黃會波 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

隨著歐5排放標準的執(zhí)行，柴油機顆粒過濾器 （DPF）成為了柴油車的一個不可或缺的技術。近年來隨著機動車保有量的增加，機動車排放逐漸成為中國大城市空氣污染的主要來源。北京市大氣PM2.5的來源，機動車尾氣排放的分擔率高達22%。而且機動車排放的顆粒物主要來自于柴油車。隨著中國日趨嚴格的柴油機動車排放控制法規(guī)的導入，DPF的應用將有廣闊的市場前景。目前應用于DPF的材料包括氧化物與非氧化物，氧化物以堇青石、鈦酸鋁、莫來石、三氧化二鋁等為代表，非氧化物材料主要是碳化硅和氮化硅［1－2］。最理想的DPF材料應該具備低的熱膨脹系數和高的導熱系數，同時機械強度高、耐灰分腐蝕、耐疲勞和熱沖擊［3］。碳化硅不但機械強度高，高溫熱穩(wěn)定性好，而且導熱性能非常好，其劣勢是較高的熱膨脹系數，在不斷的DPF再生高溫過程中，容易產生熱應力，使DPF壁面形成裂縫，造成DPF失效。分割式結構并通過具備高強度和低彈性模量的陶瓷粘合劑組合而成的碳化硅DPF能有效地減少在其再生時產生的拉伸應力和壓縮應力［4－5］。

自從法國標致雪鐵龍公司 （Peugeot S.A）與日本揖斐電 （IBIDEN）在2000年合作開發(fā)并量產帶有碳化硅DPF的柴油轎車，碳化硅DPF已經商業(yè)化15年了。碳化硅DPF結構設計以及其生產過程是陶瓷技術與現代生產技術的高度結合體，然而，其生產以及原材料的生產過程以高能耗著稱。減少DPF使用成本是目前相關研究者和生產企業(yè)的主要課題。

1 材料

圖1 碳化硅晶粒的生成過程

重結晶碳化硅的燒制需要純度高的碳化硅材料，由不同粒徑分布的碳化硅粉末組成的混合料，在保護氣氛下 （氬氣）超過2200℃的溫度生產。當碳化硅被燒結，相互貫接的晶粒慢慢形成長度100到300μm，厚度50μm的六邊形的板狀結構［6］，如圖1所示。

高純度的碳化硅原材料對燒結出高品質的重結晶碳化硅至關重要，由于不純或純度不夠的碳化硅原材料，在經過高溫燒結后，容易在碳化硅晶粒表面以及相互貫通的網狀空隙中殘留灰分，影響重結晶碳化硅DPF的使用性能，尤其當DPF應用于涂敷催化劑降低再生溫度，殘留的灰分使得重結晶碳化硅DPF不可涂敷。圖2對使用不純與高純度的碳化硅燒結而成的重結晶碳化硅微觀結構做了對比。以高純度碳化硅為原材料生成的重結晶碳化硅沒有發(fā)現灰分殘留，微孔之間的貫穿性比較好，而以不純的碳化硅為原材料燒結而成的重結晶碳化硅則相反。

圖2 重結晶碳化硅微觀結構

2 重結晶碳化硅DPF的有效設計

2.1 優(yōu)化生產工藝

重結晶碳化硅DPF生產是一個高能耗、高成本的過程，如何通過有效的設計減少原材料的消耗，以縮小DPF尺寸，以便降低使用成本，是DPF研究者和生產企業(yè)追求的主要目標之一［7］。由于碳化硅DPF具有較高的熱膨脹系數，在高溫再生情況下，容易產生熱應力，形成裂紋使DPF失效。因此一般DPF被設計成小尺寸的條狀 （橫截面尺寸：長34.3mm，寬34.3mm），然后根據客戶的要求，用多條通過陶瓷粘合劑組合成不同形狀，對外圍進行切割，然后進行涂層。

大多應用于柴油轎車和輕卡的DPF直徑為144mm，長度根據實際需求確定。在不犧牲生產效率的前提下，傳統(tǒng)的DPF由16個條狀 （條狀尺寸：長34.3mm，寬34.3mm）組裝而成，然后對外圍進行切割，這造成了很多原材料浪費，為了進一步減少原材料的浪費，在4角落使用較小尺寸的條狀DPF，圓輪廓線剛好經過小條狀DPF對角線2點，這樣就可以最大限度減少原材料的浪費。為了取得原材料零浪費，可以通過如圖3所示的結構設計，DPF總共由12個條狀載體組成 （包括8個異形斷面和4個方形斷面蜂窩載體），這種設計不但節(jié)省原材料，而且可以直接拼裝成圓柱體，過程簡單，沒有外圍切割工藝。

圖3 節(jié)省碳化硅原材料的工藝優(yōu)化流程圖

圖4 非對稱的孔結構優(yōu)化方案

2.2 優(yōu)化孔結構設計

除了優(yōu)化生產工藝可以節(jié)省原材料，通過優(yōu)化孔結構設計，縮短載體長度以達到減少DPF體積的效果。圖4展示了6種不同的孔結構設計方案，其中OS1為傳統(tǒng)的對稱結構設計。

不同孔結構DPF具有相同的微孔結構、尺寸和入口的邊界條件。壓差計算結果如圖5所示。OS5和OS6孔結構DPF由于出口的開孔率太小，以至其被壓在不同碳煙負載量情況下明顯偏高。與傳統(tǒng)的孔結構OS1相比，在低碳煙負載量情況下，OS2、OS3和OS4孔結構的壓差損失輕微偏高，當碳煙負載量超過20g／F時，其壓差損失具有明顯的優(yōu)勢，其中OS4孔結構的優(yōu)勢更多，這是因為其具有更大的過濾面積，使得碳煙負載在DPF壁面的厚度更小。

2.3 縮短DPF長度

機油經過缸內燃燒，清潔劑、抗氧化劑等一系列機油添加劑中金屬元素會形成灰分，其中以硫酸鈣和磷酸鋅為主。機油灰分的不斷積累，會減少DPF的有效過濾體積［8－9］。一般情況下，灰分的積累速度與機油消耗速度和里程數成正比。跟傳統(tǒng)的方形孔結構相比，采用非對稱孔結構，即入口孔的體積比出口孔體積大，增加灰分的儲存能力，可以延長DPF的維護里程數。入口為八邊形，出口為四邊形的OS結構DPF，是典型非對稱結構DPF［10］。

根據歐洲市場的數據，一般柴油乘用車小轎車和輕卡每1000km平均產生0.4g灰［11］，其密度范圍為350～450kg／m3。為了滿足主機廠250000km的DPF清灰里程間隔，需要足夠的DPF體積。然而，為了提高DPF的使用燃油經濟性，一般DPF緊靠渦輪安裝，但空間往往會受到限制，通過非對稱孔結構設計以縮短DPF長度將會是一種有效的折中方法。優(yōu)化的OS4結構DPF與傳統(tǒng)200目和300目對稱孔結構DPF的參數見表1。

圖5 不同孔結構DPF在不同碳煙負載情況下的壓差

表1 DPF結構參數

200目的DPF＿C盡管長度最長，但是無論是無灰分還是有150g灰分積累，其壓差都偏高。通過提高目數至300，DPF＿B具有更大的過濾面積，盡管長度縮短了20%，但是其壓差在150g灰分負載的情況下，有輕微的優(yōu)勢。具有OS4孔結構的DPF＿A的目數為300，但是壁厚更薄，與DPF＿C相比，長度縮短了30%，在有無灰分負載的情況下，壓差都偏低 （見圖6）。

圖6 不同尺寸的DPF壓差

3 粘合劑的設計

用于粘合條狀碳化硅載體的粘合劑一般由陶瓷纖維、二氧化硅、碳化硅等主要成分組成。由于粘合劑不斷地受到DPF再生時高溫產生的熱應力沖擊，需要其本身具備很高的機械強度，低的彈性模量，高的熱容量，這樣能有效地吸收來自碳化硅條狀載體里碳煙燃燒時產生的熱應力，避免碳化硅DPF的徑向裂縫發(fā)生，造成DPF過早失效，如碳煙泄漏或機械性的失效。為了保證粘合劑在DPF使用壽命期間能有效地吸收來自于DPF高溫再生時產生的熱應力，粘合劑需要能耐高溫老化。碳化硅DPF再生時最高溫度一般被設計不高于900℃，為了防止涂敷在載體上的催化劑燒結而性能下降，粘合劑的老化試驗在1000℃老化10h，對新鮮與老化樣品的進行XRD分析，粘合劑經過高溫達1000℃老化10h后，并沒有明顯的特征峰出現，結果如圖7所示。說明粘合劑能抗高溫老化。

粘合劑的厚度通常為1mm到3mm，由于粘合劑的使用使得DPF有效過濾體積減少，產生較高的壓差損失［11］。為了考察粘合劑體積對DPF壓差損失的影響，以DPF載體體積為3.3L為例，其目數為300，壁厚為0.25mm。結果如圖8所示。

在沒有碳煙負載時，隨著粘合劑厚度的增加，壓差損失增大的趨勢不明顯，然而，在較高的碳煙負載時，當粘合劑體積占載體體積比 （體積比）增加到20%，壓差損失能增加到60%，甚至更高。粘合劑厚度為1mm相當于其體積比為6.5%，干凈的載體壓差損失增加幾乎可以忽略。當碳煙負載34g，壓差損失僅增加15%。因此可以優(yōu)化粘合劑的厚度為1mm。

圖7 粘合劑老化前后的XRD

圖8 粘合劑體積對DPF壓差的影響

4 結論

1）高純度的碳化硅是生產高品質重結晶碳化硅DPF的前提，由于不純的碳化硅在高溫燒結后，雜質容易形成灰分殘留在碳化硅晶粒的表面和網狀空的中間，影響DPF的使用性能。

2）通過優(yōu)化生產工藝，能有效減少碳化硅原材料在生產過程中的浪費；通過非對稱孔結構設計，即OS結構，能有效縮短DPF長度，進一步減少DPF的使用成本。

3）粘合劑在高溫達1000℃進行老化10h，與新鮮的樣品XRD數據對比，沒有發(fā)現特征峰；隨著粘合劑厚度的增加，DPF的有效過濾體積減少，當DPF沒有碳煙負載時，DPF壓差增加不明顯，當DPF具有高的碳煙負載時，DPF壓差有明顯的增加。

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