于缸內(nèi)燃燒生成的CeO2具有獨特的儲氧/放氧能力，更高的活性氧濃度促進了燃燒過程，降低了未燃燃油比例，但較高的溫度卻促進脂類化合物的生成[19-20]。

圖2 添加FBC前后PM中SOF的總離子流色譜Fig.2 Total ionic chromatograms of SOF with and without FBC

編號保留時間/min化合物化學(xué)式質(zhì)量分數(shù)/%128.114正十七烷C17H363.13230.198正十八烷C18H386.24331.906正十九烷C19H408.63433.372十六酸甲酯C17H34O213.69534.052鄰苯二甲酸二異丁酯C16H22O47.44635.73411-十八烯酸甲酯C19H36O29.83735.791亞油酸甲酯C19H34O23.53835.893正二十七烷C27H563.54936.891熒蒽C16H102.091037.540芘C16H102.561138.069正二十四烷C24H502.351240.8822,2'-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)C23H32O27.57

由圖3可見，純柴油顆粒樣品中SOF的碳原子數(shù)分布為C14～C29，而碳原子質(zhì)量分數(shù)較大的集中在C16～C24，約占85.0%，其中C19、C17和C16的質(zhì)量分數(shù)較大，分別占24.9%、18.5%和13.4%。FBC顆粒中SOF的碳原子分布與純柴油基本相似，集中在C16～C24質(zhì)量分數(shù)約為89.2%，其中C16、C17和C19低碳原子數(shù)目的質(zhì)量分數(shù)較大，分別占26.3%、20.9%和16.1%。添加FBC后SOF組分中高碳原子數(shù)目下降，低碳原子數(shù)目上升，主要原因是FBC在燃燒過程中產(chǎn)生了較高的O、OH等活性氧化基團，部分高碳原子在活性物種作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低碳原子。

表3 FBC150顆粒SOF的GC-MS檢測結(jié)果Tab.3 SOF of PM from diesel engine with FBC

圖3 添加FBC前后PM樣品中SOF的碳原子數(shù)分布Fig.3 Carbon distribution in SOF with and without FBC

2.3 顆粒物粒徑分布規(guī)律

柴油機顆粒物粒徑位于50 nm～1 μm之間的為積聚模態(tài)，粒徑小于50 nm的為核模態(tài)。圖4給出了柴油機燃用純柴油與添加FBC，在1 400 r/min轉(zhuǎn)速100%負荷下，所得到的排氣顆粒物數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度分布圖。由圖4a可見，添加FBC前后顆粒的數(shù)量濃度分布曲線的形狀基本一樣，但是添加FBC后積聚模態(tài)顆粒的數(shù)量濃度下降，峰值濃度下降14.4%，其對應(yīng)的粒徑約90 nm，而核模態(tài)的數(shù)量濃度上升，峰值濃度增加8.9%，其對應(yīng)粒徑小于10 nm，粒徑總體向小粒徑方向發(fā)展。由圖4b可見，顆粒的質(zhì)量濃度曲線呈單峰，峰值在200 nm附近，說明積聚模態(tài)顆粒對質(zhì)量分布起主要作用，雖然在數(shù)量上核模態(tài)多，但其粒徑小，質(zhì)量小。FBC較純柴油排放的顆粒物質(zhì)量濃度峰值下降了14.5%。這是由于碳煙主要是在高溫缺氧條件下生成的，而積聚模態(tài)顆粒物一般是碳煙顆粒吸附凝聚一定的碳氫化合物和硫化物等組成，而FBC燃燒后生成的CeO2可提供大量的活性氧原子，可促進碳氫化合物和大粒徑顆粒的氧化反應(yīng)。

圖4 添加FBC前后微粒的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度分布Fig.4 Particle number and mass concentration distributions with and without FBC

2.4 顆粒物形貌與元素分析

圖5為采用掃描電鏡得到的純柴油和添加FBC的燃燒顆粒形貌圖，放大倍數(shù)為5萬倍。由圖5a可見，純柴油顆粒物樣品形貌不規(guī)則，呈鏈狀或團絮集聚體，這些不規(guī)則的顆粒堆積物由粒徑50～100 nm的球狀碳粒子附著有機物粘結(jié)而成。由圖5b可見，F(xiàn)BC的顆粒物樣品形貌為不均分布的球狀顆粒集聚體，顆粒物的粒徑和孔隙率變小，呈現(xiàn)疏松多孔的海綿狀，粘結(jié)程度明顯降低。這是因為FBC在燃燒中產(chǎn)生大量強氧化性的活性基團，與燃油及各種中間產(chǎn)物發(fā)生一系列反應(yīng)，可將顆粒中的碳粒子和SOF組分氧化，從而降低了顆粒物的粘結(jié)度。這與圖4中添加FBC后顆粒向小粒徑方向移動的結(jié)論一致。

圖5 添加FBC前后的顆粒形貌圖(50 000倍)Fig.5 Morphology of PM with and without FBC

圖6 添加FBC前后的顆粒能譜(EDS)Fig.6 X-ray energy spectrum diagrams of PM with and without FBC

圖6為柴油機燃用純柴油和添加FBC燃料燃燒顆粒的X射線能譜圖。由圖6a可見，除顆粒物樣品表面噴金處理而檢測到Au元素外，純柴油顆粒物樣品檢測到的主要元素有：C、O、S、Si和Zn等，其中C元素是顆粒樣品的主要化學(xué)元素，O元素存在是顆粒表面吸附了不完全氧化的物質(zhì)，元素S來自于柴油，而Si、Zn等元素來自潤滑油及其添加劑。由圖6b可見，F(xiàn)BC燃油顆粒物樣品的主要元素有：C、O、Si、Ce、Fe和Zn等，其中Fe元素可能來自于活塞環(huán)與缸套磨損或采樣過程的金屬碎屑，而Ce元素則由FBC燃燒生成的氧化物附著在碳煙顆粒表面，其含量占顆粒物質(zhì)量分數(shù)的1.23%。

3 結(jié)論

(1)隨著FBC摻混比的增加，F(xiàn)BC燃油燃燒顆粒物的氧化反應(yīng)向低溫區(qū)域移動，但其催化活性存在閾值效應(yīng)，含鈰150 mg/kg時為折中最佳摻混比。

(2)添加FBC前后顆粒樣品中SOF的質(zhì)量分數(shù)分別為29.6%和24.1%；與純柴油顆粒中SOF的組分相比，F(xiàn)BC燃油的PAHs下降了49.2%，高碳原子數(shù)目下降，低碳原子數(shù)目上升。

(3)與純柴油顆粒分布比較，柴油機燃用FBC燃油排放顆粒物的粒徑向著小粒徑方向發(fā)展，顆粒物質(zhì)量濃度峰值下降了14.5%。

(4)FBC燃油顆粒物樣品的形貌為不均分布的球狀顆粒集聚體，呈現(xiàn)疏松多孔的海綿狀，粘結(jié)程度下降，并在其樣品中檢測到1.23%的Ce元素。

1 魏立江,馬雁,韓國鵬,等.重型柴油機進氣預(yù)混甲醇實現(xiàn)國Ⅳ排放[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015,46(6):269-274.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150639&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.039. WEI Lijiang, MA Yan, HAN Guopeng, et al. Realizing national phase IV emission standard of heavy-duty diesel engine by using premixed methanol/diesel dual fuel [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(6):269-274.(in Chinese)

2 KHAN M Y, JOHNSON K C, DURBIN T D, et al. Characterization of PM-PEMS for in-use measurements conducted during validation testing for the PM-PEMS measurement allowance program [J]. Atmospheric Environment, 2012,55:311-318.

3 樓狄明,孔德立,強薔,等. 國V柴油機燃用柴油/生物柴油排放性能試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(9):25-30. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140905&flag=1 DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.09.005. LOU Diming, KONG Deli, QIANG Qiang, et al. Emission experiment on a Chinese V diesel engine fueled with diesel/biodiesel[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(9):25-30.(in Chinese)

4 LIATI A, EGGENSCHWILER P D, GUBLER E M, et al. Investigation of diesel ash particulate matter: a scanning electron microscope and transmission electron microscope study [J]. Atmospheric Environment, 2012,49:391-402.

5 韋雄,冒曉建,祝軻卿,等.基于機內(nèi)技術(shù)的DPF再生控制策略研究[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2013,44(11):1-6. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20131101&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.11.001. WEI Xiong, MAO Xiaojian, ZHU Keqing, et al. Control strategy of DPF regeneration based on machine technology[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(11):1-6.(in Chinese)

6 JANEZ L, MARINA C, ALFREDO S. Modelling soot deposition and monolith regeneration for optimal design of automotive DPFs [J]. Chemical Engineering Science, 2016,151:36-50.

7 BERGMANN M, KIRCHNER U, VOGT R, et al. On-road and laboratory investigation of low-level PM emissions of a modern diesel particulate filter equipped diesel passenger car [J]. Atmospheric Environment, 2009,43(11):1908-1916.

8 資新運,張衛(wèi)鋒,姚廣濤,等.柴油機微粒捕集器復(fù)合再生策略的試驗研究[J].汽車工程,2011,33(7): 628-631. ZI Xinyun, ZHANG Weifeng, YAO Guangtao, et al. An experimental study on the compound regeneration strategy for diesel particulate filter [J]. Automotive Engineering, 2011,33(7): 628-631.(in Chinese)

9 BAI S Z, TANG J, WANG G H, et al. Soot loading estimation model and passive regeneration characteristics of DPF system for heavy-duty engine [J]. Applied Thermal Engineering, 2016,100:1292-1298.

17 宋崇林,段家修,劉文勝,等.柴油機排氣微粒中有機可溶成分的分離與定性分析[J].內(nèi)燃機學(xué)報,1997,15 (2):225-230. SONG Chonglin, DUAN Jiaxiu, LIU Wensheng, et al. Separation and identification of soluble organic fraction in diesel exhaust particulates [J]. Transactions of CSICE,1997,15(2):225-230.(in Chinese)

18 WILLIAMS P T. Diesel particulate emission: role of unburnt fuel in the organic fraction composition [C]. SAE Paper 870554,1987.

19 王桂華,王鈞效,張錫朝,等.柴油機排氣微粒中SOF成分的試驗研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2004,22(2):110-115. WANG Guihua, WANG Junxiao, ZHANG Xichao, et al. Experimental study on soluble organic fractions of diesel exhaust particulates [J]. Transactions of CSICE, 2004,22(2):110-115.(in Chinese)

20 趙洋,王忠,劉帥,等. 廢氣再循環(huán)氣體成分對柴油機顆粒結(jié)構(gòu)特征的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015,46(7):280-285. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150740&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.040. ZHAO Yang, WANG Zhong, LIU Shuai, et al. Effect of gas composition in exhaust gas recirculation on structural feature of particulates from diesel engine[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(7): 280-285.(in Chinese)

Microstructure and Chemical Properties of Particulate from Diesel Engine Fueled with Ce-based FBC Fuel

LIU Junheng1SUN Ping1JI Qian1SU Wenbo2XIAO Xue1YAO Xiaohua1

(1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China2.ChinaNationalHeavyDutyTruckGroupCo.,Ltd.,Hangzhou311231,China)

In order to remove the deposited particles inside diesel particulate filter (DPF) and realize the DPF regeneration, fuel borne catalyst (FBC) additive is thought to promote diesel particle combustion with the active metal component in fuel. FBC can reduce the particulate ignition temperature, and also decrease the peak temperature of regeneration process. Naphthenic acid cerium solution was selected as FBC, which was blended with diesel by the ratios of 50 mg/kg, 100 mg/kg, 150 mg/kg and 300 mg/kg (Ce mass fraction) and marked as F50, F100, F150 and F300, respectively. The particulate physicochemical properties of a common rail engine fueled with Ce-based FBC were studied by using thermosgravimetric analysis, gas chromatography/mass spectrometry (GC-MS), scanning electron microscopy (SEM) and staged sampling particulate system methods. The variations of oxidation susceptibility，soluble organic fraction (SOF) components, size distribution and microstructure of particulate with and without FBC were studied. Results showed that the oxidation reaction of particulate matter (PM) was moved to the low temperature area with the increase of FBC ratio, and the mass fraction of 150 mg/kg for Ce was the optimal blending ratio. The ignition temperatures of PM combustion were reduced by 94℃, 131℃, 150℃ and 152℃, and the peak temperatures were reduced by 61℃, 123℃, 146℃ and 161℃ with the four FBC fuels. Before and after adding FBC, the mass fraction of SOF in PM sample were 29.6% and 24.1%, respectively. Compared with pure diesel PM sample, the high number of carbon atoms in SOF was decreased, and the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were decreased by 49.2%. For FBC particle sample the particle sizes were moved towards small size direction, the peak number concentration of accumulation modal particle was decreased by 14.4%, the peak number concentration of nuclear modal particle was increased by 8.9%, and the peak mass concentration was decreased by 14.5%. FBC particle sample, which had porous sponge morphology and low bonding degree, contained 1.23% of Ce element.

diesel engine; diesel particulate filter; fuel borne catalyst; cerium element; microstructure

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.046

2016-07-08

2016-08-19

內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室開放基金項目(K2016-05)、江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20160538)、江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(14KJA470001)和江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金項目(15JDG163)

劉軍恒(1986—)，男，講師，博士，主要從事內(nèi)燃機燃燒理論及排放控制技術(shù)研究，E-mail： liujunheng@ujs.edu.cn

TK421.5

A

1000-1298(2017)02-0342-06