铁基FBC对柴油机颗粒荷电特性的影响

张琦，孙平，刘军恒，范义，嵇乾，黄河

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013；2.南京工业职业技术学院交通工程学院，江苏 南京 210046)

金属燃油添加剂(Fuel Borne Catalyst,FBC)可以有效降低柴油机排气颗粒的氧化燃烧温度，减少柴油机灰分与颗粒质量排放，并且能促进柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)的连续稳定再生[1-2]。吉林大学刘忠长等在不添加辅助设备情况下，结合喷油助燃再生方式实现DPF在400 ℃左右的再生[3]。新加坡国立大学Zhang等研究了铁基添加剂含量对排气颗粒的潜在影响，结果表明，排气颗粒中可溶性有机物含量增加，颗粒的燃烧温度和反应活化能有所降低[4-6]。然而，研究表明柴油中掺混Fe-FBC使得柴油机排气颗粒粒径减小并且形成更多富含铁的核模态粒子，导致颗粒数量浓度上升[7-8]。国六排放法规更加严格，增加了对颗粒排放数量浓度限值的要求，因此，对于超细粒径颗粒的处理也越来越受到重视。

DPF对超细颗粒的捕集效率较低，现今多采用增加孔密度、减小孔隙率等措施来提高DPF对超细颗粒的捕集效率，然而这些举措会进一步增加DPF前后端压降，从而影响柴油机的动力性与经济性[9]。荷电凝并技术(Electrical Charge Agglomeration，ECA)是通过外接高压电源将排气管中颗粒荷上电荷，从而增大颗粒间的碰撞概率与凝并系数，在不改变现有DPF结构参数情况下，将超细颗粒凝并成大粒径颗粒，既降低了颗粒数量，又能够提高DPF捕集效率。ECA与DPF协同作用可以有效促进微纳米颗粒的去除，备受国内外研究人员重视[10-12]。清华大学谭百贺等[13]研究发现，外加交变电场可有效促进双极荷电颗粒凝并，颗粒携带电荷越多其凝并效率越大。此外，法国Boichot等[14]对不同微纳米级NaCl，Al2O3与SiO2颗粒的荷电凝并效果进行试验，研究颗粒自身特性对荷电效果的影响，发现颗粒中添加金属元素可以明显增加其凝并效果。

以往研究表明，ECA-DPF技术在柴油机上有较好应用前景。本研究通过台架试验，对燃用不同燃油的柴油机排气颗粒进行采样分析，研究荷电电压对带有金属Fe元素的燃油颗粒数量浓度、粒径分布特征、颗粒表面电荷以及DPF捕集效率的影响。

1 试验装置与方法

1.1 试验系统与设备

图1为试验系统示意。试验所用柴油机为直列4缸水冷YZ4DA1柴油机，其主要技术参数见表1。本研究主要分析不同浓度Fe-FBC燃油与不同荷电电压对排气颗粒的影响，试验工况选用柴油机最大扭矩转速100%负荷点。试验基准燃油为在售国Ⅴω(S)=30 mg/kg柴油，Fe-FBC采用F7994溶液，该溶液可与柴油任意比例互溶，分别按照Fe元素质量比为100 mg/kg，200 mg/kg和300 mg/kg添加到柴油中，配制Fe100，Fe200，Fe300 3种燃油。ECA主体部分为线筒式高压荷电凝并装置，使用Teslaman TD2200高压直流电源，可以对外输出正负高压，在0～±30 kV连续可调；陶瓷加热电圈包裹于双极荷电筒外壁，温度控制精度±5 ℃。测量系统设备主要包括：EEPS发动机排气粒径谱仪，其颗粒粒径检测范围为5.6～560 nm，采样流量为50 L/min，设备采用32个数据通道，可以提供精细的分辨率和高速检测，实现瞬态测试排气颗粒数量浓度；Zeta电位分析仪，可以定量测量颗粒表面荷电情况。

图1 双极荷电试验系统示意

型式直列4缸,增压,中冷标定功率转速/r·min-12 600供油系统电控高压共轨标定功率/kW95缸径/mm102压缩比17.5∶1行程/mm112排量/L3.66

1.2 试验设计

1.2.1颗粒采集与分析

选取柴油机转速1 600 r/min下100%负荷作为试验工况，探究不同浓度Fe-FBC对柴油机排气颗粒的影响。首先向油箱中加入柴油，柴油机在试验工况点运转稳定10 min 后，采用EEPS对颗粒数浓度进行测量；然后更换Fe100燃油，保持柴油机持续工作30 min并实现柴油机内部燃油更换后，进行颗粒数浓度测量；最后对Fe200与Fe300燃油采用相同方式进行测量并记录。试验时控制EEPS总稀释比为120∶1，采样温度为120 ℃，连续采样300 s取平均值进行分析。

1.2.2荷电电压设定

本次试验测量不同荷电电压下柴油和Fe300燃油颗粒粒径分布状态，试验中采用正负极直流高压电源连接放电极，分别调节双极荷电电压为0 kV,5 kV,10 kV,15 kV和20 kV，并在双极荷电凝并装置前后对数浓度进行测量，以探究荷电电压对颗粒凝并效率的影响。使用陶瓷加热电圈对荷电区域进行恒温控制，温度设定为300 ℃以避免排气温度对颗粒荷电凝并产生影响；此外，当高压电极调节放电电压后，需保证电压稳定5 min后再进行测量。

1.2.3颗粒Zeta电位与表面荷电量测量

图2示出Zeta电位原理。当带电颗粒溶于水时，颗粒表面存在一个边界，边界内部离子随着颗粒运动，外部离子不随着颗粒运动，此边界与中性水溶液处的电位差即是Zeta电位，Zeta电位能够反映水溶液中颗粒的表面电荷极性与密度状态。试验时用阀门将正极荷电筒关闭，此时只有负极荷电筒对排气颗粒进行荷电作用；在柴油机排气管末端进行分流，集气瓶一端采用耐高温特氟龙气管将排气导入集气瓶中，另一端为固定流量真空泵；集气瓶内为0.01 mol/L的NaCl溶液，颗粒经过溶液过滤后被捕集，捕集时间设定为30 min。荷电端负极荷电筒颗粒采样完成后，将负极荷电筒阀门关闭并打开正极荷电筒通道，重复上述步骤。两种荷电颗粒被捕集后，使用Zeta电位分析仪测量不同颗粒溶液Zeta电位值。

图2 Stern双电层模型

颗粒表面电荷量计算基于颗粒表面Zeta电位值，通过Gouy-chapman[15]公式可以计算出表面电荷密度σ：

(1)

式中:ζ为Zeta电位值；εw为T=298 K时水的介电常数，取值78.3；ε0为真空介电常数，取值8.86×10-12；n为NaCl浓度；e为元电荷，取值1.6×10-19C；kB为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23J/K；T为试验环境温度。

计算出表面电荷密度σ后，根据式(2)可以计算出颗粒表面荷电量：

(2)

式中：dp为颗粒粒径。

1.2.4DPF颗粒捕集效率分析

排放法规日益严苛，柴油机颗粒数量浓度排放限值也列入其中。排气颗粒中小粒径核模态颗粒数量决定颗粒总数量浓度的大小，因而DPF对核模态颗粒的捕集尤为重要。在柴油机1 600 r/min，100%负荷工况下燃用柴油与Fe300燃油，当双极荷电电压分别稳定在0 kV,5 kV,10 kV,15 kV和20 kV后，采用EEPS测量DPF前后端颗粒粒径数量浓度，连续采样300 s计算平均值进行分析。本研究采用壁流式陶瓷过滤载体DPF，孔密度为 47 孔/cm2。

2 试验结果与分析

2.1 铁基添加剂含量对颗粒数浓度的影响

现代柴油机排气颗粒粒径主要分布范围为5～500 nm，其中颗粒粒径处于5～50 nm属于核模态颗粒，粒径处于50～500 nm属于积聚态颗粒。图3示出柴油机在1 600 r/min，100%负荷下，不同铁基含量燃油对柴油机颗粒排放数量浓度的影响。可以发现，柴油机原排颗粒浓度为典型双峰分布，随着燃油中Fe-FBC含量逐渐增加，排气颗粒中小粒径颗粒数量浓度显著升高，颗粒粒径分布慢慢趋向于单峰分布。随着Fe元素浓度逐渐增加，4种燃油颗粒浓度峰值粒径分别为60.4 nm，45.3 nm，22.1 nm和10.8 nm。与柴油机原排颗粒粒径浓度峰值相比，Fe100，Fe200和Fe300燃油颗粒数量峰值浓度分别增加18.7%，46.4%和108.1%。可以发现，柴油机燃用FBC燃油，颗粒粒径整体向小粒径方向偏移。

图3 不同浓度FBC燃油颗粒数量浓度的粒径分布

2.2 荷电电压对颗粒数浓度的影响

图4示出柴油机在1 600 r/min，100%负荷工况下，在不同荷电电压下柴油与Fe300燃油排气颗粒数浓度分布情况。由图4a可以看出，柴油机燃用柴油时，在试验工况下排气颗粒粒径呈双峰分布，两个峰值粒径分别处于10 nm和65 nm左右。随着双极荷电电压逐渐增大，粒径小于93 nm的颗粒浓度均随着电压增加而减小,而粒径大于103 nm的颗粒浓度均随着电压增加而增大。此外，随着荷电电压从0 kV变化到20 kV，颗粒浓度峰值向大粒径方向偏移，峰值粒径从60.4 nm增加到69.8 nm；粒径峰值处数量浓度有明显降低，相比于不加荷电电压，荷电电压为20 kV下峰值处数量浓度减少22.8%。图4b示出Fe300燃油在柴油机相同工况下颗粒粒径随荷电电压的变化。由图4b可以发现，在不施加荷电电压时，Fe300燃油颗粒粒径主要处于6.0～45.3 nm。随着电压绝对值增加，颗粒粒径峰值均逐渐向大粒径方向偏移，并且峰值处颗粒数量浓度降低更加明显。其中，与不加荷电电压相比，荷电电压为20 kV时颗粒峰值粒径从10.8 nm增加到19.1 nm，峰值处数量浓度降低41.1%。

图4 荷电电压对柴油与Fe300燃油排气颗粒粒径分布的影响

图5示出4种荷电电压下两种燃油颗粒总数量与核模态颗粒数的降低比例。由图5可知，随着荷电电压升高，柴油与Fe300燃油颗粒浓度的降低比例增大，当荷电电压为20 kV时，柴油与Fe300燃油颗粒浓度降低比例分别为21.5%和29.4%；此外，随着电压增加，Fe300燃油的核模态颗粒数量浓度降低比例更明显，在20 kV荷电电压下降低比例达到35.4%，这是由于核模态颗粒中Fe元素质量占比更高，可增加颗粒的荷电能力和凝并效率。

图5 不同荷电电压下柴油与Fe300燃油颗粒数降低比例

柴油机排气颗粒作为多分散颗粒，颗粒间的碰撞凝并系数不仅与颗粒数量浓度有关，还与颗粒粒径和表面性质有关[16]。Fe-FBC掺烧使得排气颗粒中存在Fe2+和Fe3+，两种离子在柴油机高温排气氛围中发生电子跃迁行为，从而使颗粒介电常数发生明显变化，有效增大颗粒携带电荷量[17]；将颗粒进行高压荷电后，颗粒表面带上相反极性电荷，颗粒间受库仑力作用，凝并系数增加[18]，有效增大颗粒的荷电凝并效果。当荷电电压绝对值不断增大时，荷电装置内激发出更多自由电子，颗粒表面所带电荷也会增加，促进小粒径颗粒逐步碰撞凝并成大粒径颗粒。

2.3 荷电电压对颗粒表面Zeta电位和颗粒荷电量的影响

图6示出不同燃油在5种荷电电压下排气颗粒水溶液的Zeta电位值。图6a示出负极荷电电压Zeta电位的变化，当不外加荷电电压时，柴油机自身排气颗粒携带少部分电子，整体呈现负极性；在负极电压从0 kV增加到20 kV过程中，柴油颗粒Zeta电位值从-0.24 mV变化到-1.22 mV，Fe300颗粒电压从-0.45 mV变化到-12.71 mV。此外，当负极电压增加时，Zeta电位值没有呈线性增加，当电压从10 kV增加到15 kV，4种燃油颗粒电位值增长梯度最大，而从15 kV增加到20 kV时电位值没有明显变化。Fe-FBC含量增加可明显提高排气颗粒荷电性能。这是因为当负极电压处于5 kV与10 kV之间时，荷电装置中电场强度随电压线性增加；当负极电压达到15 kV左右时，强电场电离排气激发大量电子，使气体发生强烈的电子“雪崩”现象，此时产生的电流也会随着电场强度增大而迅速增大，从而排气颗粒表面Zeta电位快速增加；此后，随着负极电压继续向20 kV变化，排气颗粒表面所携带电荷趋于饱和，此时Zeta电位值变化缓慢。

图6 荷电电压对4种燃油排气颗粒表面Zeta电位值的影响

图6b为颗粒经过正极荷电筒后表面Zeta电位情况。由图6b可知，正极电压从5 kV增加到20 kV过程中，柴油与Fe300颗粒Zeta电位值呈现出与负极颗粒相同的趋势。与相同的负极电压相比，正极电压下颗粒Zeta电位的绝对值有一定减小，当荷电电压为15 kV时最为明显，负极电压下柴油与Fe300燃油颗粒的Zeta电位绝对值分别为0.94 mV和12.61 mV，正极电压下两种燃油颗粒Zeta电位绝对值分别为0.61 mV和10.72 mV。这是由于柴油机原排颗粒自身表面携带一定量负电荷，中和正极电场产生正电荷，使得流过正极荷电筒后的颗粒自身Zeta电位绝对值有一定降低。

图7示出通过式(1)和式(2)计算得到的不同颗粒表面荷电量。图7a示出4种燃油排气颗粒在不同负极电压下表面电荷量，由图可知，随着负极电压从0 kV增加到15 kV，不同燃油排气颗粒表面荷电量均有明显增加；从15 kV增加到20 kV时，柴油、Fe100与Fe200燃油颗粒表面荷电量增加缓慢，Fe300燃油颗粒的表面荷电量出现下降。这是因为，当荷电电压从15 kV增加到20 kV过程中，颗粒表面Zeta电位增加较小，但颗粒质量中位径在荷电凝并作用下变大，导致颗粒平均表面电荷量减少。柴油中掺混铁基添加剂比例越大，排气颗粒表面所携带电荷量越大，当负极电压为15 kV时，Fe100、Fe200与Fe300排气颗粒携带电荷量与柴油相比分别增加了323.2%，754.1%和1 166.5%。

图7 荷电电压对4种燃油排气颗粒表面荷电量的影响

图7b示出4种燃油排气颗粒在正极电压荷电下表面电荷量情况。由图可见，正极电压从5 kV增加到20 kV时，柴油机排气颗粒表面电荷量变化趋势与负极电压相同；在电压为15 kV时，4种燃油颗粒的表面电荷量均接近最大值。因而，在本次柴油机台架试验中双极荷电凝并装置采用15 kV高压可以达到最好颗粒荷电效果。

2.4 荷电电压对柴油机DPF数浓度捕集效率的影响

柴油机排气颗粒在荷电区域内被正负高压电极荷上电荷，随着荷电电压提高，颗粒表面电荷量增多，更多的小粒径颗粒凝并成大粒径颗粒，从而影响DPF对颗粒数量浓度的捕集效率。图8示出燃用柴油与Fe300燃油时在不同荷电电压下DPF对颗粒数量浓度的捕集效率。由图8可以看出，不施加电压的情况下，柴油与Fe300燃油颗粒粒径在6.04～12.4 nm时DPF平均数量捕集效率较低，分别为35.1%和39.6%；随着双极荷电电压从0 kV增加到20 kV，DPF对上述粒径范围颗粒的捕集效率明显增长，柴油颗粒DPF平均捕集效率从40.4%增加到53.5%，Fe300的DPF平均捕集效率从39.6%增加到65.3%。这是由于在荷电电压作用下，排气颗粒中大量核模态颗粒凝聚成积聚态颗粒，更加容易被DPF捕集，明显提高了DPF对超细纳米颗粒的捕集效率。

图8 不同荷电电压下DPF对2种燃油颗粒数浓度的捕集效率

3 结论

a) 双极荷电凝并技术可以有效降低柴油机排气颗粒数量浓度，当荷电电压为20 kV时，柴油与Fe300燃油颗粒在数量浓度峰值处分别降低22.8%和44.1%；Fe-FBC加入可以提高颗粒凝并程度，当颗粒处于相同荷电电压时，Fe300燃油颗粒总数量浓度与核模态颗粒数量浓度相比于柴油减少比例更大；

b) 提高荷电电压与Fe-FBC含量均可以增加颗粒表面Zeta电位和荷电量，随着双极荷电电压从0 kV变化到20 kV，颗粒Zeta电位绝对值呈现增长趋势；燃油中Fe-FBC含量越高，颗粒表面Zeta电位绝对值与荷电量增长趋势越显著；当荷电电压为15 kV时，4种燃油的颗粒荷电效果最理想，颗粒表面电荷量达到最大值；

c) 柴油机DPF在粒径范围6.04～12.4 nm处初始捕集效率在35.1%左右，双极荷电电压增加可以提高DPF对超细纳米颗粒数量浓度捕集效率；当荷电电压为15 kV时，柴油机燃用柴油与Fe300燃油DPF在上述粒径范围内捕集效率分别增加12.2%和23.8%。