涂覆量对CDPF压降和再生特性影响的研究*

刘洪岐，高 莹，方茂东，陈 伟,李 云

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300300；3.中自环保科技股份有限公司，成都 610036)

2016126

涂覆量对CDPF压降和再生特性影响的研究*

刘洪岐1，高 莹1，方茂东2，陈 伟1,李 云3

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300300；3.中自环保科技股份有限公司，成都 610036)

本文中通过台架试验研究了3种不同贵金属涂覆量对柴油机微粒捕集器载体压降和再生特性的影响，结果表明，18和24g/L涂覆量对载体压降影响相似，最大增加0.19kPa，压降最大增加率为13.4%，30g/L涂覆量载体压降最大增加0.39kPa，压降最大增加率为36.7%。通过被动再生过程的试验可以看出，增加贵金属涂覆量可提高被动再生率,增加再生量，进而延长主动再生周期，改善载体耐久性能。

颗粒捕集器； 涂覆； 压降； 再生

前言

汽车尾气是造成大气雾霾的重要因素。其中全国柴油车PM排放超过汽车排放总量的90%[1]。降低柴油车污染物排放成为迫切需求。柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)作为一种重要技术手段，在降低颗粒物排放方面已经得到广泛认可[2-3]。随着颗粒物在捕集器内不断沉积，发动机排气背压不断上升，再生成为必须要解决的需求。当柴油机微粒捕集器的载体涂覆贵金属催化剂，则称为催化型柴油机微粒捕集器(catalytic diesel particulate filter，CDPF)。通过贵金属Pt，Pb和Rh的涂覆可以降低载体内再生反应温度，但是载体贵金属涂覆量的差异会带来产品性能和成本的改变，贵金属涂覆状态如图1和图2所示。

目前，国内外对载体的催化剂涂覆研究集中在涂覆方式[4]和贵金属配比等方面[5]。近年来国内学者针对DPF进行了大量深入的研究[6-8]，取得了比较有意义的研究成果。现有研究主要集中在已有的壁流式结构基础上，分析影响载体性能的因素[9]，但对催化剂涂覆量引起的载体压降和再生性能的降低鲜有报道。贵金属涂覆在提升再生性能的同时会使载体的孔隙率和渗透率降低，进而影响发动机排气背压，使发动机缸内燃烧恶化，导致污染物排放增加。因此，有必要进一步研究涂覆量差异带来的载体性能的改变。本文中以3种不同涂覆量的载体为研究对象，对比分析了载体洁净状态背压、催化再生效率和气体组分的变化，为催化剂涂覆量的合理选择提供参考。

1 试验设计

1.1 试验台架与载体选择

试验台架如图3所示。试验发动机为中型柴油机，其参数见表1，燃油选用国IV标准柴油。台架排气系统具有旁通冷却系统，通过控制旁通阀调整在同一工况下的排气温度。气体组分测试选用两套HORIBA 7100DEGR进行监测；选用PT200热电偶测量载体入口与出口温度，采用流量计计量发动机进气量，使用VALIDYNE P55D1压力传感器测量载体前后的压降。

试验选择了3种涂覆量的贵金属载体，涂覆量分别为18，24和30g/L，同时选择了一个同等型号白载体作为参照，载体其他参数相同，见表2。

表1 试验发动机技术参数

表2 CDPF载体结构参数

1.2 试验方案

试验过程中由于发动机始终在排放颗粒物，因此为测量载体洁净状态压降特性，选择在被测颗粒捕集器前端加装一个无涂覆微粒捕集器起净化作用，保证进入待测载体的发动机尾气只有气体组分，这样可以保证在测试过程中基本没有碳烟加载。测试载体安装在后端，安装示意图如图4所示。

被动再生过程中采用同样的方案进行测试，但是由于载体前端起过滤作用的载体选择无贵金属涂覆白载体，防止NO转化为NO2。通过前端加装无涂覆载体可单独研究被动再生过程，防止边加载边再生的情况，保证单独分析再生过程。

2 结果分析

2.1 洁净状态压降特性

载体洁净状态压降是基础压降，加载和再生过程压降的变化都是在此基础上增加的。贵金属涂覆会对载体本身渗透率产生一定影响，进而影响载体压降特性。微粒捕集器洁净状态压降主要由三部分组成[9]，包括入口孔道、出口孔道和过滤壁面的压降。根据研究，洁净状态下入口孔道与出口孔道压降是一样的：

(1)

(2)

过滤壁面压降[10]为

(3)

(4)

式中：Vtrap=πD2L/4；Δpinlet-channel为入口通道压降；Δpoutlet-channel为出口通道压降；Δpfilter-wall为载体壁面压降；Δpall为载体总压降；k0为洁净壁面渗透率，m2；μ为排气动力黏度，(N·s)/m2；U为入口通道速度，m/s；α为捕集器通道宽度，m；L为捕集器长度，m；ωs为捕集器通道壁厚，m；F为摩擦因数，取常数28.454；σ为孔隙密度，m-2；Q为实际排气体积流量，m3/s。

从式(1)和式(2)可以看出，结构参数中载体体积、孔道宽度和过滤壁厚度影响入口孔道和出口孔道压降。由于试验过程中载体始终处于洁净状态，因此结构参数不会发生改变。但是，载体贵金属涂覆会进入载体过滤壁面内部，因此其洁净状态渗透率会发生变化。随着涂覆量增加，载体壁面渗透能力可能会减弱，即渗透率会有所降低，进而导致载体压降进一步增加。因此涂覆量及分散度会严重影响载体本身的压降性能。

试验中，分别对无贵金属涂覆载体和18，24，30g/L涂覆量载体进行压降测试。分析温度和涂覆量在不同空速下对载体压降的影响。

2.1.1 排温对压降的影响

试验选择9个工况点，控制空速为24 000～56 000h-1，通过控制旁通阀，调整进入载体的排气温度，测试不同排温下涂覆量对载体压降特性的影响，结果如图5～图8所示。由图可见，在相同的空速下，入口温度升高50℃，无贵金属涂覆载体的压降最大升高0.27kPa；而涂覆量为18，24和30g/L的贵金属载体，压降最大升高分别为0.31，0.41和0.44kPa；综合来看，载体涂覆贵金属后，压降受载体入口温度影响基本维持在每上升50℃增加0.3～0.5kPa。

2.1.2 涂覆量对压降的影响

通过试验分别测量了3种涂覆量载体在相同入口温度(325℃)，不同排气流速下的压降变化，结果如图9所示。由图可见，30g/L涂覆量载体洁净状态压降，明显高于18和24g/L涂覆量载体，与洁净载体相比，18，24和30g/L涂覆量的载体压降最大分别增加0.12，0.19和0.39kPa。

通过试验结果辨识载体的参数，可以得出无涂覆载体渗透率为1.152×10-13m2，而18，24和30g/L涂覆量载体洁净状态渗透率分别为9.88×10-14， 9.33×10-14和8.68×10-14m2。随着贵金属涂覆量增加，渗透率逐渐减小，但并没有量级的改变。

通过与无涂覆载体洁净压降对比，计算其压力升高率η：

(5)

式中：pcat为涂覆载体压降；pwithout为无涂覆载体压降。

压降增加率如图10所示。由图可见：18和24g/L涂覆量并未引起压力明显增加，两种涂覆量载体压降增加最大相对值为13.4%，增加最大绝对值为0.19kPa；而30g/L涂覆量压降与无涂覆载体相比有了明显增加；在26 000h-1空速下压降增加率最大，达到36.7%，而最大压降增加绝对值为0.39kPa，压降增加率为17.3%；30g/L涂覆量对压降产生了相对较大的影响。

2.2 被动再生影响分析

由于NO2的强氧化性，碳烟颗粒在排气温度350℃左右时达到再生平衡点，即单位时间内加载量与再生量相等。为使载体保持被动再生，设定发动机运行工况为1 300r/min，350N·m，载体入口温度为400℃，空速为36 000h-1，按照1.2节的安装方法，分别测试3种载体再生过程压降、NOx和NO2的变化规律。虽然载体入口NO2含量很少，但CDPF内部可以通过催化转化，将NO转化成NO2：

(6)

且NO2多次发生此反应，如图11所示。再生试验进行100min，前端安装提供过滤功能的载体，后端依次安装加载后不同涂覆量的载体。

18g/L涂覆量载体再生过程压降的变化如图12所示。18g/L涂覆量载体再生之前碳烟加载量为30.8g，经过再生反应减少了26.2g，再生率为85.1%；再生后压降为2.2kPa。18g/L涂覆量载体前后端NOx/NO2变化如图13所示。由图可见，入口处NO2的体积分数为20×10-6～40×10-6，出口处NO2高于入口处NO2，且较为稳定，基本保持在180×10-6，占总NOx的比例为30.2%。进一步验证了在载体内部经过与贵金属接触会发生式(6)的反应。

24g/L涂覆量载体再生压降变化如图14所示，24g/L涂覆量载体再生之前碳烟加载量为31.2g，再生后碳烟加载量减少了27.3g，再生率为87.5%。再生后压降为2.0kPa。24g/L涂覆量载体前后端NOx变化如图15所示，出口处NO2含量较为稳定，基本维持在220×10-6，占总NOx的比例为35.4%，2 900s后略有升高，达到230×10-6。原因在于经过再生后，NO与催化剂表面的接触面积增加，进而促进了式(6)反应的发生。

30g/L涂覆量载体再生压降变化如图16所示，30g/L涂覆量载体再生前加载量为33.1g，再生后加载量减少了29.5g，再生率为89.1%，再生后压降为2.0kPa。出口处NO2含量变化可分为两个阶段，如图17所示，第一阶段基本保持在220×10-6，在3 300s后逐渐升高至240×10-6，达到NOx总量的40.3%。

综合以上试验结果可以看出，增加涂覆量可以提升被动再生率，再生总量也在不断增加，30g/L涂覆量载体再生率比18g/L涂覆量载体提升2.5%，再生量增加3.3g，有效增强了再生能力；同时出口处NO2的含量会进一步提升10.1%，为未来集成后处理系统中SCR系统入口状态提供更加理想的气体组分，促进SCR中快反应的发生。

3 结论

(1)贵金属涂覆量增加会增大CDPF压降，18和24g/L涂覆量对压降影响很小，最大仅增加0.19kPa。30g/L涂覆量载体压降增加0.39kPa。

(2)随着贵金属涂覆量的增加，被动再生率不断提升，18，24和30g/L涂覆量载体的再生率分别达87.5%，85.6%和89.1%。

(3)综合来看，24g/L涂覆量的载体既能保持再生率的提升，又能使载体产生较小的压降，是3种涂覆量中较为合适的选择。

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A Research on the Effects of Coating Amount on the Pressure Drops and Regeneration Characteristics of CDPF

Liu Hongqi1, Gao Ying1, Fang Maodong2, Chen Wei1& Li Yun3

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025; 2.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300; 3.SinocatEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu610036

The effects of three different coating amounts of precious metal on the pressure drop and regeneration characteristics of diesel particulate filter carrier are studied in this paper. The results show that with a coating amount of 18g/L or 24g/L, their effects on the pressure drop of carrier are similar: the pressure drop increases by 0.19kPa at most with a maximum increase rate of 13.4%; while with a coating amount of 30g/L, the pressure drop of carrier rises by 0.39kPa with a increase rate of 36.7%. Meanwhile it is found by the test on passive regeneration process that the increase in the amount of precious metal coated can raise the passive regeneration rate, increase regeneration quantity, extend active regeneration cycle and improve the durability performance of carrier.

particulate filter; coating; pressure drop; regeneration

*国家科技支撑计划(2014BAG11B01)资助。

原稿收到日期为2016年1月20日，修改稿收到日期为2016年2月22日。