鐵基FBC對(duì)柴油機(jī)顆粒荷電特性的影響

張琦，孫平，劉軍恒，范義，嵇乾，黃河

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

金屬燃油添加劑(Fuel Borne Catalyst,FBC)可以有效降低柴油機(jī)排氣顆粒的氧化燃燒溫度，減少柴油機(jī)灰分與顆粒質(zhì)量排放，并且能促進(jìn)柴油機(jī)顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)的連續(xù)穩(wěn)定再生[1-2]。吉林大學(xué)劉忠長(zhǎng)等在不添加輔助設(shè)備情況下，結(jié)合噴油助燃再生方式實(shí)現(xiàn)DPF在400 ℃左右的再生[3]。新加坡國(guó)立大學(xué)Zhang等研究了鐵基添加劑含量對(duì)排氣顆粒的潛在影響，結(jié)果表明，排氣顆粒中可溶性有機(jī)物含量增加，顆粒的燃燒溫度和反應(yīng)活化能有所降低[4-6]。然而，研究表明柴油中摻混Fe-FBC使得柴油機(jī)排氣顆粒粒徑減小并且形成更多富含鐵的核模態(tài)粒子，導(dǎo)致顆粒數(shù)量濃度上升[7-8]。國(guó)六排放法規(guī)更加嚴(yán)格，增加了對(duì)顆粒排放數(shù)量濃度限值的要求，因此，對(duì)于超細(xì)粒徑顆粒的處理也越來(lái)越受到重視。

DPF對(duì)超細(xì)顆粒的捕集效率較低，現(xiàn)今多采用增加孔密度、減小孔隙率等措施來(lái)提高DPF對(duì)超細(xì)顆粒的捕集效率，然而這些舉措會(huì)進(jìn)一步增加DPF前后端壓降，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[9]。荷電凝并技術(shù)(Electrical Charge Agglomeration，ECA)是通過(guò)外接高壓電源將排氣管中顆粒荷上電荷，從而增大顆粒間的碰撞概率與凝并系數(shù)，在不改變現(xiàn)有DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，將超細(xì)顆粒凝并成大粒徑顆粒，既降低了顆粒數(shù)量，又能夠提高DPF捕集效率。ECA與DPF協(xié)同作用可以有效促進(jìn)微納米顆粒的去除，備受?chē)?guó)內(nèi)外研究人員重視[10-12]。清華大學(xué)譚百賀等[13]研究發(fā)現(xiàn)，外加交變電場(chǎng)可有效促進(jìn)雙極荷電顆粒凝并，顆粒攜帶電荷越多其凝并效率越大。此外，法國(guó)Boichot等[14]對(duì)不同微納米級(jí)NaCl，Al2O3與SiO2顆粒的荷電凝并效果進(jìn)行試驗(yàn)，研究顆粒自身特性對(duì)荷電效果的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒中添加金屬元素可以明顯增加其凝并效果。

以往研究表明，ECA-DPF技術(shù)在柴油機(jī)上有較好應(yīng)用前景。本研究通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)燃用不同燃油的柴油機(jī)排氣顆粒進(jìn)行采樣分析，研究荷電電壓對(duì)帶有金屬Fe元素的燃油顆粒數(shù)量濃度、粒徑分布特征、顆粒表面電荷以及DPF捕集效率的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)示意。試驗(yàn)所用柴油機(jī)為直列4缸水冷YZ4DA1柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。本研究主要分析不同濃度Fe-FBC燃油與不同荷電電壓對(duì)排氣顆粒的影響，試驗(yàn)工況選用柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷點(diǎn)。試驗(yàn)基準(zhǔn)燃油為在售國(guó)Ⅴω(S)=30 mg/kg柴油，F(xiàn)e-FBC采用F7994溶液，該溶液可與柴油任意比例互溶，分別按照Fe元素質(zhì)量比為100 mg/kg，200 mg/kg和300 mg/kg添加到柴油中，配制Fe100，F(xiàn)e200，F(xiàn)e300 3種燃油。ECA主體部分為線筒式高壓荷電凝并裝置，使用Teslaman TD2200高壓直流電源，可以對(duì)外輸出正負(fù)高壓，在0～±30 kV連續(xù)可調(diào)；陶瓷加熱電圈包裹于雙極荷電筒外壁，溫度控制精度±5 ℃。測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備主要包括：EEPS發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀，其顆粒粒徑檢測(cè)范圍為5.6～560 nm，采樣流量為50 L/min，設(shè)備采用32個(gè)數(shù)據(jù)通道，可以提供精細(xì)的分辨率和高速檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測(cè)試排氣顆粒數(shù)量濃度；Zeta電位分析儀，可以定量測(cè)量顆粒表面荷電情況。

圖1 雙極荷電試驗(yàn)系統(tǒng)示意

型式直列4缸,增壓,中冷標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速/r·min-12 600供油系統(tǒng)電控高壓共軌標(biāo)定功率/kW95缸徑/mm102壓縮比17.5∶1行程/mm112排量/L3.66

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1顆粒采集與分析

選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min下100%負(fù)荷作為試驗(yàn)工況，探究不同濃度Fe-FBC對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒的影響。首先向油箱中加入柴油，柴油機(jī)在試驗(yàn)工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定10 min 后，采用EEPS對(duì)顆粒數(shù)濃度進(jìn)行測(cè)量；然后更換Fe100燃油，保持柴油機(jī)持續(xù)工作30 min并實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)內(nèi)部燃油更換后，進(jìn)行顆粒數(shù)濃度測(cè)量；最后對(duì)Fe200與Fe300燃油采用相同方式進(jìn)行測(cè)量并記錄。試驗(yàn)時(shí)控制EEPS總稀釋比為120∶1，采樣溫度為120 ℃，連續(xù)采樣300 s取平均值進(jìn)行分析。

1.2.2荷電電壓設(shè)定

本次試驗(yàn)測(cè)量不同荷電電壓下柴油和Fe300燃油顆粒粒徑分布狀態(tài)，試驗(yàn)中采用正負(fù)極直流高壓電源連接放電極，分別調(diào)節(jié)雙極荷電電壓為0 kV,5 kV,10 kV,15 kV和20 kV，并在雙極荷電凝并裝置前后對(duì)數(shù)濃度進(jìn)行測(cè)量，以探究荷電電壓對(duì)顆粒凝并效率的影響。使用陶瓷加熱電圈對(duì)荷電區(qū)域進(jìn)行恒溫控制，溫度設(shè)定為300 ℃以避免排氣溫度對(duì)顆粒荷電凝并產(chǎn)生影響；此外，當(dāng)高壓電極調(diào)節(jié)放電電壓后，需保證電壓穩(wěn)定5 min后再進(jìn)行測(cè)量。

1.2.3顆粒Zeta電位與表面荷電量測(cè)量

圖2示出Zeta電位原理。當(dāng)帶電顆粒溶于水時(shí)，顆粒表面存在一個(gè)邊界，邊界內(nèi)部離子隨著顆粒運(yùn)動(dòng)，外部離子不隨著顆粒運(yùn)動(dòng)，此邊界與中性水溶液處的電位差即是Zeta電位，Zeta電位能夠反映水溶液中顆粒的表面電荷極性與密度狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)用閥門(mén)將正極荷電筒關(guān)閉，此時(shí)只有負(fù)極荷電筒對(duì)排氣顆粒進(jìn)行荷電作用；在柴油機(jī)排氣管末端進(jìn)行分流，集氣瓶一端采用耐高溫特氟龍氣管將排氣導(dǎo)入集氣瓶中，另一端為固定流量真空泵；集氣瓶?jī)?nèi)為0.01 mol/L的NaCl溶液，顆粒經(jīng)過(guò)溶液過(guò)濾后被捕集，捕集時(shí)間設(shè)定為30 min。荷電端負(fù)極荷電筒顆粒采樣完成后，將負(fù)極荷電筒閥門(mén)關(guān)閉并打開(kāi)正極荷電筒通道，重復(fù)上述步驟。兩種荷電顆粒被捕集后，使用Zeta電位分析儀測(cè)量不同顆粒溶液Zeta電位值。

圖2 Stern雙電層模型

顆粒表面電荷量計(jì)算基于顆粒表面Zeta電位值，通過(guò)Gouy-chapman[15]公式可以計(jì)算出表面電荷密度σ：

(1)

式中:ζ為Zeta電位值；εw為T(mén)=298 K時(shí)水的介電常數(shù)，取值78.3；ε0為真空介電常數(shù)，取值8.86×10-12；n為NaCl濃度；e為元電荷，取值1.6×10-19C；kB為玻爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23J/K；T為試驗(yàn)環(huán)境溫度。

計(jì)算出表面電荷密度σ后，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出顆粒表面荷電量：

(2)

式中：dp為顆粒粒徑。

1.2.4DPF顆粒捕集效率分析

排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，柴油機(jī)顆粒數(shù)量濃度排放限值也列入其中。排氣顆粒中小粒徑核模態(tài)顆粒數(shù)量決定顆?？倲?shù)量濃度的大小，因而DPF對(duì)核模態(tài)顆粒的捕集尤為重要。在柴油機(jī)1 600 r/min，100%負(fù)荷工況下燃用柴油與Fe300燃油，當(dāng)雙極荷電電壓分別穩(wěn)定在0 kV,5 kV,10 kV,15 kV和20 kV后，采用EEPS測(cè)量DPF前后端顆粒粒徑數(shù)量濃度，連續(xù)采樣300 s計(jì)算平均值進(jìn)行分析。本研究采用壁流式陶瓷過(guò)濾載體DPF，孔密度為 47 孔/cm2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵基添加劑含量對(duì)顆粒數(shù)濃度的影響

現(xiàn)代柴油機(jī)排氣顆粒粒徑主要分布范圍為5～500 nm，其中顆粒粒徑處于5～50 nm屬于核模態(tài)顆粒，粒徑處于50～500 nm屬于積聚態(tài)顆粒。圖3示出柴油機(jī)在1 600 r/min，100%負(fù)荷下，不同鐵基含量燃油對(duì)柴油機(jī)顆粒排放數(shù)量濃度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)原排顆粒濃度為典型雙峰分布，隨著燃油中Fe-FBC含量逐漸增加，排氣顆粒中小粒徑顆粒數(shù)量濃度顯著升高，顆粒粒徑分布慢慢趨向于單峰分布。隨著Fe元素濃度逐漸增加，4種燃油顆粒濃度峰值粒徑分別為60.4 nm，45.3 nm，22.1 nm和10.8 nm。與柴油機(jī)原排顆粒粒徑濃度峰值相比，F(xiàn)e100，F(xiàn)e200和Fe300燃油顆粒數(shù)量峰值濃度分別增加18.7%，46.4%和108.1%?？梢园l(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)燃用FBC燃油，顆粒粒徑整體向小粒徑方向偏移。

圖3 不同濃度FBC燃油顆粒數(shù)量濃度的粒徑分布

2.2 荷電電壓對(duì)顆粒數(shù)濃度的影響

圖4示出柴油機(jī)在1 600 r/min，100%負(fù)荷工況下，在不同荷電電壓下柴油與Fe300燃油排氣顆粒數(shù)濃度分布情況。由圖4a可以看出，柴油機(jī)燃用柴油時(shí)，在試驗(yàn)工況下排氣顆粒粒徑呈雙峰分布，兩個(gè)峰值粒徑分別處于10 nm和65 nm左右。隨著雙極荷電電壓逐漸增大，粒徑小于93 nm的顆粒濃度均隨著電壓增加而減小,而粒徑大于103 nm的顆粒濃度均隨著電壓增加而增大。此外，隨著荷電電壓從0 kV變化到20 kV，顆粒濃度峰值向大粒徑方向偏移，峰值粒徑從60.4 nm增加到69.8 nm；粒徑峰值處數(shù)量濃度有明顯降低，相比于不加荷電電壓，荷電電壓為20 kV下峰值處數(shù)量濃度減少22.8%。圖4b示出Fe300燃油在柴油機(jī)相同工況下顆粒粒徑隨荷電電壓的變化。由圖4b可以發(fā)現(xiàn)，在不施加荷電電壓時(shí)，F(xiàn)e300燃油顆粒粒徑主要處于6.0～45.3 nm。隨著電壓絕對(duì)值增加，顆粒粒徑峰值均逐漸向大粒徑方向偏移，并且峰值處顆粒數(shù)量濃度降低更加明顯。其中，與不加荷電電壓相比，荷電電壓為20 kV時(shí)顆粒峰值粒徑從10.8 nm增加到19.1 nm，峰值處數(shù)量濃度降低41.1%。

圖4 荷電電壓對(duì)柴油與Fe300燃油排氣顆粒粒徑分布的影響

圖5示出4種荷電電壓下兩種燃油顆?？倲?shù)量與核模態(tài)顆粒數(shù)的降低比例。由圖5可知，隨著荷電電壓升高，柴油與Fe300燃油顆粒濃度的降低比例增大，當(dāng)荷電電壓為20 kV時(shí)，柴油與Fe300燃油顆粒濃度降低比例分別為21.5%和29.4%；此外，隨著電壓增加，F(xiàn)e300燃油的核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度降低比例更明顯，在20 kV荷電電壓下降低比例達(dá)到35.4%，這是由于核模態(tài)顆粒中Fe元素質(zhì)量占比更高，可增加顆粒的荷電能力和凝并效率。

圖5 不同荷電電壓下柴油與Fe300燃油顆粒數(shù)降低比例

柴油機(jī)排氣顆粒作為多分散顆粒，顆粒間的碰撞凝并系數(shù)不僅與顆粒數(shù)量濃度有關(guān)，還與顆粒粒徑和表面性質(zhì)有關(guān)[16]。Fe-FBC摻燒使得排氣顆粒中存在Fe2+和Fe3+，兩種離子在柴油機(jī)高溫排氣氛圍中發(fā)生電子躍遷行為，從而使顆粒介電常數(shù)發(fā)生明顯變化，有效增大顆粒攜帶電荷量[17]；將顆粒進(jìn)行高壓荷電后，顆粒表面帶上相反極性電荷，顆粒間受庫(kù)侖力作用，凝并系數(shù)增加[18]，有效增大顆粒的荷電凝并效果。當(dāng)荷電電壓絕對(duì)值不斷增大時(shí)，荷電裝置內(nèi)激發(fā)出更多自由電子，顆粒表面所帶電荷也會(huì)增加，促進(jìn)小粒徑顆粒逐步碰撞凝并成大粒徑顆粒。

2.3 荷電電壓對(duì)顆粒表面Zeta電位和顆粒荷電量的影響

圖6示出不同燃油在5種荷電電壓下排氣顆粒水溶液的Zeta電位值。圖6a示出負(fù)極荷電電壓Zeta電位的變化，當(dāng)不外加荷電電壓時(shí)，柴油機(jī)自身排氣顆粒攜帶少部分電子，整體呈現(xiàn)負(fù)極性；在負(fù)極電壓從0 kV增加到20 kV過(guò)程中，柴油顆粒Zeta電位值從-0.24 mV變化到-1.22 mV，F(xiàn)e300顆粒電壓從-0.45 mV變化到-12.71 mV。此外，當(dāng)負(fù)極電壓增加時(shí)，Zeta電位值沒(méi)有呈線性增加，當(dāng)電壓從10 kV增加到15 kV，4種燃油顆粒電位值增長(zhǎng)梯度最大，而從15 kV增加到20 kV時(shí)電位值沒(méi)有明顯變化。Fe-FBC含量增加可明顯提高排氣顆粒荷電性能。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)極電壓處于5 kV與10 kV之間時(shí)，荷電裝置中電場(chǎng)強(qiáng)度隨電壓線性增加；當(dāng)負(fù)極電壓達(dá)到15 kV左右時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)電離排氣激發(fā)大量電子，使氣體發(fā)生強(qiáng)烈的電子“雪崩”現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)生的電流也會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大而迅速增大，從而排氣顆粒表面Zeta電位快速增加；此后，隨著負(fù)極電壓繼續(xù)向20 kV變化，排氣顆粒表面所攜帶電荷趨于飽和，此時(shí)Zeta電位值變化緩慢。

圖6 荷電電壓對(duì)4種燃油排氣顆粒表面Zeta電位值的影響

圖6b為顆粒經(jīng)過(guò)正極荷電筒后表面Zeta電位情況。由圖6b可知，正極電壓從5 kV增加到20 kV過(guò)程中，柴油與Fe300顆粒Zeta電位值呈現(xiàn)出與負(fù)極顆粒相同的趨勢(shì)。與相同的負(fù)極電壓相比，正極電壓下顆粒Zeta電位的絕對(duì)值有一定減小，當(dāng)荷電電壓為15 kV時(shí)最為明顯，負(fù)極電壓下柴油與Fe300燃油顆粒的Zeta電位絕對(duì)值分別為0.94 mV和12.61 mV，正極電壓下兩種燃油顆粒Zeta電位絕對(duì)值分別為0.61 mV和10.72 mV。這是由于柴油機(jī)原排顆粒自身表面攜帶一定量負(fù)電荷，中和正極電場(chǎng)產(chǎn)生正電荷，使得流過(guò)正極荷電筒后的顆粒自身Zeta電位絕對(duì)值有一定降低。

圖7示出通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算得到的不同顆粒表面荷電量。圖7a示出4種燃油排氣顆粒在不同負(fù)極電壓下表面電荷量，由圖可知，隨著負(fù)極電壓從0 kV增加到15 kV，不同燃油排氣顆粒表面荷電量均有明顯增加；從15 kV增加到20 kV時(shí)，柴油、Fe100與Fe200燃油顆粒表面荷電量增加緩慢，F(xiàn)e300燃油顆粒的表面荷電量出現(xiàn)下降。這是因?yàn)椋?dāng)荷電電壓從15 kV增加到20 kV過(guò)程中，顆粒表面Zeta電位增加較小，但顆粒質(zhì)量中位徑在荷電凝并作用下變大，導(dǎo)致顆粒平均表面電荷量減少。柴油中摻混鐵基添加劑比例越大，排氣顆粒表面所攜帶電荷量越大，當(dāng)負(fù)極電壓為15 kV時(shí)，F(xiàn)e100、Fe200與Fe300排氣顆粒攜帶電荷量與柴油相比分別增加了323.2%，754.1%和1 166.5%。

圖7 荷電電壓對(duì)4種燃油排氣顆粒表面荷電量的影響

圖7b示出4種燃油排氣顆粒在正極電壓荷電下表面電荷量情況。由圖可見(jiàn)，正極電壓從5 kV增加到20 kV時(shí)，柴油機(jī)排氣顆粒表面電荷量變化趨勢(shì)與負(fù)極電壓相同；在電壓為15 kV時(shí)，4種燃油顆粒的表面電荷量均接近最大值。因而，在本次柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中雙極荷電凝并裝置采用15 kV高壓可以達(dá)到最好顆粒荷電效果。

2.4 荷電電壓對(duì)柴油機(jī)DPF數(shù)濃度捕集效率的影響

柴油機(jī)排氣顆粒在荷電區(qū)域內(nèi)被正負(fù)高壓電極荷上電荷，隨著荷電電壓提高，顆粒表面電荷量增多，更多的小粒徑顆粒凝并成大粒徑顆粒，從而影響DPF對(duì)顆粒數(shù)量濃度的捕集效率。圖8示出燃用柴油與Fe300燃油時(shí)在不同荷電電壓下DPF對(duì)顆粒數(shù)量濃度的捕集效率。由圖8可以看出，不施加電壓的情況下，柴油與Fe300燃油顆粒粒徑在6.04～12.4 nm時(shí)DPF平均數(shù)量捕集效率較低，分別為35.1%和39.6%；隨著雙極荷電電壓從0 kV增加到20 kV，DPF對(duì)上述粒徑范圍顆粒的捕集效率明顯增長(zhǎng)，柴油顆粒DPF平均捕集效率從40.4%增加到53.5%，F(xiàn)e300的DPF平均捕集效率從39.6%增加到65.3%。這是由于在荷電電壓作用下，排氣顆粒中大量核模態(tài)顆粒凝聚成積聚態(tài)顆粒，更加容易被DPF捕集，明顯提高了DPF對(duì)超細(xì)納米顆粒的捕集效率。

圖8 不同荷電電壓下DPF對(duì)2種燃油顆粒數(shù)濃度的捕集效率

3 結(jié)論

a) 雙極荷電凝并技術(shù)可以有效降低柴油機(jī)排氣顆粒數(shù)量濃度，當(dāng)荷電電壓為20 kV時(shí)，柴油與Fe300燃油顆粒在數(shù)量濃度峰值處分別降低22.8%和44.1%；Fe-FBC加入可以提高顆粒凝并程度，當(dāng)顆粒處于相同荷電電壓時(shí)，F(xiàn)e300燃油顆粒總數(shù)量濃度與核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度相比于柴油減少比例更大；

b) 提高荷電電壓與Fe-FBC含量均可以增加顆粒表面Zeta電位和荷電量，隨著雙極荷電電壓從0 kV變化到20 kV，顆粒Zeta電位絕對(duì)值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；燃油中Fe-FBC含量越高，顆粒表面Zeta電位絕對(duì)值與荷電量增長(zhǎng)趨勢(shì)越顯著；當(dāng)荷電電壓為15 kV時(shí)，4種燃油的顆粒荷電效果最理想，顆粒表面電荷量達(dá)到最大值；

c) 柴油機(jī)DPF在粒徑范圍6.04～12.4 nm處初始捕集效率在35.1%左右，雙極荷電電壓增加可以提高DPF對(duì)超細(xì)納米顆粒數(shù)量濃度捕集效率；當(dāng)荷電電壓為15 kV時(shí)，柴油機(jī)燃用柴油與Fe300燃油DPF在上述粒徑范圍內(nèi)捕集效率分別增加12.2%和23.8%。