蒲云飛 孟忠偉

（1-成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 四川 成都 610100 2-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車測控與安全四川省重點實驗室）

引言

柴油機由于具有較高的熱效率、較好的經(jīng)濟性以及較低的CO2排放等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于運輸業(yè)中，但是其顆粒物排放量大，對環(huán)境造成嚴重污染[1]。嚴格的排放標準要求有效可靠的技術(shù)以減少顆粒物排放[2]。從控制技術(shù)上，僅靠柴油機機內(nèi)凈化和改善燃油品質(zhì)已難以滿足目前的排放標準[3]。滿足當前排放法規(guī)的柴油機普遍采用后處理技術(shù)，未來更嚴格的排放法規(guī)將對后處理技術(shù)提出更高的要求[4]。

柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是降低柴油機排氣顆粒物的重要設(shè)備[5]，也是目前后處理技術(shù)中商業(yè)應(yīng)用前景最好的設(shè)備之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交錯式結(jié)構(gòu)，具有極高的捕集效率（物理捕集柴油機顆粒[7]，顆粒捕集效率常常高于95%[8]）而得到廣泛應(yīng)用。

高性能的DPF要求具有低過濾壓降以及最小的再生頻率，而過濾壓降及再生過程與顆粒的沉積特性密切相關(guān)。因此，通過研究DPF內(nèi)顆粒的沉積特性，達到提高過濾及燃燒性能的目的。

本文分析了DPF內(nèi)顆粒沉積特性的相關(guān)研究，包括過濾壓降、顆粒堆積密度、顆粒沉積過程（包括顆粒層的厚度、結(jié)構(gòu)、分布以及顆粒的沉積過程等）以及灰分沉積的影響等。

1 顆粒沉積特性

1.1 過濾壓降

DPF過濾時，柴油機顆粒物在DPF內(nèi)部沉積量增加，過濾壓降逐漸升高，使得排氣阻力增大，導(dǎo)致發(fā)動機缸內(nèi)燃燒惡化，柴油機動力性和經(jīng)濟性受到嚴重影響。當過濾壓降達到一定數(shù)值（一般規(guī)定柴油機的排氣背壓小于16 kPa），DPF就需進行再生。只有降低DPF的過濾壓降，DPF才能進行連續(xù)捕集。

DPF的過濾壓降主要由6部分組成：排氣通過顆粒層和壁面時產(chǎn)生的壓降、入口孔道和出口孔道沿程壓降、孔道入口收縮和孔道出口擴張產(chǎn)生的壓力損失等[9]。

已有文獻對影響DPF過濾壓降的眾多因素展開了研究。不僅是過濾材料，過濾體的長度、直徑、壁厚、孔目數(shù)、微孔孔徑以及孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)也影響DPF的過濾壓降[10]。當柴油機運行時，其運行參數(shù)如排氣溫度、排氣流量、顆粒加載量等的提高，會增加DPF的過濾壓降[9]。使用DOC+催化型DPF的連續(xù)再生方式，排氣溫度升高，過濾壓降先略有增大，后明顯降低[11]；在深床過濾階段，過濾壓降迅速增大。但隨著再生時間的延長，過濾壓降隨之減小[12]。再生后，DPF中會有灰燼沉積，導(dǎo)致深床過濾階段的過濾壓降顯著增加[13]。此外，DPF含水率降低時，過濾壓降降低[14]。

綜合上述文獻，影響DPF過濾壓降的因素如圖1所示。因此，降低DPF過濾壓降，提高DPF的使用時間和使用里程，應(yīng)從DPF自身以及工作環(huán)境等2個方面進行優(yōu)化。其中，灰分的沉積是不可逆的，需減少深床過濾階段的灰燼沉積量，從而降低過濾壓降。

圖1 過濾壓降的影響因素

1.2 顆粒堆積密度

DPF進行再生可以有效降低過濾壓降，但其再生時的燃燒性能會受到顆粒沉積時堆積密度的影響。已有文獻表明，柴油機顆粒堆積密度分布在一定范圍內(nèi)。目前，在數(shù)值研究DPF再生時，通常將堆積密度設(shè)定為某一固定值。

在通過實驗方法獲得顆粒堆積密度方面，Shende A.S.等人[15]在利用實驗臺架以及自行建立的一維二層模型研究催化型DPF的過濾與氧化特性時，得到顆粒堆積密度為65～99 kg/m3。Konstandopoulos A.G.等人[16]在研究DPF捕集顆粒物的顆粒沉積顯微特性時，得到顆粒堆積密度為40～135 kg/m3。Koltsakis G.C.等人[17]通過實驗測量以及模型模擬獲得顆粒堆積密度及滲透系數(shù)時，得到顆粒堆積密度為25～100 kg/m3。Triana A.P.等人[18]在研究 DOC、DPF 的過濾壓降以及再生特性時，通過實驗以及模擬計算，得到顆粒堆積密度為11～128 kg/m3。Stratakis G.A.等人[19]在研究DPF的過濾壓降以及催化氧化時，使用SEM分析，得到顆粒堆積密度為93.6 kg/m3。孟忠偉利用二維激光位移傳感器測得，隨過濾速度的增大、顆粒粒徑減小以及SOF含量的增加，堆積密度增加，分布在100 kg/m3以下的范圍內(nèi)[20]。Zhongwei Meng等人[21]通過實驗測得碳黑 SB250、碳黑SB4A、碳黑CBFW200、碳黑Printex-U以及DK4A柴油機的顆粒堆積密度分別分布在 160～327 kg/m3、88～242 kg/m3、78～118 kg/m3、70～92 kg/m3以及 75～105 kg/m3。

在通過模型計算方法獲得顆粒堆積密度方面，Huynh C.T.等人[22]使用一維模型研究催化型DPF的過濾與再生特性時，在模型中預(yù)估的顆粒堆積密度為 117～137 kg/m3。Haralampous O.等人[23]利用模型研究DPF內(nèi)部顆粒層的溫度梯度時，得到的顆粒堆積密度為 75 kg/m3。Konstandopoulos A.G.等人[24]在研究DPF瞬態(tài)負載變化、再生與衰老時，得到的顆粒堆積密度為 91、97、110 kg/m3等。Opris C.N.等人[25]利用2-D模型研究DPF反應(yīng)動力學(xué)和再生特性時，得到的顆粒堆積密度為998～1 050 kg/m3。

在利用數(shù)值研究方法選取顆粒堆積密度方面，唐君實等人[26]在研究來流參數(shù)對DPF熱再生過程的影響時，選取的顆粒堆積密度為136 kg/m3。姜大海等人[27]在研究柴油機顆粒捕集器再生時機時，選取的顆粒堆積密度為136 kg/m3。Bensaid S.等人[28]在利用數(shù)值模擬研究DPF的過濾與再生時，選取的顆粒堆積密度為100 kg/m3。Versaevel P.等人[29]在對比研究DPF實驗與模擬時，選取的顆粒堆積密度為140 kg/m3。

在上述文獻中，DPF顆粒堆積密度范圍為11～1 050 kg/m3，其分布如圖2所示，大部分集中分布在300 kg/m3以下的范圍內(nèi)。

圖2 顆粒堆積密度分布

1.3 顆粒沉積過程

過濾壓降與DPF內(nèi)顆粒沉積過程密切相關(guān)，通過研究顆粒沉積過程，可理解過濾壓降的變化過程。

在研究DPF顆粒沉積過程的過濾機制方面，Masoudi M.等人及Murtagh M.J.等人基于實驗中的過濾壓降曲線，把過濾過程分為3個階段：深床過濾階段、過渡階段和表面過濾階段[30-31]。

在研究顆粒層的分布方面，Bensaid S.等人通過模型計算得到顆粒在通道軸向方向的沉積分布與氣流流場一致[32]；同時，Bensaid S.等人通過FESEM觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒沉積厚度在軸向通道內(nèi)分布不均勻，在通道中間處最?。淮送?，根據(jù)氣流在通道入口處的分布發(fā)現(xiàn)，顆粒沉積過程受通道徑向位置的影響很大[33]。

在研究DPF顆粒的沉積過程方面，Karin P.等人通過顯微鏡觀察DPF橫截面和表面，觀察到顆粒沉積從深床過濾過渡到表面過濾，并且DPF表面微孔與柴油機顆粒物的深床過濾密切相關(guān)。在再生時，顆粒層先被氧化燃燒，沉積在微孔里的顆粒物最后燃燒[34]。因此，DPF的顆粒捕集和氧化過程強烈依賴DPF表面孔隙的微觀結(jié)構(gòu)。Daido S.等人及Choi S.等人通過CCD照相機和顯微鏡直接觀察了顆粒的沉積過程。通過過濾壓降曲線，可以確定3個過濾階段的時間，對應(yīng)的可視圖像被記錄下來[35-36]。在過渡階段，眾多的顆粒沉積在DPF微孔周圍并向外擴散至通道的其余部分。這可能是由于顆粒最初沉積在微孔中，最終形成顆?！扒鹆辍盵36]。孟忠偉利用激光位移傳感器研究了顆粒沉積厚度隨時間的變化關(guān)系?；陬w粒沉積厚度，將典型的3個過濾階段中的過渡階段分為長樹階段和搭橋階段[37]。同時，過濾壓降隨顆粒層厚度的增加也呈現(xiàn)典型的3階段變化關(guān)系[20]。

在研究顆粒層的過濾效率方面，Yang J.等人利用實驗室產(chǎn)生的顆粒物研究了單通道DPF的過濾效率。結(jié)果表明，DPF對粒徑在80nm以下以及200 nm以上的顆粒有極高的捕集效率。將實驗結(jié)果與格子玻爾茲曼（LBM）模擬進行對比，顯示出良好的一致性，只是模型預(yù)測的捕集效率高于實際DPF[38]。

此外，基于格子玻爾茲曼方法，Yamamoto K.等人模擬研究了顆粒物的流動、沉積過程，并利用X射線CT圖像研究了顆粒的沉積過程。結(jié)果表明，過濾壓降的分布取決于非均勻孔隙結(jié)構(gòu)，在高的排氣背壓下，氣體流動在很大程度上改變了顆粒物的沉積量[39]。

1.4 灰分沉積對過濾壓降的影響

DPF在長時間工作后，灰分的積累會直接影響過濾壓降，導(dǎo)致DPF工作性能惡化?；曳謥碓从跐櫥吞砑觿⑷加吞砑觿?、發(fā)動機磨損以及所有受排氣系統(tǒng)腐蝕的部件的衍生物等，其中，潤滑油添加劑是灰分的主要來源[40]。

Liati A.等人利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡詳細分析了柴油機灰分的成分。結(jié)果表明，灰分中包含氧、硫、鈣、磷、鋅、鎂、鋁、硅以及鐵等元素[41]。

Liati A.等人對比分析了DPF有無添加燃油添加劑的灰分沉積方式。結(jié)果表明，未添加燃油添加劑的DPF，灰分主要集中在DPF的出口處，沿過濾通道的軸向方向有少量的灰分沉積在DPF表面；添加燃油添加劑的DPF，有一半以上的過濾空間填滿了灰分（在DPF下層部分）[42]。

Sappok A.等人比較了顆粒加載時有無灰分的過濾壓降，以探究灰分對過濾壓降的影響程度。結(jié)果表明，在有大量灰分沉積條件下的過濾壓降遠大于無灰分沉積[43]。

Bollerhoff T.等人提出了一種新的雙層過濾壁面技術(shù)，證實在DPF表面涂敷一層致密過濾介質(zhì)后，可有效減少顆粒物在深床過濾階段的沉積量，降低過濾壓降[44]。在潔凈的DPF上沉積一定量的灰分，也能達到相同的效果[45]。

通過優(yōu)化DPF，可減少灰分在深床過濾階段的沉積以及達到類似雙層過濾壁面技術(shù)的效果，如圖3所示。

圖3 潔凈DPF與含灰分DPF的顆粒沉積對比

2 結(jié)論

本文分析了DPF內(nèi)顆粒沉積特性的相關(guān)研究，包括過濾壓降、顆粒堆積密度、顆粒沉積過程以及灰分沉積對過濾壓降的影響。研究結(jié)果表明：

1）過濾壓降受DPF過濾材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)、催化涂層、灰分沉積以及含水率等因素的影響，為降低過濾壓降，應(yīng)從DPF自身以及工作環(huán)境等2個方面進行優(yōu)化。

2）顆粒堆積密度主要分布在300 kg/m3以下的范圍內(nèi)，并受過濾速度、顆粒粒徑、SOF含量等因素的影響。

3）通過模擬或觀察顆粒的沉積過程以及顆粒層的厚度、結(jié)構(gòu)、分布等，得到過濾壓降隨過濾時間、顆粒層厚度的增加呈現(xiàn)典型的3階段變化關(guān)系。

4）潔凈的DPF上沉積一定量的灰分，有類似雙層過濾壁面技術(shù)的效果，可降低過濾壓降，但灰分過量后，過濾壓降遠大于無灰分沉積時。