微粒特性对柴油车DPF颗粒沉积影响的实验研究

蒲云飞 孟忠伟 王青春

摘要：基于柴油机颗粒捕集器（DPF）沉積可视化装置，利用碳黑模拟柴油机颗粒物进行了碳黑微粒特性对DPF内颗粒沉积过程影响的实验研究。研究结果表明：随碳黑颗粒沉积高度的增长，DPF过滤压降可以被划分为典型的深床过滤、过渡阶段以及颗粒层过滤三个阶段;在各颗粒层下，过渡阶段结束时的颗粒层高度为20 μm左右;在深床过滤阶段，颗粒原生粒径与BET比表面积综合起来相对较小就更能获得更大的压降;颗粒层渗透系数、孔隙率同时受到比表面积和粒径的共同影响。

关键词：柴油机;碳黑微粒特性;过滤压降;颗粒沉积高度;渗透系数;孔隙率

中图分类号：TK421文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）04-0052-04

柴油机由于热效率和经济性较好而被广泛应用于交通运输行业，但是其颗粒物排放量大，会造成严重的环境污染[1]。要达到排放标准就需要有效的、可靠的技术以减少颗粒物排放[2]。从排放控制技术上来看，仅靠缸内燃烧控制和提高燃油品质已经难以满足当前排放标准[3]。目前，“国IV”柴油机都普遍采用了后处理技术，并且未来将对后处理技术提出更高的要求以满足更加严格的排放法规[4]。

DPF（Diesel Particulate Filter，颗粒捕捉器）是对柴油机排放颗粒物进行控制的重要手段[5]，也是当前众多后处理技术中商业应用价值最高、市场前景最好的减排技术之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交错通道式的结构，具有极高的颗粒捕集效率（实现物理捕集柴油机颗粒[7]，捕集效率常常高于95%[8-9]）而得到了广泛应用。

但由于柴油机颗粒物是燃油在高温、高压以及缺氧环境下裂解而产生的[10]，并且柴油机颗粒物的成分组成取决于运行工况，成分不同对应的颗粒物质量、粒径以及数量差异性大，颗粒物中质量较大的都集中在粒径0.1～1.0 μm之间，而颗粒物中数量较多的则集中在粒径50 nm以下，导致这些小粒径颗粒物更容易吸附有害的重金属和有机物，对人体产生更大的危害[12-13]。此外，不同质量、粒径的颗粒物在DPF沉积过程表现形式不同，而目前众多研究主要集中在颗粒物本身特性变化以及单一性质颗粒物的沉积研究，未就不同颗粒物在DPF内的表现形式尤其沉积过程进行研究。

本文基于搭建的DPF沉积可视化装置，选取4种碳黑研究了碳黑微粒特性对DPF颗粒沉积过程影响，包括：随碳黑颗粒沉积高度的增长，DPF过滤压降的变化情况以及碳黑微粒特性（比表面积和粒径）对颗粒层渗透系数、孔隙率的影响。

1实验系统及实验方法

1.1DPF沉积可视化装置

实验室搭建的DPF沉积可视化装置如图1所示。碳黑颗粒流通过真空泵抽吸流经DPF沉积可视化装置主体结构，并在DPF切片（60 mm×30 mm单层壁面，通过将DPF载体切割加工而成）上沉积。使用2D激光位移传感器（基恩士LJG080，测点数650个，测量宽度40 mm，测量精度1 μm）与计算机联机在线测量颗粒在DPF上的沉积高度;使用数字压力表（测量间隔2  s，测量精度10 Pa）测量DPF切片两端过滤压降，并通过计算机实时采集数据;使用质量流量控制器（量程20 L/min）控制通过DPF切

片的空气流量，以确保过滤速度≤0.15 m/s，同时实现定流量过滤;在质量流量控制器前端加装三级空气滤清器，过滤水分以及穿透主体结构DPF切片的小粒径颗粒物，防止其进入质量流量控制器导致损坏。

DPF沉积可视化装置主体结构如图2所示。DPF载体切片上方存在可视化窗口，激光线束可通过该窗口在线测量颗粒层高度，此外切片也可取出以便进行离线测量。

1.2实验设备及材料

本文选用堇青石材质的壁流式蜂窝陶瓷体为实验用DPF载体（CPSI=100）。

选取商用碳黑用于模拟柴油颗粒物，这是由于其微粒特性与柴油机排放颗粒物近似且常在实验中被模拟使用[14]，4种商用碳黑参数如表1所示。

采用实验室自制的鼓风式颗粒发散器作为碳黑气溶胶发生器。使用风机对流将碳黑颗粒层分散后形成气溶胶，利用缓存箱进行稳压稳流，同时使用AVL烟度计测量实验前后气溶胶浓度保证浓度稳定，并4次重复性实验保证结果，然后利用真空泵抽吸进入DPF沉积可视化装置。

1.3试验方法

通过颗粒层过滤压降增长率（dΔP/dt）surf以及沉积高度增长率（dw/dt）surf可以获得渗透系数ksoot以及孔隙率ε。基于达西公式[15]，可以将过滤压降增长率（dΔP/dt）surf与沉积高度增长率（dw/dt）surf的关系可表示为

2实验结果及分析

2.1DPF过滤压降与碳黑颗粒层沉积高度的关系

本文基于DPF过滤压降与碳黑颗粒层沉积高度，发现随碳黑颗粒沉积高度的增长DPF过滤压降的变化情况如图3所示。

由图3可知：随碳黑颗粒沉积高度的增长，DPF过滤压降可以被划分为典型的深床过滤、过渡阶段以及颗粒层过滤三个阶段，该结果同文献[19]结论相同;在各颗粒层下，过渡阶段结束时的颗粒层高度为20 μm左右。在相同颗粒层高度下，过滤压降根据SB4A、CB FW200、SB250、PU的顺序依次升高，主要在于颗粒层阶段的压降增长率有明显的变化。此外，在深床过滤阶段，PU形成的压降要明显高于其他三种碳黑，这是由于PU的原生粒径与BET综合起来相对较小。

图3DPF过滤压降与碳黑颗粒层沉积高度的关系

随颗粒沉积高度的增长，过滤压降在较大过滤速度下也呈相同变化趋势，但颗粒层过滤阶段前持续时间变短，可获得数据量偏少，反之亦然，因此此处选取0.03 m/s[19]。

2.2碳黑微粒特性对颗粒层渗透系数、孔隙率影响

在颗粒层过滤阶段，通过拟合过滤压降随碳黑颗粒层高度的压降增长率可以计算颗粒层渗透系数及孔隙率。其中，碳黑PU、SB 4A、CB FW200、

SB 250在过滤速度为0.03 m/s时的颗粒层渗透系数、孔隙率如表2所示。同时，对4种碳黑对的微观特性进行了电镜TEM测量，结果如图4所示。

由表2及图4可知：对比SB 4A与PU，粒径相同，比表面积增大，颗粒层渗透系数、孔隙率均增大;对比CB FW200与PU，粒径减小，比表面积增大，颗粒层渗透系数、孔隙率均增大;对比SB 250与PU，粒径增大，比表面积减小，堆积密度越大;对比CB FW200和SB 4A，粒径减小，比表面积增大，颗粒层渗透系数相差较大、孔隙率相差不明显;对比SB250和SB 4A，粒径增大，比表面积减小，颗粒层渗透系数相差较大、孔隙率相差不明显;对比SB250和CB FW200，粒径增大，比表面积减小，颗粒层渗透系数相差较大、孔隙率相差不明显。因此，颗粒层渗透系数与孔隙率同时受到比表面积和粒径的共同影响。此外，由图4可知：除了比表面积和粒径，颗粒物之间的连接程度也将是影响结果的可能原因之一。

3结论

本文利用碳黑PU、SB 4A、CB FW200、SB 250研究了碳黑微粒特性对DPF颗粒沉积过程影响，包括：随碳黑颗粒沉积高度的增长，DPF过滤压降的变化情况以及碳黑微粒特性（比表面积和粒径）对颗粒层渗透系数、孔隙率的影响。实验结果表明：

1）随碳黑颗粒沉积高度的增长，DPF过滤压降可以被划分为典型的深床过滤、过渡阶段以及颗粒层过滤三个阶段;且在各颗粒层下，过渡阶段结束时的颗粒层高度为20 μm左右。

2）在深床过滤阶段，颗粒原生粒径与BET综合起来相对较小就更能获得更大的压降。

3）颗粒层渗透系数、孔隙率同时受到比表面积和粒径的共同影响。此外，颗粒间的紧密程度也将是影响结果的可能原因之一。

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