黃會(huì)波

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023）

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加，來(lái)源于柴油機(jī)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的細(xì)微顆粒（PM2.5）逐漸成為城市空氣污染的主要來(lái)源。壁流式重結(jié)晶碳化硅過(guò)濾器已經(jīng)被證明是一種有效的控制柴油機(jī)PM 排放的技術(shù)。歐洲自2011年，一半的乘用小轎車(chē)是柴油小轎車(chē)，柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）是其標(biāo)準(zhǔn)配置以滿(mǎn)足歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)[1]；在中國(guó)，隨著柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，DPF將成為主機(jī)廠(chǎng)的首選以滿(mǎn)足國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前應(yīng)用于柴油機(jī)過(guò)濾器的主流材料主要是碳化硅、堇青石、鈦酸鋁[2-3]。相比于其它材料，重結(jié)晶碳化硅柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（Re-SiC DPF）具備高的機(jī)械強(qiáng)度、高溫?zé)岱€(wěn)定性強(qiáng)、被壓低、高的PM過(guò)濾效率[4]。理論上，最理想的DPF 生產(chǎn)材料應(yīng)具備較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)。較高的導(dǎo)熱系數(shù)能使DPF 再生時(shí)溫度分布比較均勻，再生速度比較快，而低熱膨脹系數(shù)能使DPF在再生時(shí)熱應(yīng)力比較小，避免DPF產(chǎn)生裂縫。Re-SiC DPF 盡管具備高的熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)，但是同時(shí)熱膨脹系數(shù)也很高。通過(guò)分割式結(jié)構(gòu)能有效地降低Re-SiC DPF由于高的熱膨脹系數(shù)在高溫再生時(shí)產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力以及拉伸應(yīng)力[5-6]。

中國(guó)是最大的碳化硅原材料生產(chǎn)和出口的國(guó)家，Re-SiC DPF設(shè)計(jì)、生產(chǎn)是集陶瓷技術(shù)、成型技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)于一體，目前國(guó)內(nèi)真正掌握了其核心技術(shù)的企業(yè)并不多，因此，研發(fā)具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Re-SiC DPF技術(shù)和產(chǎn)品具有重要的意義。

1 生產(chǎn)流程

Re-SiC DPF的生產(chǎn)一般包括原材料的混合、混煉、擠壓成型、干燥、堵孔、脫脂、燒結(jié)、組合等工藝。原材料是以特定粒度分布的SiC和一定比例亞微米SiC為主要成分，加入有機(jī)結(jié)合劑和造孔劑，根據(jù)需要加入適量的特種燒結(jié)助劑，在溫度高于2000℃的條件下燒結(jié)，得到SiC 顆粒間互相連接的網(wǎng)狀蜂窩結(jié)構(gòu)，孔隙率和平均孔直徑的大小通過(guò)調(diào)整原材料的百分比和燒結(jié)工藝來(lái)確定。燒結(jié)成型過(guò)程見(jiàn)圖1。

混合和混煉對(duì)陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)非常關(guān)鍵，將影響到產(chǎn)品的最終品質(zhì)。只有均勻一致的混合物或材料才可能以一致的速度進(jìn)行擠壓成型，形成穩(wěn)定的、無(wú)變形、一致性良好的產(chǎn)品。具有雙峰粒徑分布的SiC 顆粒、水和作為粘合劑的有機(jī)物進(jìn)行混合，然后通過(guò)加入分散劑對(duì)原材料混合物進(jìn)行混煉，最后通過(guò)多孔成型模具進(jìn)行擠壓成型。圖2為SiC 連續(xù)、無(wú)變形的擠壓成型過(guò)程。經(jīng)過(guò)擠壓成型的具有方形界面的SiC 胚體，根據(jù)使用長(zhǎng)度進(jìn)行截?cái)啵?jīng)過(guò)干燥、交叉堵孔、脫脂、燒結(jié)后，可以根據(jù)客戶(hù)對(duì)載體直徑的要求，用陶瓷粘合劑對(duì)分割式載體進(jìn)行組合，這種粘合劑具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和低的彈性模量，能有效地吸收DPF 再生時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力；然后對(duì)外圍切割、涂敷到最后產(chǎn)品。以載體直徑為144 mm的載體加工為例，如圖3所示。

圖1 SiC燒結(jié)過(guò)程

圖2 SiC原材料擠壓成型

圖3 SiC DPF 加工組合工程

2 載體的微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)PM的有效過(guò)濾效率取決于載體壁的微觀結(jié)構(gòu)。Re-SiC DPF 具有分布比較均勻的孔結(jié)構(gòu)，以及孔之間的貫穿性比較好。圖4顯示了Re-SiC DPF 壁的微觀結(jié)構(gòu)圖，SiC 微粒相互連接的部位形成了較大的接觸，孔的網(wǎng)絡(luò)狀、貫通性也比較明顯。

圖4 Re-SiC DPF的SEM

由于Re-SiC DPF在燒結(jié)中，收縮率比較小，容易控制孔的分布；而Re-SiC DPF 良好的過(guò)濾性能以及較低的初始被壓完全取決于它的孔分布。孔分布通過(guò)壓汞法進(jìn)行測(cè)試，壓汞儀為Autopore9510（Micromerities,U.S.A）。汞壓入的孔半徑與所受的外力成反比，外壓越大，汞能進(jìn)入的孔半徑越小，測(cè)量不同外壓下進(jìn)入孔中汞的量即可知相應(yīng)孔大小的孔體積。圖5顯示了Re-SiC DPF 壁的孔直徑分布，可以得出，孔直徑比較集中在10 μm附近，也就是孔直徑分布比較窄。

圖5 Re-SiC DPF 孔的直徑分布特性

為了降低DPF的再生溫度，一般DPF 需要涂敷一定的催化劑，催化劑涂敷于SiC的表面，使得孔的有效過(guò)濾空間變小，減少了孔的直徑，勢(shì)必影響到DPF的被壓特性。另外，由于Re-SiC 晶粒表面比較光滑，不容易被催化劑粘牢，在涂敷前往往需要對(duì)Re-SiC DPF 進(jìn)行特殊的熱處理，增加表面的粗糙度，以便催化劑能有效均勻地涂敷在SiC 晶粒的表面（圖6）。

圖6 Re-SiC晶粒的涂敷

3 過(guò)濾效率

對(duì)PM的過(guò)濾效率是Re-SiC DPF的一個(gè)主要性能指標(biāo)。用于評(píng)估Re-SiC DPF 過(guò)濾效率的發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1，而DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

過(guò)濾效率的測(cè)試步驟如下：發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣溫度為500℃的工況點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行1 h，然后進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)50%負(fù)荷（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r·min-1，扭矩為182 N·m），在該工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行5 min，進(jìn)行取樣，持續(xù)時(shí)間為7 min。然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)100%負(fù)荷（扭矩為358.2 N·m），待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5 min后進(jìn)行取樣。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 R-SiC DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)

分別對(duì)新鮮DPF和負(fù)載的DPF 進(jìn)行PM 過(guò)濾效率測(cè)試。新鮮DPF在50%和100%負(fù)荷工況點(diǎn)的過(guò)濾效率分別為94.2%和94.53%，壓差分別為4.32 kPa和4.73 kPa；負(fù)載碳煙量7.8 g·L-1的DPF在50%和100%負(fù)荷工況點(diǎn)的過(guò)濾效率分別為99.11%和98.11%，壓差分別為5.88 kPa和13.16 kPa。對(duì)DPF在不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下前后端的過(guò)濾紙取樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 Re-SiC DPF基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的過(guò)濾效率

在較高的碳煙負(fù)載量下，Re-SiC DPF 過(guò)濾壁面表層形成了一層碳煙過(guò)濾層，對(duì)碳煙具有更高的過(guò)濾效率，然而DPF 入口的有效過(guò)濾體積的減少，增加了壁面的流通阻力，使得被壓較高。

4 結(jié)論

原材料的混合、混煉等工藝是Re-SiC DPF 生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。由于SiC在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，幾乎不收縮，通過(guò)SEM和壓汞儀對(duì)載體過(guò)濾壁微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明Re-SiC DPF 具有孔貫穿性良好、分布比較均勻的特征；對(duì)Re-SiC DPF 進(jìn)行涂敷適應(yīng)性試驗(yàn)，SEM 結(jié)果表明：Wash-coat可以均勻在SiC 晶粒表面上，具有良好的涂敷性能；對(duì)載體進(jìn)行臺(tái)架過(guò)濾試驗(yàn)，結(jié)果表明Re-SiC DPF 具有高達(dá)99%的PM過(guò)濾效率。

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