宋廣舒 劉世通 蘇東超 李旭

摘要：隨著全球內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷提升，柴油機(jī)的排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，而柴油機(jī)顆粒物捕集器（DPF）可以減少排氣中85-95%的顆粒物排放，成為了汽車(chē)達(dá)到國(guó)六法規(guī)要求必備的一個(gè)關(guān)鍵部件。本文主要介紹了柴油機(jī)DPF系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)近年來(lái)DPF關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)，展望了DPF的發(fā)展趨勢(shì)，為其后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，以期促進(jìn)今后該技術(shù)的發(fā)展。

Abstract： With the continuous improvement of global internal combustion engine technology， diesel engine emission regulations are becoming increasingly strict， and diesel particulate catcher （DPF） can reduce the emission of 85-95% particulate matter in the exhaust， becoming a key component required by the sixth national regulations.This paper mainly introduces the research status of diesel engine DPF system at home and abroad， summarizes the key technologies of DPF in recent years， forecasts the development trend of DPF， provides reference for its subsequent optimization design， and hopes to promote the development of this technology in the future.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);顆粒捕集器;關(guān)鍵技術(shù)

Key words： diesel engine;particle filter;key technology

0 ?引言

目前，汽車(chē)排放是大氣環(huán)境中顆粒物污染及霧霾形成的一個(gè)主要原因，而這些顆粒物特別是細(xì)微顆粒物的主要來(lái)源便是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。研究表明，DPF是當(dāng)前應(yīng)對(duì)柴油機(jī)尾氣中顆粒物排放最為有效的后處理技術(shù)。DPF安裝在柴油車(chē)排氣系統(tǒng)中，依靠交替封堵載體孔進(jìn)出口強(qiáng)迫氣流通過(guò)多孔壁面實(shí)現(xiàn)排氣中顆粒物的捕集，對(duì)PM（細(xì)顆粒物重量）的過(guò)濾效率可達(dá)95%，對(duì)PN（細(xì)顆粒物數(shù)量）的過(guò)濾效率可達(dá)99%，從而滿足國(guó)六法規(guī)對(duì)柴油機(jī)廢氣中顆粒物的限值要求。本文對(duì)DPF關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了整理，對(duì)指導(dǎo)今后顆粒捕集器的研發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?DPF捕集機(jī)理的研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)DPF捕集過(guò)程中的各種問(wèn)題，通過(guò)軟件模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)DPF的捕集機(jī)理展開(kāi)了研究，對(duì)降低DPF的壓降，提高其捕集效率有重要作用，為DPF的設(shè)計(jì)提供理論支持。

Alfredo Soldati[1]建立了DPF孔道的一維模型，預(yù)測(cè)了DPF通道上納米級(jí)顆粒物的沉積，結(jié)果表明DPF中顆粒物沿通道的沉積取決于捕集器的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)優(yōu)化選擇可以最小化顆粒物的不均勻分布。Sanui R和 Hanamura K[2]利用掃描電子顯微鏡對(duì)DPF壁面上的顆粒物捕集過(guò)程進(jìn)行了微觀上的動(dòng)態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)表面孔隙中捕集的顆粒物主要取決于通道內(nèi)捕集的顆粒物。

Mokhri[3]通過(guò)分析廢氣的流型和流速，研究了DPF捕集過(guò)程中顆粒物的流速、顆粒物大小及壓降，結(jié)果表明碳煙濾餅的存在可以提高DPF過(guò)濾效率，但會(huì)增大壓降。樓狄明[4]通過(guò)GT-Power軟件建立了DPF的仿真模型，并利用該模型對(duì)DPF進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其捕集效率與壓降的影響，結(jié)果表明通道密度、孔隙率、微孔直徑和壁厚是影響DPF捕集效率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，壁面滲透率、通道密度、孔隙率和壁厚是影響DPF壓降的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。 李志軍[5]通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)稱(chēng)孔道和非對(duì)稱(chēng)孔道DPF的壓降，來(lái)降低排氣背壓對(duì)柴油機(jī)性能的影響，進(jìn)而降低DPF載體的壓降，研究了DPF中碳煙和灰分的不均勻分布對(duì)其壓降產(chǎn)生的影響。

Ramskilla[6]利用磁共振速度成像技術(shù)研究了DPF內(nèi)的氣體流動(dòng)狀況，結(jié)果表明氣體平均速度沿捕集器長(zhǎng)度的變化是氣體流量和捕集器基片結(jié)構(gòu)特性相互作用的結(jié)果，沿DPF孔道的軸向，不同位置的速度圖像如圖1中所示。

2 ?DPF再生技術(shù)的研究

根據(jù)再生系統(tǒng)的原理，DPF再生技術(shù)分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類(lèi)。主動(dòng)再生指對(duì)微粒直接加熱燃燒，被動(dòng)再生指利用催化劑減小顆粒物的活化能，通過(guò)柴油機(jī)的排氣溫度來(lái)燃燒顆粒物。DPF的再生技術(shù)決定了DPF能否在柴油機(jī)上正常使用，所以對(duì)它的深入研究是必不可少的。

劉宏威[7]對(duì)缸內(nèi)后噴與排氣管?chē)娪拖嘟Y(jié)合的DPF再生系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，研究了缸內(nèi)后噴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明在發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工況下，缸內(nèi)后噴與排氣管?chē)娪拖嘟Y(jié)合的DPF再生系統(tǒng)可以達(dá)到再生條件。Hyunjun Lee[8]研究出使用氣缸壓力的多次噴射控制方法可以促進(jìn)DPF的再生，它是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力、過(guò)量空氣系數(shù)以及DPF上游溫度的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴油。

臧志成[9]研究了不同工況下柴油機(jī)的DPF再生控制策略，并進(jìn)行標(biāo)定匹配試驗(yàn)，結(jié)果表明DPF系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)顆粒捕集算法、顆粒再生控制、再生溫度管理、DPF系統(tǒng)故障診斷等的正常進(jìn)行。孟忠偉[10]利用GT-Power軟件對(duì)DPF的再生性能進(jìn)行模擬，研究了在流量、碳載量改變時(shí)DPF的再生性能，特別是它的過(guò)濾壓降、載體溫度、溫度梯度和再生效率的變化情況，結(jié)果表明DPF再生時(shí)的最高溫度和最大溫度梯度出現(xiàn)在DPF的后端;當(dāng)流量增加時(shí)，最高溫度、最大溫度梯度和再生效率先增后減;當(dāng)碳載量增加時(shí)，最高溫度和最大溫度梯度也會(huì)提高，但再生效率先增后減。NGK公司的研究人員[11]通過(guò)建立DPF模型，分析了其主動(dòng)再生過(guò)程中的溫度分布（圖2），優(yōu)化了DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

Chen[12]建立了積灰層熱再生模型，研究了再生過(guò)程中積灰層對(duì)排氣流量和對(duì)流換熱的影響，結(jié)果表明在DPF再生過(guò)程中，沉積的灰層會(huì)降低排氣流速，增加熱傳導(dǎo)阻力。Magín Lapuerta[13]通過(guò)Fluent軟件建立了DPF捕集再生模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了DPF中碳煙的分布狀況和碳煙的氧化反應(yīng)情況，以及二者對(duì)DPF中碳煙沉積過(guò)程的影響。Yamamoto[14]利用格子玻爾茲曼方法模擬了CDPF（催化型柴油機(jī)顆粒物捕集器）連續(xù)再生系統(tǒng)，以期來(lái)減少柴油機(jī)廢氣中的顆粒物，結(jié)果表明在CDPF連續(xù)再生系統(tǒng)中，顆粒物的氧化率大大提高，沉積在DPF內(nèi)的顆粒物在催化劑的作用下會(huì)立即被氧化，濾層反壓的增加得到了及時(shí)阻止。姜大海[15]研究了機(jī)動(dòng)車(chē)柴油機(jī)DPF噴油助燃復(fù)合再生技術(shù)，通過(guò)分析各種噴油助燃再生技術(shù)的特點(diǎn)和典型柴油機(jī)的排氣特性，提出了噴油助燃主動(dòng)再生和FBC（燃油催化再生添加劑）被動(dòng)再生的復(fù)合再生方法;通過(guò)研究顆粒物的沉積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和捕集器再生性能的影響，提出了以捕集器中顆粒物沉積量為再生時(shí)機(jī)的判斷方法。

3 ?DPF碳載量估算的研究

精確估算DPF碳載量對(duì)DPF的再生是十分關(guān)鍵的，它有助于DPF掌握最佳再生時(shí)刻，保證DPF的安全可靠工作。如果碳載量的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差別過(guò)大，DPF載體會(huì)有燒毀、燒裂的風(fēng)險(xiǎn)，縮短DPF的壽命。因此，精確判斷DPF中的碳載量具有重要意義。

Naohisa Ohyama[16]為了更好地利用DPF的壓降來(lái)估算碳載量，提出了一種堇青石基顆粒物過(guò)濾器的新概念。經(jīng)過(guò)對(duì)常規(guī)CDPF的分析，得出DPF碳載量與壓降之間存在非線性關(guān)系。為了使堇青石基質(zhì)具有催化功能，對(duì)原來(lái)的堇青石基質(zhì)成分進(jìn)行了修改，使其具有足夠的熱耐久性。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的測(cè)試，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)的線性性能。Takashi Yamakawa[17]結(jié)合過(guò)濾層（FLs）技術(shù)和快速傅里葉變換技術(shù)（FFT）的新算法，提出了DPF碳載量的精確估算方法。新算法通過(guò)消除廢氣溫度和流量的波動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)，提高了所測(cè)壓降的精確度。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了這些技術(shù)，結(jié)果表明DPF碳載量估算的離散度得到了很大的改善。

閆明星[18]建立了適合電腦實(shí)時(shí)計(jì)算的DPF碳煙加載模型，對(duì)該模型進(jìn)行了碳煙加載量的估算研究，結(jié)果表明該模型提高了碳煙加載量的估計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)了碳煙加載量和壓降特性的實(shí)時(shí)跟蹤，該模型的建立，有助于下一步對(duì)DPF再生控制策略的研究。王丹[19]為了準(zhǔn)確判斷DPF的再生時(shí)機(jī)，進(jìn)行了DPF加載試驗(yàn)與壓降特性試驗(yàn)，研究了DPF的加載過(guò)程和不同碳載量下的壓降特性，通過(guò)壓降和碳載量的線性關(guān)系，得到了一種利用壓降數(shù)據(jù)來(lái)估算DPF碳載量的方法，并對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

4 ?DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)DPF結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)方面的研究也頗為豐富，重點(diǎn)圍繞對(duì)非對(duì)稱(chēng)孔道邊長(zhǎng)比、孔密度和過(guò)濾壁厚等設(shè)計(jì)參數(shù)的研究。研究表明，優(yōu)化DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以在保證捕集效率的前提下降低其壓降，有利于DPF性能的發(fā)揮。

Basu[20]建立了一個(gè)具有對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)孔道的一維顆粒物捕集器模型，分析了孔密度、孔道不對(duì)稱(chēng)和壁面滲透率對(duì)DPF壓降和過(guò)濾性能的影響，結(jié)果表明加大孔密度、提升壁面滲透率、使用非對(duì)稱(chēng)孔道都可以提高DPF的過(guò)濾性能，減小孔道內(nèi)的壓降。Zhang[21]研究了DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)和排氣特性參數(shù)對(duì)其捕集效率的影響，結(jié)果表明增大捕集器體積、孔密度、壁厚和減少尾氣流量都可以提高DPF捕集效率，但當(dāng)顆粒物尺寸超過(guò)一定的臨界值時(shí)，捕集效果會(huì)減弱。

林俊彥[22]通過(guò)對(duì)DPF孔道流場(chǎng)速度與壓降的研究，改善了孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期達(dá)到降低DPF壓降的目的，結(jié)果表明對(duì)DPF非對(duì)稱(chēng)孔道的邊長(zhǎng)比、孔密度和過(guò)濾壁厚的優(yōu)化，可以在保證捕集效率的前提下，減小DPF的壓降。沈穎剛[23]通過(guò)搭建DPF的模型，研究了非對(duì)稱(chēng)孔道結(jié)構(gòu)對(duì)DPF壓降特性及柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)適當(dāng)提高進(jìn)出口孔道比時(shí)，DPF對(duì)碳煙的容納能力提升，進(jìn)而減小DPF的壓降;當(dāng)DPF進(jìn)出口孔道比達(dá)到1.3時(shí)，對(duì)柴油機(jī)綜合性能的發(fā)揮最有利。

5 ?總結(jié)

本文對(duì)近年來(lái)柴油機(jī)顆粒物捕集器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，主要介紹了有關(guān)于DPF捕集機(jī)理、DPF再生技術(shù)、DPF碳載量估算和DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，對(duì)后續(xù)DPF系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義?；谀壳皩W(xué)者們對(duì)DPF系統(tǒng)的研究，可以得出以下幾種DPF的發(fā)展趨勢(shì)：①要進(jìn)一步優(yōu)化DPF碳載量估算模型，從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的多種因素來(lái)考慮其對(duì)碳載量估算的影響，比如燃油品質(zhì)、道路狀況和各種傳感器精度等;②對(duì)柴油機(jī)排氣進(jìn)行熱管理控制可以提高DPF的入口溫度，以達(dá)到DPF再生所需要的溫度，但還需要深入研究DPF再生時(shí)的熱保護(hù)，防止高溫對(duì)DPF的再生性能產(chǎn)生不利影響;③在DPF主動(dòng)再生控制策略方面，柴油的噴霧特性是影響DPF再生性能的關(guān)鍵因素，可以基于排氣管柴油噴霧進(jìn)行變參數(shù)分析。

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