2008年(第30卷)第8期汽车燃油添加剂
汽 车 工 程Aut omotive Engineering
2008(Vol .30)No .8
2008145
3
3国家863计划项目(2006AA060303)和天津市自然基金项目(08JCY BJC13600)资助。原稿收到日期为2007年10月10日，修改稿收到日期为2008年1月3日。
姚广涛，资新运，张春润，王 琛，李幸丹
(军事交通学院，天津 300161)
[摘要] 通过在康明斯6BT5.9发动机柴油中加入某型燃油添加剂的试验表明，添加剂能使沉积在捕集器内
的微粒在300～400℃时起燃而使捕集器再生。同时分析了不同工况下，微粒累积与再生平衡温度点的变化及再生效果的优劣。对柴油机微粒捕集器再生技术的研究具有一定指导意义。
关键词：柴油机；燃油添加剂；微粒捕集器；催化再生
An Experimental Study on D iesel Particulate Filter
Regenerati on with Fuel Additive Catalyst
Yao Guangt ao,Z i X i n yun,Zhang Chunrun,W ang Chen &L i X i n gdan
Acade m y of M ilitary Traffic,Tianjin 300161
[Abstract] An experi m ent is carried out on Cumm ins 6BT519diesel engine with s ome additive added int o diesel fuel,which indicates that the additive can make particulates deposited in diesel particulate filter (DPF )ig 2nite at a te mperature of 300℃t o 400℃and then the filter can rejuvenate .I n additi on,the variati on of te mperature point at which the accumulati on and regenerati on of particulates attain balance and the effectiveness of regenerati on under different working conditi ons are analyzed .The study is of certain guiding significance f or the research on the technol ogy of diesel particulate filter regenerati on .
Keywords:d i esel eng i n e;fuel add iti ve;parti cul a te f ilter;ca t a lyti c regenera ti on
前言
柴油机具有高燃油经济性、可靠性和低维护成本等特点，然而其尾气排放特别是微粒排放对环境
的污染严重制约了柴油机的发展。微粒捕集器(DPF,diesel particulate filter )是目前国内外公认的控制柴油机微粒排放的有效措施。
微粒捕集器应用面临的主要挑战之一是捕集器再生问题。去除捕集器内微粒、恢复其捕集效能的过程称为捕集器的再生。目前常用的再生技术有进气节流、额外喷油、加热、催化及燃油添加剂等技术[1]
。研究中采用燃油添加剂催化降低微粒起燃温度，使微粒利用柴油机自身排气温度或者额外提供较少的能量达到再生。
1 试验系统设计
111 系统功能
文中采用自行设计的试验系统，通过上位机进行实时控制，根据要求自动调整排气流量、排气温度等
参数。该试验系统的主要功能有:(1)对排气的温度、流量进行监测并在上位机控制界面实时显示;(2)通过调节电动调节阀控制试验所需部分排气流量;(3)通过自制加热箱控制排气温度，可以实现手动和自动调节。112 系统结构
试验台包括控制系统、加热系统、微粒过滤系统、流量控制系统和多路温度采集系统，见图1。
・642
・汽 车 工 程2008年(第30卷)第8
期
图1 试验系统示意图
2 试验及结果分析
通过试验分析添加剂催化再生的性能，为后处理系统的研制与开发提供参考。从寻不同工况时的平衡温度点、平衡温度窗口以及再生效果等方面进行试验并对数据进行分析总结。
211 平衡温度点试验
试验采用新加坡某公司研制的燃油添加剂，该添加剂是一种含铁元素的碳氢化合物溶剂，发动机选用东风康明斯6BT519，微粒捕集器内芯为壁流式陶瓷过滤体。采用燃油添加剂的目的是使沉积在微粒捕集器内的微粒在较低的温度下达到自燃，使微粒捕集器再生[2]。理想的情况是在不同工况下都能到一个温度点保证过滤器内微粒的积累与燃烧的速率相同(此温度点称作平衡温度点)[3]，使捕集器长时间保持较好的通气能力，不影响车辆性能。
试验首先选择了两个常用工况。将发动机热机后，从发动机原始排气温度开始，通过自制加热箱不断提高排气温度，在不同排气温度点进行数据采集，主要包括加热器后温度、捕集器前温度、捕集器后温度以及气体流量等数据。控制排气流量在70m3/h，每隔5m in记录一次各参数的值。每30～40m in
提高一次排气温度，目的是到排气背压不变时的温度点。在试验结果处理时，由于只关心背压变化，为消除每次试验时过滤体内微粒积累不同造成的背压差别，采用归一化方法，将同一工况连续试验时的背压值转化为0～1之间。图2是不同工况下进行微粒捕集器再生试验时温度与背压的关系曲线，可以看出该添加剂对微粒的催化燃烧效果非常明显，可以使微粒的着火点降低至400℃以下，无添加剂时着火点在600℃左右
。
图2 不同工况下微粒捕集器再生温度平衡曲线
从图2(a)中可以看出捕集器前后温度在200℃、250℃、300℃左右时排气背压呈上升趋势，而且这种趋势随着温度的升高有所减缓。当温度提高到330℃左右时，排气背压基本保持不变，说明此时微粒累积速度与微粒燃烧速度保持平衡。将温度进一步提高，排气背压开始下降，此时微粒燃烧速度已经超过了微粒累积速度，微粒捕集器开始再生。
图2(b)中曲线的基本变化趋势与图2(a)相同，但是其平衡温度点有所提高，约360℃左右，说明负荷变大烟度可能增加，微粒累积速率增加，所以要进一步提高温度来促进微粒燃烧以达到平衡。当温度达到380℃左右时排气背压急剧下降达到试验前水平，说明在此温度时过滤体已再生完全。另外，每次提高排气温度时，排气背压都有一个突变，这种现象可以用气体状态方程PV=nR T来解释。由于试验中气体流量不变，所以V一定,n、R为常数，所以当温度增加则P增加，这种现象是不利的。排气背压升高必然会影响发动机性能，因此要考虑缩短捕集器再生时间，将这种影响降到最小。
212 发动机工况与排气温度、烟度的关系
要使添加剂催化再生微粒捕集器接近实用，就要寻发动机所有工况的平衡温度点，试验发现平衡温
度点与该工况的烟度具有较好的对应关系。图3为不同烟度时平衡温度曲线，可以看出，随着烟度的增加平衡温度不断提高。如果能够到发动机运行中最大烟度并确定此时的温度平衡点，将为选择有效的方法来提高排气温度提供指导。
2008(Vol .30)No .8姚广涛，等：柴油机微粒捕集器燃油添加剂催化再生的试验研究・643 ・
图3 烟度与平衡温度点关系曲线
图4
是发动机在不同转速下转矩与烟度的关系曲线，可以看出随着转速和转矩的增加排气烟度相
应增加。这说明在大转速和大转矩下排气烟度大，此时平衡温度点最高，确定了此时的温度就能够到微粒捕集器再生的温度窗口上限，可以据此来选择合适的方法使排气温度达到所需的再生温度。
图4 不透光烟度与转矩关系曲线
213 发动机工况对微粒捕集器再生的影响21311 再生时机判断
微粒捕集器催化再生所需温度确定后，通过采取合理的策略来判断再生时机，使微粒捕集器获得较好的再生效果。从相关文献来看，通常是根据排气背压来判断再生时机。排气背压主要与排气流量有关，由于柴油机不采用节气门，因此所需新鲜空气量与发动机负荷没有关系，但与发动机转速有很好的比例关系。虽然随着负荷的增加燃油燃烧后产生的气体会增加，但占排气总量不到6%。因此柴油机排气背压主要受发动机转速的影响
[4]
。
为使发动机在任何工况下都能够判断再生时机，则需要知道不同工况下所允许的最大排气背压限值。通常根据G B /T12543—90《汽车加速性能试验方法》和G B /T12545—90《汽车燃料消耗量试验方法》测试在不同工况下发动机动力性和经济性的下降在允许范围内排气背压的上限值。21312 再生效果研究
采用燃油添加剂可以明显降低微粒着火点，降
低了微粒捕集器再生难度。但是排气中氧含量随着
工况的变化会有较大变化。氧气含量不足时，即使达到平衡温度点，再生效果也不理想。
文中采用评价矩阵[5]
评价发动机不同工况下微粒捕集器的再生效果。选取9个转速点和12个转矩点，组成发动机工况矩阵，如表1所示。
表1 微粒捕集器再生效果评价矩阵
效果评价
发动机转速/r ・m in -1
(×103)0185112
114
116
118
210
214
216218
发动机转矩/
N ・m
10★50★★90★★130
★
★★★170★210★
★★
X X X
250★X X
290X
330★
★
370X
★
★★X
410X
X
★
★
F ULL
X
X
★表示效果好,X 表示效果差
从表1可看出，大部分工况再生效果较好，越靠
近低转速、低负荷，以及高转速、高负荷区域再生效果越好。对于给定的转速，负荷增加则排气温度增加；对于给定负荷，转速增加排气温度也相应增加。因此在矩阵右下角排气温度最高，左上角温度较低。从试验可以得出，足够高的排气温度并不能保证微粒捕集器获得较好的再生。通过AVL 尾气分析仪对排气中氧含量进行测量，排气中氧含量为2%～15%，怠速工况时氧含量高，大负荷时氧含量很低。
因此要使微粒捕集器获得较好的再生效果必须详细
研究各工况下氧的含量和再生效果，寻适合再生的工况。
对于文中采用的再生方法，在大部分工况下微粒捕集器的再生还需要额外提供微粒起燃所需的热量。但与无添加剂时相比，再生所需的热量相对较少。可以采用加热、燃油喷射助燃、进排气节流等方法将排气提高到所需温度。
3 结论
采用燃油添加剂的方法可以明显降低微粒的着
(下转第656页)
・656 ・汽 车 工 程2008年(第30卷)第8期
图9 催化转化器前后C O
排放转化率变化
图。从图9中可以看出，依然存在热氧化反应与催化氧化反应两个反应过
程，原机初始阶段CO 最高转化率为36%，随后由于缺少足够的氧气和温度以
及反应时间，转化率降低。
在14s 后，催化剂开始发
挥作用，在两个反应的双重作用下,CO 的转化率迅速提高，并很快在28s 时达到90%的高转化率。加入二次空气后带来了后氧化反应所需要的氧气，因此从整体效果来看，第一阶段影响不大，第二阶段CO 的转化率都超过了原机，尤其是在空气量为4m 3
/h 的试验中，催化转化器的起燃时间大大提前,
使得整个过程的转化效率都很高。相比之下，二次
空气量较多的6m 3
/h 试验中，由于废气被稀释和冷却的作用造成催化转化器起燃时间增加。
4 结论
在点燃式发动机冷起动过程中，由于催化转化器未达到起燃温度造成HC 和CO 排放恶化，而加装二次空气后处理系统可以明显提高排气温度进而改善该过程的排放。
不同流量的二次空气对排放结果的影响不同，流量过小，不能提供足够的后氧化反应所需的氧气,
流量过大，对废气的冷却作用降低了排气温度，也不利于后氧化反应的进行，因此必须加入合适的二次空气量才能达到最低的排放水平。
参考文献
[1] 程勇，王建昕，庄人隽，等.电喷汽油机起动及暖机过程HC 排
放的测试分析[J ].汽车工程,2002,24(4).
[2] 蔡锐彬，秦宇.对二次空气改善车用汽油机排气净化效果的研
究[J ].车用发动机,2000(5).
[3] 王永军，徐世利，王彬.轿车冷起动/暖机工况排放优化[J ].汽
车技术,2006(4).
[4] Onorati A,Ferrari G,D πErrico G .Secondary A ir I njecti on in the
Exhaust After 2Treat m ent Syste m of S .I .Engines:1D Fluid Dyna m 2ic Modeling and Experi m ental I nvestigati on [C ].S AE Paper 2003-01-0366.
[5] Hern ández Juan Luis,Herding Gerald,Carstensen A s mus .A
Study of he Ther mo 2Che m ical Conditi ons in the Exhaust Manif old U sing Secondary A ir in a 210L Engine[C ].S AE Paper 2002-01-1676.
[6] Koehlen C,et al .Op ti m izati on of CatalystL ight off by I nvestigating
Moti on of the Post Oxidati on Fla me and its Dependence fr om Com 2busti on and Manifold Geometry [C ].S AE Paper 2002-01-
0744.
[7] Crane M ,et al .Reduced Cold 2start Em issi ons U sing Rap id Ex 2
haust Port Oxidati on (REP O )in a Spark I gniti on Engine[C ].S AE Paper 970264.
[8] 唐睿.LPG 单一燃料发动机冷起动控制策略的研究[D ].长春:
吉林大学,2005.
[9] 高建军.二次空气对汽油机冷起动过程排放影响的研究[D ].
长春：吉林大学,2006.
(上接第643页)
火点。工况的变化会影响微粒捕集器再生温度的平
衡点。只采用燃油添加剂还不能达到微粒捕集器全工况再生的条件。发动机排气中氧气量的变化对微粒捕集器再生效果有较大的影响。
参考文献
[1] 田柳青，叶代启.柴油车排气颗粒物的后处理技术[J ].环境污
染治理技术与设备,2003,4(10).
[2] 刘巽俊，等.内燃机的排放与控制[M ].北京：机械工业出版社,
2003.
[3] 杜传进，李三超，等.柴油添加剂在柴油机微粒净化中的应用
[J ].武汉理工大学学报,2002,24(1).
[4] Kiyom i,Nakakita .Research and Devel opment Trend in Combus 2
ti on and Aftertreat m ent System s f or Next 2Generati on HS D I D iesel Engines[J ].R&D Review of Toyota CRDL,2002,37(3).[5] R ichards P,V incent M W.A ssess ment of the Perf or mance of
D iesel Particulate Filter Syste m with Fuel Additives for Enhanced Regenerati on Characteristics[C ].S A
E Paper 1999-01-0112.
发布评论