蒲云飛 孟忠偉

（1-成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 四川 成都 610100 2-西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

柴油機(jī)由于具有較高的熱效率、較好的經(jīng)濟(jì)性以及較低的CO2排放等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)中，但是其顆粒物排放量大，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)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(jī)機(jī)內(nèi)凈化和改善燃油品質(zhì)已難以滿(mǎn)足目前的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。滿(mǎn)足當(dāng)前排放法規(guī)的柴油機(jī)普遍采用后處理技術(shù)，未來(lái)更嚴(yán)格的排放法規(guī)將對(duì)后處理技術(shù)提出更高的要求[4]。

柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是降低柴油機(jī)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(cuò)式結(jié)構(gòu)，具有極高的捕集效率（物理捕集柴油機(jī)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(guò)濾壓降以及最小的再生頻率，而過(guò)濾壓降及再生過(guò)程與顆粒的沉積特性密切相關(guān)。因此，通過(guò)研究DPF內(nèi)顆粒的沉積特性，達(dá)到提高過(guò)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(guò)濾壓降、顆粒堆積密度、顆粒沉積過(guò)程（包括顆粒層的厚度、結(jié)構(gòu)、分布以及顆粒的沉積過(guò)程等）以及灰分沉積的影響等。

1 顆粒沉積特性

1.1 過(guò)濾壓降

DPF過(guò)濾時(shí)，柴油機(jī)顆粒物在DPF內(nèi)部沉積量增加，過(guò)濾壓降逐漸升高，使得排氣阻力增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性受到嚴(yán)重影響。當(dāng)過(guò)濾壓降達(dá)到一定數(shù)值（一般規(guī)定柴油機(jī)的排氣背壓小于16 kPa），DPF就需進(jìn)行再生。只有降低DPF的過(guò)濾壓降，DPF才能進(jìn)行連續(xù)捕集。

DPF的過(guò)濾壓降主要由6部分組成：排氣通過(guò)顆粒層和壁面時(shí)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(kuò)張產(chǎn)生的壓力損失等[9]。

已有文獻(xiàn)對(duì)影響DPF過(guò)濾壓降的眾多因素展開(kāi)了研究。不僅是過(guò)濾材料，過(guò)濾體的長(zhǎng)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(guò)濾壓降[10]。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)如排氣溫度、排氣流量、顆粒加載量等的提高，會(huì)增加DPF的過(guò)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(guò)濾壓降先略有增大，后明顯降低[11]；在深床過(guò)濾階段，過(guò)濾壓降迅速增大。但隨著再生時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾壓降隨之減小[12]。再生后，DPF中會(huì)有灰燼沉積，導(dǎo)致深床過(guò)濾階段的過(guò)濾壓降顯著增加[13]。此外，DPF含水率降低時(shí)，過(guò)濾壓降降低[14]。

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

圖1 過(guò)濾壓降的影響因素

1.2 顆粒堆積密度

DPF進(jìn)行再生可以有效降低過(guò)濾壓降，但其再生時(shí)的燃燒性能會(huì)受到顆粒沉積時(shí)堆積密度的影響。已有文獻(xiàn)表明，柴油機(jī)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(shí)，通常將堆積密度設(shè)定為某一固定值。

在通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得顆粒堆積密度方面，Shende A.S.等人[15]在利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架以及自行建立的一維二層模型研究催化型DPF的過(guò)濾與氧化特性時(shí)，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(shí)，得到顆粒堆積密度為40～135 kg/m3。Koltsakis G.C.等人[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及模型模擬獲得顆粒堆積密度及滲透系數(shù)時(shí)，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(guò)濾壓降以及再生特性時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及模擬計(jì)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(guò)濾壓降以及催化氧化時(shí)，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(cè)得，隨過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得碳黑 SB250、碳黑SB4A、碳黑CBFW200、碳黑Printex-U以及DK4A柴油機(jī)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(guò)模型計(jì)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(guò)濾與再生特性時(shí)，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(shí)，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(fù)載變化、再生與衰老時(shí)，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(dòng)力學(xué)和再生特性時(shí)，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(shí)等人[26]在研究來(lái)流參數(shù)對(duì)DPF熱再生過(guò)程的影響時(shí)，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(jī)顆粒捕集器再生時(shí)機(jī)時(shí)，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(guò)濾與再生時(shí)，選取的顆粒堆積密度為100 kg/m3。Versaevel P.等人[29]在對(duì)比研究DPF實(shí)驗(yàn)與模擬時(shí)，選取的顆粒堆積密度為140 kg/m3。

在上述文獻(xiàn)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(guò)程

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

在研究DPF顆粒沉積過(guò)程的過(guò)濾機(jī)制方面，Masoudi M.等人及Murtagh M.J.等人基于實(shí)驗(yàn)中的過(guò)濾壓降曲線(xiàn)，把過(guò)濾過(guò)程分為3個(gè)階段：深床過(guò)濾階段、過(guò)渡階段和表面過(guò)濾階段[30-31]。

在研究顆粒層的分布方面，Bensaid S.等人通過(guò)模型計(jì)算得到顆粒在通道軸向方向的沉積分布與氣流流場(chǎng)一致[32]；同時(shí)，Bensaid S.等人通過(guò)FESEM觀(guān)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??；此外，根據(jù)氣流在通道入口處的分布發(fā)現(xiàn)，顆粒沉積過(guò)程受通道徑向位置的影響很大[33]。

在研究DPF顆粒的沉積過(guò)程方面，Karin P.等人通過(guò)顯微鏡觀(guān)察DPF橫截面和表面，觀(guān)察到顆粒沉積從深床過(guò)濾過(guò)渡到表面過(guò)濾，并且DPF表面微孔與柴油機(jī)顆粒物的深床過(guò)濾密切相關(guān)。在再生時(shí)，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(guò)程強(qiáng)烈依賴(lài)DPF表面孔隙的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。Daido S.等人及Choi S.等人通過(guò)CCD照相機(jī)和顯微鏡直接觀(guān)察了顆粒的沉積過(guò)程。通過(guò)過(guò)濾壓降曲線(xiàn)，可以確定3個(gè)過(guò)濾階段的時(shí)間，對(duì)應(yīng)的可視圖像被記錄下來(lái)[35-36]。在過(guò)渡階段，眾多的顆粒沉積在DPF微孔周?chē)⑾蛲鈹U(kuò)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(shí)間的變化關(guān)系。基于顆粒沉積厚度，將典型的3個(gè)過(guò)濾階段中的過(guò)渡階段分為長(zhǎng)樹(shù)階段和搭橋階段[37]。同時(shí)，過(guò)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(guò)濾效率方面，Yang J.等人利用實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的顆粒物研究了單通道DPF的過(guò)濾效率。結(jié)果表明，DPF對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與格子玻爾茲曼（LBM）模擬進(jìn)行對(duì)比，顯示出良好的一致性，只是模型預(yù)測(cè)的捕集效率高于實(shí)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(dòng)、沉積過(guò)程，并利用X射線(xiàn)CT圖像研究了顆粒的沉積過(guò)程。結(jié)果表明，過(guò)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(dòng)在很大程度上改變了顆粒物的沉積量[39]。

1.4 灰分沉積對(duì)過(guò)濾壓降的影響

DPF在長(zhǎng)時(shí)間工作后，灰分的積累會(huì)直接影響過(guò)濾壓降，導(dǎo)致DPF工作性能惡化?；曳謥?lái)源于潤(rùn)滑油添加劑、燃油添加劑、發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)滑油添加劑是灰分的主要來(lái)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(xì)分析了柴油機(jī)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(duì)比分析了DPF有無(wú)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(guò)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(guò)濾空間填滿(mǎn)了灰分（在DPF下層部分）[42]。

Sappok A.等人比較了顆粒加載時(shí)有無(wú)灰分的過(guò)濾壓降，以探究灰分對(duì)過(guò)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(guò)濾壓降遠(yuǎn)大于無(wú)灰分沉積[43]。

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

通過(guò)優(yōu)化DPF，可減少灰分在深床過(guò)濾階段的沉積以及達(dá)到類(lèi)似雙層過(guò)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(duì)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(guò)濾壓降、顆粒堆積密度、顆粒沉積過(guò)程以及灰分沉積對(duì)過(guò)濾壓降的影響。研究結(jié)果表明：

1）過(guò)濾壓降受DPF過(guò)濾材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)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(guò)濾壓降，應(yīng)從DPF自身以及工作環(huán)境等2個(gè)方面進(jìn)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(guò)濾速度、顆粒粒徑、SOF含量等因素的影響。

3）通過(guò)模擬或觀(guān)察顆粒的沉積過(guò)程以及顆粒層的厚度、結(jié)構(gòu)、分布等，得到過(guò)濾壓降隨過(guò)濾時(shí)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(lèi)似雙層過(guò)濾壁面技術(shù)的效果，可降低過(guò)濾壓降，但灰分過(guò)量后，過(guò)濾壓降遠(yuǎn)大于無(wú)灰分沉積時(shí)。