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基于碳纖維過濾器的柴油微粒非催化后處理試驗驗證

柴油車具有低油耗、高耐用性的特點，并能減少溫室氣體CO2排放。然而，柴油車對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重，其中包括煙塵等在內(nèi)的微粒物質(zhì)（PM）是主要污染物。在2013～2014年，歐6標(biāo)準(zhǔn)對PM的要求從傳統(tǒng)的以質(zhì)量為基礎(chǔ)變?yōu)橐灶w粒數(shù)量為基礎(chǔ)。因此，除了對柴油機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒進(jìn)行改善之外，采用后處理技術(shù)如柴油微粒過濾器（DPF）等也是十分必要的。

目前，市場上商用DPF一般都是陶瓷蜂窩狀過濾器，然而隨著顆粒物的累積，過濾器的背壓變大，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差且過濾效果也變壞。研發(fā)出可再生DPF的再生原理主要分為三類：①基于空氣動力學(xué)再生；②基于催化機(jī)理再生；③基于空氣動力學(xué)原理再生。其中，基于空氣動力學(xué)原理再生的DPF處理效果不好；而基于催化機(jī)理再生的DPF對催化基底材料的耐久性要求十分嚴(yán)格，而基底材料一般為稀有金屬，因此迫切需要一種無催化作用的PM后處理技術(shù)。

主要對碳纖維微粒過濾器進(jìn)行了研究，目前這種過濾器被廣泛應(yīng)用在航天航空工業(yè)，其具有很高的耐熱性。這種過濾器的孔隙率是0.8，而普通的DPF孔隙率在0.4左右，因此碳纖維過濾器的背壓很低。為了防止孔隙阻塞，在過濾器的側(cè)壁中加入熱電偶，并通過引入高壓空氣實現(xiàn)過濾器的再生。將碳纖維過濾器安裝在一輛馬自達(dá)MPV柴油車上，并進(jìn)行了實車試驗。通過激光誘導(dǎo)可見光技術(shù)（LII）測量車輛的煙塵排放，利用X射線電腦掃描技術(shù)對過濾器內(nèi)部情況進(jìn)行觀測，并利用數(shù)學(xué)模型來模擬過濾器的再生原理。

通過對試驗車輛發(fā)動機(jī)的背壓、煙塵濃度以及轉(zhuǎn)速等的監(jiān)測，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，煙塵顆粒體積變大，導(dǎo)致DPF背壓升高。觀察無熱電偶加熱的過濾器表面，發(fā)現(xiàn)附著于碳纖維的煙塵顆粒直徑不斷變大，可到達(dá)其厚度的2倍以上。由于煙灰顆粒的沉積，因此DPF的平均孔隙率從0.8降至0.4。

（2）裝備過濾器會使背壓升高和增加廢氣中的煙塵排放。為了與安裝過濾器的背壓一致，對發(fā)動機(jī)排氣管進(jìn)行填充。當(dāng)過濾器在相同的壓力條件下進(jìn)行測試時，系統(tǒng)的有效性可以得到證實。

（3）煙塵顆粒的尺寸減小，數(shù)量濃度大大降低，大多數(shù)煙塵顆粒被截留并在過濾器內(nèi)燃燒，處理過后重新形成小于30μm的更小顆粒，這是因為在燃燒過程中更小的納米顆粒聚集折疊形成的。

（4）在過濾器內(nèi)部，廢氣中煙灰首先被沉積，然后再被氧化。隨著過濾器壁溫度升高，煙灰的氧化程度也大幅上升。因此，過濾器壁溫度是促進(jìn)煙灰氧化、減少更小顆粒的關(guān)鍵因素。

刊名：Tribology International（英）

刊期：2014年第72期

作者：Kazuhiro Yamamoto et al

編譯：郭明超