孫浩銘　邱華榮　成龍偉　曹宇　張正軍　胡鵬

摘 要：基于節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的理念，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)被發(fā)布出來(lái)。DPF技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)顆粒排放物的有效凈化，而低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用在DPF上效果更佳。DPF的再生方式可以分為兩大類，分別是主動(dòng)再生與被動(dòng)再生。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 顆粒捕集器 節(jié)能減排 空氣污染 低溫等離子體 再生

DPF Working Principle and Regeneration Method

Sun Haoming Qiu Huarong Cheng Longwei Cao Yu Zhang Zhengjun Hu Peng

Abstract：Based on the concept of energy saving， emission reduction and environmental protection， increasingly strict emission regulations have been issued. DPF technology can achieve effective purification of diesel particulate emissions， while low-temperature plasma technology is more effective when applied to DPF. DPF regeneration methods can be divided into two categories， namely active regeneration and passive regeneration.

Key words：diesel engine， particle trap， energy saving and emission reduction， air pollution， low temperature plasma， regeneration

1 引言

隨著汽車生產(chǎn)率和資源保有率的迅速提高，車用柴油機(jī)所排放的廢物對(duì)環(huán)境及人體造成的危害也逐漸被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。目前，由美國(guó)、日本和歐洲的污染物排放法規(guī)構(gòu)成了全球三大污染物排放法規(guī)體系，對(duì)各大車企減排技術(shù)路線有著重要的影響。中國(guó)的排放法規(guī)在各發(fā)展階段都是參照歐洲排放法規(guī)制定，于2000年在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)車用柴油機(jī)實(shí)施國(guó)I排放法規(guī)，并每隔3～5年就會(huì)對(duì)污染物管理方案和法規(guī)的內(nèi)容進(jìn)行一次更新。于2018年1月1日全面實(shí)施的國(guó)V排放法規(guī)，對(duì)車用柴油機(jī)顆粒物（Paticulate Matter，PM）排放限值已由國(guó)IV的0.025g/km降至0.0045 g/km^[1-2]。而自2021年7月1日起，將對(duì)車用柴油機(jī)實(shí)施更加嚴(yán)格的國(guó)VI排放法規(guī)。

排放法規(guī)日益嚴(yán)格，促使柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)迅速發(fā)展。其中的柴油機(jī)顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）技術(shù)對(duì)PM的捕集效率高達(dá)90%以上。

2 PM的危害

PM是指大氣中的固體或液體顆粒狀物質(zhì)。而車用柴油機(jī)的排氣PM是指發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)凈化的空氣稀釋后，在溫度低于53℃時(shí)，從國(guó)家規(guī)定的過(guò)濾介質(zhì)上采集的全部物質(zhì)。柴油車排放的PM中由多種不同粒徑的顆粒物組成，其粒徑范圍可達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)或更高。了解不同粒徑PM之間的差異極其重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)到達(dá)人體不同的組織位置，對(duì)人體的健康會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。粒徑≥7μm的PM僅能進(jìn)入人體的鼻咽，不會(huì)對(duì)人體造成影響，粒徑在4.7～7.7μm的PM能進(jìn)入人體的氣管，3.3～4.7μm的PM能進(jìn)入人體氣管的深處，2.1～3.3μm的PM能進(jìn)入人體支氣管樹(shù)的樹(shù)枝，而1.1～2.1μm的PM已能進(jìn)入人體支氣管樹(shù)的樹(shù)枝頂部，0.65～1.1μm的PM甚至能直接進(jìn)入人體的肺部組織。由此可見(jiàn)，幾乎所有的柴油機(jī)排放PM都能進(jìn)入人體，對(duì)人體的健康造成不良影響。

PM與各種肺部疾病和心臟病的發(fā)作有關(guān)，每年造成700萬(wàn)人死亡，以致被稱為人類健康面臨的最大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，并列為1類致癌物。而DPF技術(shù)可以有效處理柴油機(jī)排放PM，所以發(fā)展DPF技術(shù)不僅對(duì)環(huán)境有好處，對(duì)人體的身體健康也將帶來(lái)益處。

3 DPF工作原理

DPF凈化排氣中PM的基本過(guò)程是利用過(guò)濾介質(zhì)把排氣中PM分離出來(lái)并沉積下來(lái)的過(guò)程。根據(jù)過(guò)濾介質(zhì)孔隙大小的差別，氣固分離的機(jī)理可分為表面過(guò)濾和深床過(guò)濾。表面過(guò)濾的特點(diǎn)是采用微孔粒徑小于排氣中PM粒徑的過(guò)濾介質(zhì)，使排氣中的PM分離;當(dāng)排氣通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，排氣中的PM被截留在過(guò)濾介質(zhì)的一側(cè)。過(guò)濾介質(zhì)的微孔粒徑大于排氣中PM的粒徑，排氣通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，排氣中的PM不易被過(guò)濾介質(zhì)截留，但伴隨過(guò)濾介質(zhì)的厚度增加，排氣中PM被截留在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部微孔中的數(shù)量同時(shí)增加，對(duì)PM同樣有過(guò)濾的功能。通常規(guī)定把采用一定厚度過(guò)濾介質(zhì)的分離方式叫做深床過(guò)濾。深床過(guò)濾方式中PM被捕集的機(jī)理有過(guò)濾介質(zhì)對(duì)PM的攔截、PM的慣性沖擊、布朗運(yùn)動(dòng)、PM與過(guò)濾介質(zhì)之間靜電的吸引力等。通常情況下，攔截、慣性和擴(kuò)散的捕集率較高，靜電吸引力的捕集率較低，可以忽略。由于多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式和壁面微孔平均粒徑大小不同，內(nèi)燃機(jī)排氣PM粒徑分布范圍極廣，所以DPF對(duì)PM的過(guò)濾方式一般不能采用單一的方式。

目前，市場(chǎng)上流通的DPF主要是壁流式DPF，類似于網(wǎng)袋結(jié)構(gòu)如圖1，其實(shí)際過(guò)濾方式既有表面過(guò)濾，也有深床過(guò)濾，其捕集效率可達(dá)90%以上。

隨著PM的不斷累積，DPF兩側(cè)的縱向排氣壓差將會(huì)逐漸增大，從而導(dǎo)致柴油機(jī)的排氣背壓增加，影響柴油機(jī)正常工作性能并造成安全隱患[3]。因此，DPF在設(shè)計(jì)上必須考慮過(guò)濾效率、壓差損失、耐高溫、抗灰分腐蝕、清灰里程等^[4-5]。對(duì)累積的PM進(jìn)行去除的這一過(guò)程被稱為DPF的再生^[6]。DPF的再生方式可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生。

4 再生方式

4.1 主動(dòng)再生

主動(dòng)再生是指利用外加能量提高DPF過(guò)濾體溫度，燃燒去除PM，如圖2所示。當(dāng)DPF中的溫度達(dá)到550℃時(shí)，沉積的PM就會(huì)發(fā)生氧化燃燒。如果溫度達(dá)不到550℃，沉積的PM就會(huì)堵塞DPF，降低DPF捕集效率。因此，需要依靠添加電加熱器或燃料噴射等熱管理措施，提高系統(tǒng)溫度，使PM得以繼續(xù)發(fā)生氧化燃燒。

4.2 被動(dòng)再生

被動(dòng)再生是利用燃油添加劑或者催化劑等措施來(lái)降低PM氧化所需的活化能，使PM能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒，以達(dá)到去除PM的目的，如圖3所示。添加劑的用量對(duì)排氣系統(tǒng)具有一定程度的影響，若添加劑過(guò)多會(huì)影響DOC的使用壽命，但是如果過(guò)少，就會(huì)引發(fā)再生延遲及再生溫度升高。與主動(dòng)再生相比，被動(dòng)再生對(duì)溫度的要求不高，可以減少能耗，以便實(shí)現(xiàn)DPF的連續(xù)再生。但僅靠被動(dòng)再生無(wú)法滿足柴油機(jī)全部工況范圍內(nèi)的正常運(yùn)作，大量實(shí)踐證明，被動(dòng)再生應(yīng)與主動(dòng)再生結(jié)合使用。

4.3 低溫等離子體技術(shù)再生

雖然DPF的主動(dòng)再生和被動(dòng)再生都可以實(shí)現(xiàn)DPF的再生，但是都存在著一定的問(wèn)題。主動(dòng)再生技術(shù)存在加熱不均勻，熱腐蝕等問(wèn)題。被動(dòng)再生技術(shù)存在著添加劑老化、硫中毒和二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋找一種避免上述問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)的新式DPF再生技術(shù)十分必要。低溫等離子體（Non-thermal Plasma，NTP）技術(shù)是一種處理有害污染物的新型控制處理技術(shù)。不同于傳統(tǒng)再生技術(shù)，NTP再生DPF具有無(wú)需添加劑、降低能耗和再生溫度低的優(yōu)點(diǎn)，擁有一定的發(fā)展前景。其工作機(jī)理在于利用活性物質(zhì)與PM發(fā)生反應(yīng)，氧化去除PM實(shí)現(xiàn)DPF再生。

Okubo等[7]將NTP廢氣發(fā)生器的控制制動(dòng)裝置中所控制產(chǎn)生的活性物質(zhì)直接通入柴油機(jī)排氣管中的DPF上游，發(fā)現(xiàn)DPF可在低于300℃的情況下實(shí)現(xiàn)再生。Babaie等[8]已經(jīng)充分確認(rèn)O3是NTP用于間接消除柴油機(jī)排氣中PM的重要成分。Shi Yunxi等進(jìn)行了NTP離線再生DPF的試驗(yàn)研究，該所在實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)工作溫度達(dá)到80℃時(shí)，DPF再生效果是最佳的。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，車用柴油機(jī)PM排放是中國(guó)城市大氣污染的主要來(lái)源之一，對(duì)人體和環(huán)境都有一定程度的傷害。目前，中國(guó)正在進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于大氣污染的治理，越來(lái)越嚴(yán)苛的污染物排放管理法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)正在出臺(tái)，而DPF能有效降低柴油機(jī)PM排放，DPF將展現(xiàn)它的用武之地。但DPF的再生技術(shù)尚不完善，還應(yīng)繼續(xù)發(fā)展進(jìn)步。

基金項(xiàng)目：江蘇大學(xué)2020年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202010299613X。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段）： GB18352.3-2005[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）：GB18352.5-2013[S]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2013.

[3]董紅義，帥石金，李儒龍，等.柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（3）：87-92.

[4]Johnson T. Vehicular Emissions in Review，SAEInt.J.Engines，2014，7（3）：1207-1227.

[5]Johnson T. Vehicular Emissions in Review，SAEInt.J.Engines，2013，6（2）：699-715.

[6]Li J， Mital R. Effect of DPF design parameters on fuel economy and thermal durability[R].SAE Technical Paper， 2012.

[7]Okubo M， Arita N， Kuroki T， et al. Carbon particulate matter incineration in diesel engine emissions using indirect nonthermal plasma processing[J]. Thin Solid Films，2007，515（9）：4289-4295.

[8]Babaie M，Davari P，Talebizadeh P，et al. Performance evaluation of non-thermal plasma on particulate matter， ozone and CO2 correlation for diesel exhaust emission reduction[J]. Chemical Engineering Journal， 2015， 276（2）：240-248.