柴油机DPF微粒捕集器再生.docx
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柴油机DPF微粒捕集器再生
柴油机微粒捕集器再生技术研究
由于柴油机具有低油耗、高热效率和低排放等特点，又具有良好的经济性、动力性和可靠性，因而被广泛地用作汽车和工程机械的动力。
但其尾气中含有大量的微粒（PM），约为汽油机的30～80倍，成为城市中的一个重要污染源。
柴油机排气微粒由不可溶炭粒（IDF）、未燃液体碳氢化合物（SOF）和硫酸盐组成，微粒粒径小，主要为0.01～2μm，质量轻，能长时间悬浮在大气中，容易被人体吸入并沉积在肺泡中，对人体健康造成极大的危害。
日益严格的汽车排放法规的实施迫使人们寻求解决汽车排气污染的有效途径和技术。
自20世纪70年代以来，人们对柴油机排气微粒后处理技术进行了广泛而深入地研究。
微粒捕集技术是目前公认的最为有效的微粒净化技术，也是目前商用前景最好的技术之一。
微粒捕集器（DPF）安装在柴油机排气管上，过滤技术的机理主要有：
排气通过时微粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。
捕集效率主要受到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素影响。
随着工作时间的增长，过滤体内堆积的微粒增多，发动机的背压将上升，影响柴油机的正常工作，须用燃烧等方法将这些微粒除去，即过滤体的再生。
DPF的关键技术是过滤材料及其再生的选择和研究。
一、过滤材料
过滤材料的结构与性能对整个微粒捕集系统的性能（如压力降、过滤效率、强度、传热和传质特性等）有很大的影响。
DPF对过滤材料的要求是：
高的微粒过滤效率，低的排气阻力，高的机械强度和抗震动性能，并且还须具备抗高温氧化性的耐热冲击性与耐腐蚀性。
其中高的过滤效率与低的排气阻力是相互矛盾的，选择材料时要综合考虑这两方面的性能。
国外在过滤材料上的研究已经取得较大的突破，出现了一些商品化的产品。
目前国内外研究和应用的过滤材料有陶瓷基、金属基和复合基三大类。
（一）陶瓷基过滤材料
目前研究和应用最多的是陶瓷基过滤材料，它们通常由氧化物或碳化物组成，具有多孔结构，在700℃以上能保持热稳定，比表面积大于1m2/g，主要结构包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。
蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，这种材料开发最早，使用最广，有壁流式、泡沫式等多种结构。
目前在DPF过滤体上研究和使用较多的是壁流式蜂窝陶瓷。
它具有多孔结构，相邻两个通道中，一个通道进口被堵住，而另一通道的出口被堵住，为保证其机械强度和耐热强度，孔道密度一般约为16孔/cm2时，孔道截面为2mm×2mm左右，壁厚为0.4mm左右，见图1，这种结构迫使排气由入口敞开的通道进入，穿过多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在通道壁面上，这种DPF对微粒的过滤效率可达90%以上。
可溶性有机成分SOF也能被部分捕集，近年来在制造技术上取得明显的突破，蜂窝陶瓷壁厚减薄，开口横截面积增大，从而降低了背压损失，扩大了使用范围。
目前应用最广的美国Corning公司和日本NGK公司生产的DPF采用的就是壁流式蜂窝陶瓷。
但这种滤芯受温度影响较大，排气温度较低时沉积在壁面的HC成分将在排温升高时重新挥发出来，并排向大气；发动机工作的热循环引起过滤体尺寸的交替振动，会导致过滤材料的持续退化；若采用热再生，导热系数小的堇青石容易受热不均而局部烧融或破裂。
a陶瓷蜂窝载体b陶瓷纤维编织网c金属纤维编织网
图1微粒捕集器过滤村料
泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚氨酯泡沫塑料半成品经过高温锻烧，塑料气化逸出得到的陶瓷骨架。
与蜂窝陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增强，孔隙率大（80%～90%）且孔洞曲折，材料的热膨胀系数各向同性，具有更好的热稳定性，近年被用作柴油机排气微粒的过滤材料，但捕集效率较低（50%左右），烟灰吹除困难。
陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制，过滤体的孔形状和孔分布有广泛的选择余地，通过改变各种设计参数可使应用达到优化。
陶瓷纤维毡具有高度表面积化的特点，过滤体内纤维表面全是有效过滤面积，过滤效率可高达95%。
但陶瓷纤维是一种脆性的耐高温材料，生产工艺较复杂且易损坏。
（二）金属基过滤材料
金属在材料的强度、韧性和导热性等方面有陶瓷无法比拟的优势。
目前研究较多的是泡沫合金和金属纤维毡。
泡沫合金是一种具有三维网络骨架的材料，日本住友电工公司曾采用泡沫镍作为过滤材料，但镍的抗蚀性差，为改善其在高温环境和含硫气氛中的抗蚀性，采用耐热耐蚀的镍铬铝和铁铬铝高温合金，合金表面是结构牢固的。
例如α-Al2O3，可在800℃的高温下静置200h基本不受侵蚀。
这种泡沫合金具有高的热导率，可兼作热再生装置的辐射加热器，热度分布均匀，再生时过滤体不会开裂与熔化。
泡沫合金的主要优点包括：
具有大孔径和薄骨架结构，泡沫合金表面容易被熔融铝液浸透并覆盖，退火处理后得到保护层；由于合金骨架的机械强度高，可大大改善过滤材料的耐振性能；应用粉末冶金技术制造泡沫合金，可以降低生产成本。
金属纤维毡与陶瓷纤维毡过滤材料相比，具有强度高、使用寿命长及容尘量高等特点；与金属丝网过滤材料相比，具有过滤精度高，透气性好，比表面大和毛细管功能等特点，尤其适于高温、有腐蚀介质等恶劣条件下的过滤，因此是一种很有前途的柴油机微粒过滤材料。
（三）复合基过滤材料
陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都有不可避免的缺陷，因此开始考虑复合基增强过滤材料，目前研究与应用主要集中在纤维毡结构上。
为了解决在再生过程中燃烧引起的局部过热导致过滤材料熔融破裂或残留烟灰黏附在过滤材料上使DPF失效的问题，NHKSpring公司发明了一种新型过滤材料，这种过滤体的单元由叠层金属纤维毡和氧化铝纤维毡组成。
金属纤维毡材料是Fe-18C-3A1，最高耐热温度1100℃，氧化铝纤维毡材料是70A12O3-30SiO2，最高耐热温度1400℃。
从排气进口到出口，叠层纤维毡的密度越来越细，保证了微粒的均匀捕获，过滤效率可达到80%～90%，同时能起到消声器的作用。
二、再生技术
DPF是一种物理性的降低排气微粒的方法，在工作过程中，微粒会积存在过滤器内，导致柴油机排气背压增加，当排气背压超过20kPa时，柴油机工作开始明显恶化，导致发动机动力性和经济性等性能降低，必须及时除去沉积的微粒，才能使DPF继续正常工作，即DPF的再生，这是DPF能否在柴油机上正常使用的关键。
在DPF开发的早期，曾采用脱机再生的方法解决再生问题，但只有成功开发在柴油机上自动实现再生的技术，才能从根本上解决其实用性问题。
实用化再生技术必须要求：
能在各种工况下正常工作；对柴油机工作特性及燃油经济性具有较小的影响；不应对环境产生二次污染；具有良好的可靠性和耐久性，耐久性在8万km以上；便于操作；寿命和价格应能被用户接受。
柴油机排气微粒通常在560℃以上时开始燃烧，正常的燃烧温度在800℃以上。
而实际柴油机排气温度一般低于500℃，一些城市公交车排温甚至在300℃以下，排气流速也很高，因而在正常的条件下难以烧掉微粒。
近20年来，国内外对柴油机微粒捕集器再生技术进行了大量细致的研究工作，提出了多种再生技术，并有不少再生技术已进入实车使用阶段。
再生系统根据原理的不同可分为主动再生系统与被动再生系统两大类。
（一）主动再生系统
主动再生是通过外加能量提高气流温度到微粒的起燃温度（500℃～600℃）使微粒燃烧，迄今提出的再生控制方法很多，利用背压判断再生是最为普遍的一种方法，实质是判断微粒捕集内的微粒量是否满足再生要求。
目前研究较多的外加能量再生控制系统有：
喷油助燃再生系统、微波加热再生系统、电加热再生系统、逆向喷气再生系统以及红外加热再生系统等。
1．燃气再生
燃气再生技术是在发动机的排气不旁通的情况下，将燃气通入排气中，直接利用排气中剩余的氧气和燃气混合燃烧，对沉积在过滤体中的微粒进行加热，达到着火温度燃烧实现再生。
过滤体在过滤的过程中避免了过滤体再生时旁通排气造成的污染。
这种再生方式与催化再生相比，适合在高硫条件下使用，符合我国燃油含硫量较高的国情，同时，由于采用气体燃料，与排气同为气相，容易形成均匀的混和气，加热再生时燃烧比较充分。
计算得出排气中的氧气完全满足各工况下燃气燃烧需要。
试验研究发现，燃气流量具有较大的范围，其再生效率基本不变，可达80％以上。
过滤体内的微粒沉积量对再生结果没有显著的影响，在较小的微粒沉积量下，燃气再生仍可以进行，即再生时机的选择范围较大。
再生时间与再生效率、燃气流量以及过滤体微粒沉积情况密切相关，随着再生时间的增加，排气背压下降，而过滤体温度升高。
需要根据各种因素，选取合理的再生时间。
由于气流速度大，火焰难以形成，容易熄灭。
这样进入的燃气会造成更大的污染。
再生时间控制不当，会导致过滤体的烧坏。
燃气加热再生系统见图2。
2．电加热再生
电加热再生是利用置于过滤体前部的电阻丝点燃其周围的微粒，再靠这部分微粒燃烧的能量引燃其余的微粒，实现再生。
由于车用24V蓄电池受电功率的限制，目前采用分区布置再生，且试验已证明了其可行性。
影响电加热再生效果的主要因素有再生时机、再生废气量、加热器结构和功率、再生策略等因素。
再生方法中补气节流再生是成熟的再生方法，它利用两个蝶形阀，再生开始时旁通阀完全打开的同时，完全关闭调节阀，补充空气利用调节阀上的小孔统入部分排气，直至再生结束，补气节流再生可在不同转速和负荷的任意工况下，实现过滤器的再生。
其难点主要有：
首先要消耗大量的电能，增加了油耗和蓄电池的负担；其次再生过程影响因素较多，系统稳定性差。
因此需要对电器元件的选择和绕制、电阻丝的布置方案、再生顺序、通电加热时机的研究、微粒积存量的多少、过滤器温度等方面进行考虑和研究。
3．逆向喷气反吹再生
逆向喷气反吹再生是利用压缩空气从与过滤时气流流动相反的方向清洁过滤体。
它将过滤体的再生和微粒的燃烧分开，避免微粒在过滤体中燃烧，使过滤体的使用寿命和可靠性得到保证；另外再生时间短，不可燃物质不会在过滤体内积存。
逆向喷气反吹再生系统见图3。
逆向喷气再生要解决以下关键技术：
（1）进一步减少喷气再生时压缩空气的消耗量。
（2）开发针对喷气再生的专用微粒过滤材料和过滤体结构型式。
（3）如何优化气路设计是一个关键问题。
（4）微粒的二次收集与燃烧。
（5）再生控制。
目前需要解决逆向喷气再生要解决的关键技术是：
进一步减少喷气再生时压缩空气的消耗量；开发针对喷气再生的专用微粒过滤材料和过滤体结构型式；对整个柴油机微粒过滤再生系统进行结构和控制参数的综合优化。
4．红外加热再生
红外加热再生首先由加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层，然后由红外涂层通过辐射方式加热过滤器中捕捉的微粒，它兼具有电加热结构简单和加热高效能的优点。
试验发现：
过滤器再生分为加热和燃烧两阶段，径向燃烧不同步，存在温度梯度。
再生气流对再生过程有很大的影响，再生气流的氧浓度对燃烧的影响和气流流动对热量传输的影响很大。
大连理工大学的高希彦等人在对柴油机微粒陶瓷过滤器红外再生的试验研究中发现，柴油机微粒陶瓷过滤器红外再生方法的主要影响因素有再生用废气量、加热器的功率及结构和再生策略等。
再生废气量从两方面影响再生：
（1）废气提供微粒再生时所需的O2，O2充足时再生速度快，O2缺乏时不仅再生速度慢，而且容易生产大量CO；
（2）废气将产生的热量带走，从而影响再生的最高温度。
加热器功率也从两方面影响再生。
首先，它决定着陶瓷体加热到微粒着火温度的时间。
图2燃气加热再生系统
图3逆向喷气反吹再生系统
其次，当废气从加热器流过时，会受到加热器的加热。
因此，加热器功率在一定程度上影响再生废气的温度，从而间接影响了最高再生温度，并在一定程度上限制了废气量的变化范围。
再生过程中所用废气量的变化决定了过滤器不同部位再生过程中氧气供给速率和废气带走热量的速率，从而影响再生过程中过滤器内最高温度出现的位置。
5．微波加热再生
在微波加热再生系统中，微粒能以60%～70%的能量效率吸收，频率为2～10GHz的微波，因陶瓷的损耗系数很低，对微波来说实际上是透明的，所以微波不会加热陶瓷，且DPF的金属壳体会约束微波，防止微波外逸并把它反射回滤芯上。
微波加热再生利用微波独具的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分布的热源，使微粒就地吸热、着火并燃烧。
实验表明，再生过程中过滤体内部温度梯度小，热应力引起的过滤体损坏的可能性减小，再生窗口宽，再生过程易于控制。
微波再生效率高，没有二次污染，是目前研究较多的一种再生技术。
（二）被动再生系统
被动再生是利用化学催化的方法降低微粒的反应活性，能使微粒在柴油机正常运行条件下燃烧，达到再生目的。
研究表明，一些贵金属、金属盐、金属氧化物及稀土复合金属氧化物等催化剂对降低柴油机碳烟微粒的起燃温度和转化有害气体均有很大的作用，但为防止催化剂中毒，必须使用无硫柴油。
催化剂的使用方法有两种，一种是在过滤体滤芯表面浸渍催化剂，另一种是在燃油中加入添加剂。
采用滤芯表面浸渍催化剂，由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，很难进行完全再生。
另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生。
在燃油中加入添加剂是目前研究的热点，添加剂一般为可溶性的金属或金属盐等，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，降低微粒起燃温度，从而在较低的排气温度下不需外部能源，过滤体能自行再生。
但燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来。
试验表明，金属添加剂在过滤体中的沉积率与滤芯对微粒的捕集效率基本一致。
积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命，若沉积过多，将导致背压上升，影响柴油机的动力性和经济性，且排入大气中的金属漂尘又会引起二次污染。
使用催化再生的DPF对微粒的捕集与对过滤体的再生是同时进行的，是一种连续再生的方法。
这种DPF装置目前要解决的问题是：
在柴油机的各种运转条件下不发生碳粒堵塞现象和避免催化剂中毒，以确保碳粒净化率的长期稳定性，提高其使用寿命。
SO2是使催化剂中毒的主要因素，它与催化剂载体的主要材料氧化铝相互作用并封锁催化剂铂，使反应区的质量交换条件变坏。
俄国汽车研究所在这方面的研究走在世界的前列，他们从两方面着手：
一方面开发一种与氧化硫不发生作用和催化载体——采用氧化硅或涂有氧化硅保护层的氧化铝；另一方面寻找一种具有封锁性能的、有很高的抗氧化硫的活性成分，其基本成分选用催化活性剂。
结果表明，催化剂的催化效率在较长时间内能得到保证。
JohnsonMatthey公司开发出一种连续再生微粒捕集系统CRT，其结构见图2。
柴油机排出的废气首先经过一个氧化催化器，在CO和HC被净化的同时，NO被氧化成NO2。
NO+O→NO2NO2本身是化学活性很强的氧化剂，在随后的DPF中，NO2与微粒进行氧化反应。
NO2+C→CO+NO该反应在250℃左右即可进行。
但当排气温度高于400℃时，化学平衡条件趋于产生NO而难以产生NO2，不能使DPF中的微粒起燃，再生效率急剧下降，而且该系统要求的柴油含硫量小于50×10-6，除瑞典等少数几个北欧国家，这样低含硫量的燃油难以得到。
连续再生式DPF结构见图4。
图4连续再生式DPF结构
三、结束语
微粒捕集器被认为是彻底减少柴油发动机微粒排放的最有效方法，许多类型的微粒捕集器净化效率可达99％，为满足日趋严格的排放法规，研制高性能的过滤材料和与之相适应的低成本、简单和可靠性好的再生方法，是当前DPF的研究热点，也是产业化的关键问题。
虽然目前再生方法很多，但每种再生方法都有自己的优缺点。
催化再生时过滤体温度低，可靠性得到了保证，但需要使用无硫柴油。
利用外部热源再生，再生可靠，但消耗额外能源，经济性差。
燃油添加剂再生需要柴油机不能长时间工作于低速工况等，将两种以上再生方法结合使用是今后研究的发展方向。
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