沈穎剛，呂 譽(yù)，彭益源，陳貴升，盧申科，許楊松

（1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明 650501；3.云南菲爾特環(huán)?？萍加邢薰?，昆明 650300）

柴油機(jī)因其良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用，但其較高的污染物排放也嚴(yán)重影響著人們的生活方式和生產(chǎn)活動(dòng)。由生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)（2019）》顯示[1]，2018 年全國(guó)柴油車顆粒物（Particulate Matter，PM）排放量為42.2 萬(wàn)t，氮氧化物（NOx）排放量為371.6 萬(wàn)t，分別占汽車排放總量的99%和71.2%以上。隨著國(guó)六法規(guī)的推出，各項(xiàng)污染物的排放限值被進(jìn)一步降低，僅依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)耦合單一的后處理裝置已經(jīng)無(wú)法滿足國(guó)六排放法規(guī)的要求[2]。因此，DOC+DPF+SCR 的技術(shù)路線已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的國(guó)六柴油機(jī)后處理技術(shù)路線。

由于國(guó)內(nèi)各OEM 在國(guó)五階段主要采用選擇性催化還原系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR）的技術(shù)路線，SCR 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但對(duì)于柴油機(jī)顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)，DPF 的再生時(shí)機(jī)標(biāo)定和再生過(guò)程控制難度等問(wèn)題較難解決，加上OEM 的后處理技術(shù)升級(jí)和國(guó)六公告認(rèn)證均需要大量時(shí)間，因此，原定于2019 年7 月1 日實(shí)施的《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第6 階段）》并未完全強(qiáng)制實(shí)施。

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外DPF 的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用狀態(tài)，對(duì)DPF 關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并為國(guó)六DPF開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)、難點(diǎn)指出方向。

1 柴油機(jī)國(guó)六排放難點(diǎn)

柴油機(jī)國(guó)六排放法規(guī)是國(guó)五排放法規(guī)的延續(xù)，同時(shí)也參照了歐六排放法規(guī)限值，是目前世界上最嚴(yán)格的排放法規(guī)之一[3]。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)排放污染物限值見(jiàn)表1，相比于國(guó)五階段，國(guó)六階段加嚴(yán)了各項(xiàng)污染物排放限值，并新增了粒子數(shù)量（Particle Number，PN）排放限值，將歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（European Steady Cycle，ESC）和歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）分別變更為世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（World Harmonized Steady Cycle，WHSC）和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）[4]，如圖1 所示。與國(guó)五階段的ETC 和ESC 測(cè)試循環(huán)相比，國(guó)六的測(cè)試循環(huán)WHTC 和WHSC 的工況點(diǎn)分布整體向低速工況偏移，排氣溫度大大降低[5-7]，如圖2 所示。國(guó)六測(cè)試循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況更加接近實(shí)際運(yùn)行工況，排氣溫度下降對(duì)DPF 的工作過(guò)程提出了更大的挑戰(zhàn)。

表1 國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)排放污染物限值

圖1 測(cè)試循環(huán)工況分布對(duì)比

圖2 不同測(cè)試循環(huán)排氣溫度比較

國(guó)六階段增加了世界非標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（World Harmonized Not to Exceed，WNTE）排放污染物限值（表2）和車載排放測(cè)試系統(tǒng)（Portable Emissions Measurement System，PEMS）排放污染物限值（表3）。此外，國(guó)六排放法規(guī)還增加了高原環(huán)境下的測(cè)試要求（國(guó)六a 階段海拔不高于1 700 m，b 階段海拔不高于2 400 m），提高了發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的耐久性要求。雖然國(guó)六排放法規(guī)測(cè)試要求的海拔不高于2 400 m，但我國(guó)青藏高原平均海拔在4 000 m 以上，面積為2 572.4×103km2，占我國(guó)總陸地面積的26.8%[8]，且我國(guó)青藏公路海拔變化大（圖3），對(duì)高原環(huán)境下車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

國(guó)六排放法規(guī)對(duì)污染物限值的加嚴(yán)，測(cè)試循環(huán)的變更，以及測(cè)試項(xiàng)目的增加都極大地增加了排放測(cè)試難度，這對(duì)OEM 市場(chǎng)尤其是排放后處理廠家提出了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

表2 WNTE 排放污染物限值 單位：mg/kWh

表3 PEMS 排放污染物限值

圖3 青藏公路海拔高度示意圖

2 柴油機(jī)顆粒物捕集器

壁流式DPF 因其較高的捕集效率已經(jīng)成為排放PM 的主流凈化裝置。DPF 由一系列交替堵塞的進(jìn)、排氣通道組成，排氣流經(jīng)進(jìn)氣通道進(jìn)入過(guò)濾體后，由于進(jìn)氣通道末端被堵塞，氣流通過(guò)開(kāi)孔過(guò)濾壁面從相鄰的排氣通道流出[9]。過(guò)濾壁面實(shí)際為一層多孔介質(zhì)，碳煙顆粒以慣性碰撞，重力沉積，流動(dòng)攔截機(jī)理等方式被過(guò)濾壁面捕集[10-11]，從而沉積在DPF 內(nèi)部。

DPF 孔道內(nèi)碳煙不斷累積將會(huì)導(dǎo)致排氣背壓過(guò)大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化甚至停機(jī)[12]。因此，在碳煙累積到一定水平后需要通過(guò)主動(dòng)再生的方式對(duì)DPF 內(nèi)部的碳煙進(jìn)行氧化再生。由于機(jī)油添加劑、燃油添加劑、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損及排氣管內(nèi)壁面老化等因素，DPF 會(huì)捕集到一些不可燃的硫化物、磷化物和金屬氧化物成分，如圖4 所示，行業(yè)內(nèi)將這些不可燃成分稱為灰分[13-14]，距離DPF 入口孔道133 mm 處的灰分累積情況如圖5所示，掃描電子顯微鏡下DPF 表面和灰分的微觀結(jié)構(gòu)[15]，如圖6 所示。

圖4 DPF 孔道內(nèi)累積的灰分及其成分分布

圖5 不同灰分加載量下的DPF 孔道

圖6 DPF 表面和灰分的微觀結(jié)構(gòu)

DPF 內(nèi)部灰分的累積會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓過(guò)高，同時(shí)灰分對(duì)DPF 捕集效率和再生過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為了降低灰分對(duì)DPF 性能的影響，研究人員提出了一種通過(guò)改變DPF 進(jìn)出口孔道孔徑比例的方法以增大載體入口孔徑[16-17]，這種非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)的載體可以增加DPF 的容灰量，降低灰分對(duì)載體性能的影響。文獻(xiàn)[18]對(duì)比研究了灰分對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱DPF 壓降特性的影響，發(fā)現(xiàn)同一壓降水平下，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)DPF 可以提升容納灰分的能力，且隨碳煙量的增加，非對(duì)稱DPF的優(yōu)勢(shì)更加顯著（圖7）。

圖7 DPF 壓降隨灰分量的變化

3 國(guó)六DPF 關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 DPF 壓降與捕集效率

DPF 的壓降與捕集效率存在一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，由于國(guó)六排放法規(guī)明確提出了PN 限值（表1）[3]，柴油機(jī)排氣PM 的粒徑分布跨度大，其從10 nm 以下一直到10 μm 左右，且質(zhì)量和數(shù)量濃度存在差異（圖8）[2]，這大大增加了DPF 對(duì)PM 捕集的難度，PN 捕集效率需要超過(guò)99%才能滿足法規(guī)對(duì)PN 的限值要求。同時(shí)，國(guó)六后處理裝置較多且面臨結(jié)構(gòu)封裝問(wèn)題，因此，如何在滿足高捕集效率的同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)背壓成為DPF 首先要解決的技術(shù)問(wèn)題。

圖8 柴油機(jī)排氣PM 不同粒徑的質(zhì)量和數(shù)量分布濃度

影響DPF 壓降和捕集效率的因素主要包括：載體材料、載體孔密度、載體壁厚、載體壁面孔隙率和中值孔徑、載體孔道形狀、載體配比、載體結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)徑比）、發(fā)動(dòng)機(jī)原排顆粒特征等[19-21]。為了滿足DPF 的高捕集效率特性，需要盡可能地增加載體孔密度以增加催化劑涂覆的比表面積；降低壁厚以達(dá)到降背壓的效果，采用非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)增加載體容灰能力；此外，還應(yīng)該選擇合適的配比以兼顧DPF 性能和經(jīng)濟(jì)性[22-23]。載體的孔隙率和中值孔徑需要結(jié)合DPF 壓降和捕集效率綜合考慮，國(guó)六DPF 載體選擇原則見(jiàn)表4。

文獻(xiàn)[24]通過(guò)試驗(yàn)和仿真分析了孔道結(jié)構(gòu)對(duì)DPF 工作特性的影響，結(jié)果表明，對(duì)稱孔道與非對(duì)稱孔道DPF 壓降交點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的碳載量隨著孔密度的增加而增加；隨著壁厚的增加，壓降交點(diǎn)增加明顯，而對(duì)應(yīng)的碳載量也有所增加，但幅度不大；壓降交點(diǎn)和對(duì)應(yīng)碳載量隨著長(zhǎng)徑比的增加而增加；對(duì)稱孔道與非對(duì)稱孔道壓降交點(diǎn)和對(duì)應(yīng)碳載量隨著流量的增加而增加；DPF 前排氣溫度增加，壓降交點(diǎn)增加，而交點(diǎn)對(duì)應(yīng)碳載量則呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，如圖9～11 所示。

表4 國(guó)Ⅵ DPF 載體選擇原則

圖9 壁厚對(duì)壓降的影響

圖10 長(zhǎng)徑比的影響

圖11 排氣流量的影響

文獻(xiàn)[25]分析了載體材料對(duì)DPF壓降的影響，結(jié)果表明：壓降大小與材料孔隙率、孔徑及載體本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)；孔隙率和孔徑過(guò)大會(huì)使深床過(guò)濾周期增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致壓降升高（1#鈦酸鋁載體），碳化硅材料載體的分割設(shè)計(jì)會(huì)降低載體有效流通面積，導(dǎo)致較高的排氣背壓，如圖12 所示。

圖12 載體材料對(duì)DPF 壓降的影響

柴油機(jī)排放PM 是含碳材料和數(shù)百種燃燒產(chǎn)物的復(fù)雜混合物[26-27]，其主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件、燃油成分、潤(rùn)滑油性質(zhì)及后處理技術(shù)，圖13 為采用不同芳烴含量燃油的排放PM 微觀形態(tài)[27]，高芳烴燃油聚合度較差，低芳烴燃油具有較好的聚合度。排放碳煙主要包含元素碳和有機(jī)碳，元素碳在熱解中產(chǎn)生，主要成分為石墨碳；有機(jī)碳源于燃料的不完全燃燒，主要由多環(huán)芳烴組成，柴油機(jī)氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）可有效降低顆粒物中有機(jī)碳的百分?jǐn)?shù)[28-29]。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量和PM 濃度對(duì)DPF 壓降和捕集效率也會(huì)產(chǎn)生影響。

圖13 透射電子顯微鏡下，不同芳香烴含量燃油碳煙微觀結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)排放中含有大量半揮發(fā)性有機(jī)物（Semi-Volatile Organic Compounds，SVOCs），尤其在高原地區(qū)，由于大氣壓力和氧濃度下降，SVOCs 排放會(huì)進(jìn)一步增加，圖14 為不同負(fù)荷下，柴油機(jī)排放中氣相與顆粒固相SVOCs 的質(zhì)量對(duì)比[30]。國(guó)六增加了PN 排放限值，DPF 對(duì)SVOCs 中的氣相成分失效而使排放增加，同時(shí)SVOCs 逃逸出DPF 后，由于溫度降低又容易聚合為固體顆粒，此時(shí)在排放端檢測(cè)到的PN 將會(huì)大大超出排放PN 限值。此外，大量研究表明DPF 對(duì)可溶性有機(jī)物（Soluble Organic Fraction，SOF）的捕集效率遠(yuǎn)低于其他形態(tài)的顆粒[20]，而柴油機(jī)排放顆粒物中SOF 含量可占44.9%[31]，這也會(huì)影響DPF 對(duì)PN 的捕集效率。

圖14 氣相與顆粒固相SVOCs 質(zhì)量對(duì)比

此外，TONDON 等[32]采用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，對(duì)不同粒徑顆粒的捕集效率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粒徑在30～300 nm 的顆粒捕集效率最低，如圖15 所示。HUANG Cheng 等[33]通過(guò)臺(tái)架和整車道路測(cè)試的結(jié)果均表明柴油機(jī)排放顆粒的粒徑呈單峰狀態(tài)分布，峰值在50～100 nm，且中低轉(zhuǎn)速時(shí)顆粒排放濃度更高，如圖16 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、減速和加速工況下，由于缸內(nèi)溫度、空燃比等變化導(dǎo)致顆粒物的粒徑和理化特性發(fā)生巨大的變化，相比于臺(tái)架測(cè)試，真實(shí)道路駕駛循環(huán)工況變化更加復(fù)雜，排放顆粒的特征隨測(cè)試循環(huán)變化也更加多變。SHI Yunxi 等[34]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下顆粒粒徑分布范圍與文獻(xiàn)[33]大致相當(dāng)，如圖17 所示。

圖15 不同碳載量下，DPF 對(duì)不同粒徑顆粒的捕集效率

圖16 不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排放PM 粒徑分布

圖17 不同負(fù)荷下柴油機(jī)排放PM 粒徑分布

國(guó)六測(cè)試循環(huán)工況將整體往低轉(zhuǎn)速偏移，瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)工況更加復(fù)雜多變，其正好與PM 排放粒徑峰值濃度重合，且DPF 對(duì)該粒徑的PM 捕集效率最低，這對(duì)PM 的捕集效率尤其是PN 的捕集效率提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3.2 DPF 主動(dòng)再生過(guò)程

DPF 的再生包括周期性主動(dòng)再生和連續(xù)性被動(dòng)再生兩種方式[2]，對(duì)于國(guó)六DPF 而言，通常需要將兩種再生方式配合使用。兩種再生方式對(duì)碳煙的氧化機(jī)理是不同的，被動(dòng)再生主要通過(guò)NO2氧化碳煙進(jìn)行再生，該再生過(guò)程在300 ℃左右即可完成[35]，但排氣中NO2比例很少，需要前端DOC 盡可能多地將NO 氧化成NO2[36]。由于國(guó)六測(cè)試循環(huán)工況點(diǎn)整體向低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷方向偏移，其對(duì)載體催化劑的低溫活性和催化性能的要求更高。主動(dòng)再生與被動(dòng)再生反應(yīng)機(jī)理區(qū)別于通過(guò)O2與碳煙反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再生，該過(guò)程需要在600 ℃左右的條件下才能完成[35]。通過(guò)加強(qiáng)被動(dòng)再生過(guò)程，輔助主動(dòng)再生方式可確保再生的經(jīng)濟(jì)性和安全性。但觸發(fā)主動(dòng)再生的時(shí)機(jī)是標(biāo)定工作的難點(diǎn)，目前，大多數(shù)研究都通過(guò)壓降判定主動(dòng)再生時(shí)刻[37-40]。ZHANG Jun 等[5,39]考慮了灰分分布，定量評(píng)估了灰分對(duì)壓降的影響，但僅通過(guò)壓降進(jìn)行DPF 主動(dòng)再生時(shí)刻的判定誤差較大，DPF壓降的判斷方法只能作為輔助因素加以考慮。

國(guó)六DPF 再生時(shí)刻控制策略對(duì)碳載量的判斷包括排放模型、被動(dòng)再生模型和灰分累積模型。排放模型為發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放PM 模型；被動(dòng)再生模型需要同時(shí)標(biāo)定NOx氧化模型和O2氧化模型；灰分累積模型用于對(duì)再生效率和碳載量的修正。此外，為了保證DPF 再生的安全性，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間、里程、油耗及DPF 壓降均需要作為再生時(shí)刻判斷的重要因素加以考慮。

DPF 主動(dòng)再生過(guò)程的控制對(duì)DPF 安全性至關(guān)重要，DPF 主動(dòng)再生控制過(guò)程中需要考察的主要因素包括：載體內(nèi)部峰值溫度、最大溫升速率和最大溫度梯度等[41-42]。影響主動(dòng)再生過(guò)程的因素主要包括再生前碳載量，碳煙成分及其分布，灰分量及其分布，載體材料，催化劑，排氣溫度及流量等[25,43-44]。TONG Dehui 等[45]采用熱電偶傳感器測(cè)試并分析了DPF 主動(dòng)再生期間載體內(nèi)部的溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)再生期間載體內(nèi)部峰值溫度和最大溫度梯度隨初始碳載量和進(jìn)氣溫度增加而增加，隨排氣流量增加而降低，如圖18 所示。

圖18 碳載量、進(jìn)氣溫度和空速對(duì)主動(dòng)再生過(guò)程的影響

DPF 主動(dòng)再生關(guān)鍵問(wèn)題如下。

（1）再生安全性。主動(dòng)再生峰值溫度和再生速率的控制，主動(dòng)再生期間峰值溫度過(guò)高，溫升率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致載體所受熱應(yīng)力和熱沖擊變大，從而影響載體可靠性，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致載體開(kāi)裂或燒熔。控制再生峰值溫度和再生速率的方法主要包括：通過(guò)整流的方式使碳煙在DPF 內(nèi)部分布均勻，精確標(biāo)定主動(dòng)再生觸發(fā)時(shí)刻?；曳值亩逊e和催化劑的老化也會(huì)影響再生過(guò)程。此外，不完全再生會(huì)使碳煙堆積更加緊密，不僅影響下一次主動(dòng)再生時(shí)機(jī)的判斷，還會(huì)影響下一次主動(dòng)再生安全性，多次不完全再生后的完全再生容易導(dǎo)致載體燒熔或開(kāi)裂。

為探究DPF 在極端工作條件下的可靠性，在DPF 工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，對(duì)DPF 進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷條件下運(yùn)行，對(duì)DPF 進(jìn)行碳煙累積，且未對(duì)DPF 入口氣流進(jìn)行整流，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行約40 h 后觸發(fā)主動(dòng)再生，發(fā)現(xiàn)DPF出現(xiàn)開(kāi)裂情況，如圖19 所示。通過(guò)對(duì)載體進(jìn)行解剖評(píng)審，認(rèn)為導(dǎo)致載體開(kāi)裂的原因包括：①發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致碳煙積累過(guò)多且較低的排氣溫度難以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)再生。②DPF 入口氣流不均勻?qū)е螺d體局部碳載量遠(yuǎn)超安全再生碳載量。綜合這兩方面原因，觸發(fā)主動(dòng)再生后DPF 局部熱量迅速積累，發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生超高溫升以及超高溫度現(xiàn)象（DPF 爆燃現(xiàn)象）并多次疊加，最終導(dǎo)致載體破裂。

圖19 破裂載體解剖圖

（2）再生經(jīng)濟(jì)性。長(zhǎng)期以來(lái)，與DPF 再生相關(guān)的油耗被研究人員忽視，但是隨著DPF 市場(chǎng)應(yīng)用的推廣，以及對(duì)DPF 再生過(guò)程的研究日漸深入，研究人員越來(lái)越關(guān)注DPF 再生相關(guān)油耗。精確的主動(dòng)再生時(shí)刻標(biāo)定雖然對(duì)于降低單次再生DPF 相關(guān)油耗效果不大，但對(duì)DPF 全生命周期的節(jié)能具有明顯的效果，對(duì)于整個(gè)DPF 應(yīng)用市場(chǎng)更是具有顯著的節(jié)能效果[5]。圖20 為以壓降為觸發(fā)主動(dòng)再生的主要判斷依據(jù)，考慮灰分修正前后，DPF 再生頻率的變化[46]。假設(shè)無(wú)灰分情況下DPF 再生頻率為1，不考慮灰分修正時(shí)，當(dāng)灰分量低于20 g/L 時(shí)，由于灰分的膜層效應(yīng)，導(dǎo)致壓降略低于實(shí)際壓降，未考慮灰分修正時(shí)的再生頻率略有下降；隨著灰分量繼續(xù)增加，灰分引起的壓降作為再生判定壓降的誤差作用增大，造成的再生頻率急劇增加。圖21 為考慮灰分修正前后，不同碳載量下DPF 背壓產(chǎn)生的附加油耗及DPF 再生附加油耗的對(duì)比[5]，由于灰分和碳煙的不斷累積，是否進(jìn)行灰分修正，背壓引起的油耗均增加；但進(jìn)行灰分修正后，由于再生頻率的減少，再生油耗有所下降。

圖20 灰分修正對(duì)再生頻率的影響

圖21 DPF 再生前碳載量對(duì)背壓和再生油耗的影響

（3）灰分和硫?qū)е麓呋瘎┦?wèn)題。產(chǎn)品耐久性一直以來(lái)都是生產(chǎn)廠家和客戶重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)之一，國(guó)六法規(guī)也增加了對(duì)DPF 耐久性的要求。保障DPF 耐久性主要包括兩方面：一方面控制好DPF 再生安全性可以減少載體熱疲勞，防止載體燒結(jié)；另一方面，降低燃油和機(jī)油的含硫量，保持催化劑活性可以提高DPF 耐久性。提高催化劑低溫活性和抗硫特性也是提高DPF 可靠性的重點(diǎn)突破方向。

國(guó)六排放法規(guī)不僅關(guān)注排放污染物，還對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)碳排放提出了一定的要求[47-48]。新一代柴油機(jī)的熱效率問(wèn)題將不僅限于柴油機(jī)機(jī)內(nèi)熱效率，柴油機(jī)熱效率將是綜合考慮機(jī)內(nèi)熱效率以及后處理系統(tǒng)碳排放的系統(tǒng)熱效率。高效柴油機(jī)對(duì)DPF 背壓更加敏感，同時(shí)，熱效率也會(huì)影響排放PM 的理化特性以及PN，從而影響DPF的工作特性。DPF作為流-固-熱耦合裝置，需要協(xié)同控制策略的優(yōu)化才能保障其高效工作的同時(shí)滿足可靠性和耐久性。同時(shí)，精確、高效、柔和的DPF 主動(dòng)再生控制策略也可以極大地提升柴油機(jī)系統(tǒng)的熱效率，這是國(guó)六DPF 開(kāi)發(fā)技術(shù)的難點(diǎn)，也是未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究的熱點(diǎn)。

3.3 DPF 高原適應(yīng)性

中國(guó)國(guó)土面積遼闊，緯度和海拔跨度大，迄今為止，我國(guó)2 000 m 以上海拔地區(qū)的注冊(cè)車輛已超過(guò)1 500 萬(wàn)輛，云南、青海、西藏等一些高海拔省份的汽車注冊(cè)數(shù)量占中國(guó)汽車總數(shù)的20%[49]。此外，國(guó)六排放法規(guī)對(duì)高原環(huán)境下的排放也提出了明確的測(cè)試要求，因此，高原環(huán)境下的顆粒排放不容忽視。高原地區(qū)大氣壓力、溫度、氧濃度等均較平原地區(qū)有較大下降，排放顆粒較平原地區(qū)也有較大差異。WANG Haohao 等[49]在高原城市進(jìn)行了RDE 測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海拔2 990 m 的PN 排放是海拔30 m 的3 倍（圖22），且DPF 效率隨碳煙沉積而降低。

圖22 不同海拔下PN 排放差異

高原地區(qū)由于大氣壓力和氧濃度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)原排碳煙顆粒理化特性與平原差異較大，排氣顆粒組分也存在差異。柴油機(jī)在高原環(huán)境下由于進(jìn)氣效率較低，導(dǎo)致排氣氧濃度也偏低，較低的排氣氧濃度將會(huì)大大降低DPF 再生效率[50]，如圖23 所示。

圖23 排氣氧濃度對(duì)碳煙氧化的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)排放中存在水蒸氣，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行后，高寒地區(qū)由于環(huán)境溫度較低，水蒸氣容易在DPF 中凝結(jié)，不僅會(huì)對(duì)載體結(jié)構(gòu)造成熱沖擊，影響其可靠性和耐久性，水蒸氣結(jié)冰還易使DPF 發(fā)生堵塞（即發(fā)生冰堵），導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

3.4 其他關(guān)鍵性問(wèn)題

國(guó)六關(guān)鍵技術(shù)除以上關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)外，還存在以下不可忽視的相關(guān)問(wèn)題。

（1）DPF 生產(chǎn)一致性問(wèn)題。由于國(guó)四、國(guó)五階段國(guó)內(nèi)各OEM 主要采用高壓共軌+SCR 的技術(shù)路線，對(duì)于DPF 的應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)DPF 的生產(chǎn)工藝相對(duì)滯后，如何保證載體可靠性及生產(chǎn)一致性也是國(guó)六DPF 需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

（2）在用車改造問(wèn)題。未滿足國(guó)六要求的在用車改造也是值得關(guān)注的，由于在用車在生產(chǎn)過(guò)程中未考慮復(fù)雜的后處理系統(tǒng)，因此，其可提供給后處理系統(tǒng)的空間有限，導(dǎo)致加裝后處理系統(tǒng)的難度增大。此外，由于不同類型在用車的用途不一，運(yùn)行時(shí)間與性能的差異，以及運(yùn)行地點(diǎn)和所使用油品的不同，且在用車通常在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況下運(yùn)行，排氣氧濃度偏低，PM 排放量高，在用車的這些特點(diǎn)都極大地增加了DPF 對(duì)PM 的過(guò)濾和再生難度。

（3）國(guó)六燃油品質(zhì)及一致性的提升。國(guó)六排放的關(guān)鍵性問(wèn)題不僅需要OEM 和OEM 市場(chǎng)的努力，還依賴燃油品質(zhì)的提升。國(guó)六后處理系統(tǒng)對(duì)催化劑的要求更加嚴(yán)格且依賴度更高，燃油中的硫、磷等成分含量超標(biāo)將會(huì)直接影響后處理系統(tǒng)的效率。此外，我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，各省市的燃油品質(zhì)參差不齊對(duì)國(guó)六后處理系統(tǒng)的高效運(yùn)行也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

綜合國(guó)六排放法規(guī)、DPF 工作特點(diǎn)以及工程應(yīng)用技術(shù)目標(biāo)三個(gè)方面，新一代國(guó)六DPF 主要面臨以下技術(shù)難題：（1）DPF 壓降與捕集效率的折衷關(guān)系。（2）DPF 主動(dòng)再生時(shí)機(jī)的判斷（即DPF 碳煙模型和灰分模型的標(biāo)定）和主動(dòng)再生過(guò)程的安全性控制。（3）高原高寒地區(qū)DPF 捕集再生難度。（4）DPF 載體可靠性及國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)一致性問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）國(guó)六排放法規(guī)不僅加嚴(yán)了污染物排放限值，增加了粒子數(shù)量排放限值，變更了污染物排放測(cè)試循環(huán)，同時(shí)還增加了WNTE 排放污染物限值和PEMS 要求和限值。此外，國(guó)六排放法規(guī)還增加了高原環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)（國(guó)六a 階段海拔不高于1 700 m，國(guó)六b 階段海拔不高于2 400 m），提高了發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的耐久性要求。從排放顆粒物凈化效率、實(shí)際道路測(cè)試、載體高原適應(yīng)性和耐久性等多個(gè)維度對(duì)DPF 提出了更高要求。

（2）在以往排放法規(guī)限值相對(duì)寬松的條件下，不需要考慮柴油機(jī)排放顆粒物的粒徑及理化特性對(duì)DPF 的捕集和再生的影響也能滿足法規(guī)要求。隨著國(guó)六排放法規(guī)的頒布，柴油機(jī)原排顆粒的物化特性對(duì)DPF 捕集和再生的影響已經(jīng)不容忽視，尤其是在高原高寒地區(qū)，由于大氣壓力、環(huán)境溫度及氧濃度的變化導(dǎo)致柴油機(jī)原始排放顆粒特征變化較大，其對(duì)DPF 捕集再生的影響是國(guó)六DPF 亟需面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。面對(duì)未來(lái)零排放的目標(biāo)，混合動(dòng)力或增程式電動(dòng)汽車通過(guò)簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，減小排放PM 理化特性的復(fù)雜性，將是實(shí)現(xiàn)PM 和PN 零排放的重要發(fā)展方向。

（3）高目數(shù)、薄壁、非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)度特性可以滿足國(guó)六DPF 低背壓、高捕集效率和安全再生的技術(shù)要求，是新型DPF 的主要發(fā)展方向。

（4）DPF 作為流-固-熱耦合裝置，需要協(xié)同控制策略的優(yōu)化，才能避免DPF 爆燃現(xiàn)象的發(fā)生，提高載體可靠性和耐久性，碳煙和灰分預(yù)測(cè)模型是控制策略的核心和難點(diǎn)。

（5）DPF 生產(chǎn)一致性直接關(guān)系到載體的可靠性，是OEM 載體市場(chǎng)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。此外，滿足國(guó)六排放要求還需要各地區(qū)保障國(guó)六燃油品質(zhì)的一致性。