灰分沉积对DPF内颗粒沉积影响的试验研究

蒲云飞，孟忠伟

(1.成都航空职业技术学院汽车工程学院，四川 成都 610100；2.西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039;3.汽车测控与安全四川省重点实验室，四川 成都 610039)

柴油机由于具有较高的热效率和经济性，较低的CO2排放等优点而被广泛地应用于运输业中，但是其颗粒物排放量大，会对环境造成严重的污染[1]。为满足严格的排放标准，需要有效、可靠的减排技术以降低颗粒物排放[2]。从控制技术上来看，仅靠柴油机机内净化和改善燃油品质已经难以满足目前的排放标准[3]。目前，满足“国Ⅳ”排放法规的柴油机都普遍需要采用后处理技术，并且未来更严格的排放法规将对后处理技术提出更高的要求[4]。

柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是降低柴油机排气颗粒物的重要手段[5]，也是目前后处理技术中商业应用前景最好的技术之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交错式的结构，具有极高的捕集效率(物理捕集柴油机颗粒[7]，颗粒捕集效率常常高于95%[8-9])，得到了广泛的应用。

长时间工作后，DPF内灰分的积累会直接影响过滤压降，导致其工作性能恶化[10]。Sappok等比较了颗粒加载时，有无灰分对过滤压降的影响，结果表明：在有大量灰分沉积条件下的过滤压降远大于无灰分沉积时[11]。而灰分沉积后，过滤压降显著增加是在灰烬的深床沉积阶段[12]。为降低过滤压降，Bollerhoff等人提出了一个新的双层过滤壁面技术，并且证实在DPF表面涂敷一层致密过滤介质后，可以有效地减少颗粒物在深床过滤期阶段沉积量，降低过滤压降[13]。在洁净的DPF上沉积一定量的灰分后，也能达到相同的效果[14-15]。

上述文献中，在标准DPF沉积一定量的灰分有类似双层过滤壁面技术的“覆膜”效果，但这个量在怎样一个范围内可以达到该效果，降低过滤压降，产生有利的一面仍是需要研究的。

本研究搭建了DPF沉积过程可视化台架系统，探究灰分在怎样的范围内可以达到降低过滤压降的效果。

1 试验系统及试验方法

1.1 可视化台架

实验室搭建的可视化台架系统见图1。通过真空泵抽气，颗粒流进入可视化台架系统主体段，颗粒物在DPF载体切片(从载体上切割加工而成，30 mm×60 mm)上进行沉积。使用高精度2D激光位移传感器(KEYENCE，LJ-G080，精度1 μm，测量宽度40 mm，650个测点)测量颗粒在DPF上的沉积厚度；使用压力表(精度0.01 kPa)测量过滤压降；使用质量流量控制器(量程20 L/min)控制抽气流量，实现定流量过滤，保证过滤速度≤0.15 m/s；在流量计前加装空气过滤器过滤水分以及穿透主体段的颗粒物，防止其进入质量流量控制器，导致损坏；使用计算机采集激光位移传感器及压力表的数据。

可视化台架系统主体段结构见图2。激光通过可视化窗口对DPF载体切片上沉积的颗粒层厚度进行测量，DPF切片可从主体段上取出。

图2 可视化台架系统主体段

1.2 试验设备及材料

试验采用的DPF载体为堇青石壁流式蜂窝陶瓷过滤体(CPSI=100)。使用的碳黑为Printex-U碳黑，其特性与柴油机颗粒近似，常被用于模拟柴油颗粒物[16]，Printex-U碳黑参数如表1所示。

表1 试验碳黑参数

选取了3种灰分模拟柴油机烟灰分，用以对灰分结构、成分进行对比，其参数如表2所示。

表2 灰分参数

气溶胶发生器为实验室自制的鼓风式碳黑颗粒分散器。此外，灰分沉积装置示意见图3，在进行灰分沉积时，通过酒精的自然蒸发，灰分均匀沉积在DPF载体切片上。

图3 灰分沉积装置示意

2 试验结果及分析

通过预先在DPF白载体切片上沉积部分灰分，然后进行颗粒物沉积来研究不同灰分沉积量下DPF的过滤压降，以及灰分粒径与灰分成分对过滤压降的影响。

2.1 灰分沉积量对DPF颗粒沉积过程的影响

在本次试验中，选取5 000目空心微珠，过滤速度0.02 m/s。由图4可知：随着灰分的沉积，初始压降增加，灰分初始压降从0 g/L的490 Pa上升到6 g/L的770 Pa，且与灰分沉积量呈线性关系，即1 g/L的灰分可以引起42.53 Pa的压降。

图4 灰分初始压降(5 000目)

灰分的沉积对DPF颗粒沉积过程的影响见图5。由图5可知：随着灰分沉积量的增加，初始压降增加，过滤压降在表面过滤阶段呈现出先降低再增加的趋势。1 g/L的灰分沉积是降低过滤压降的最好条件，当灰分沉积低于4 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段低于白载体。在这种条件下，可通过改进过滤过程以减少颗粒物在深床过滤阶段的持续时间。因为开始加载的灰分充当烟颗粒物进入过滤体的微孔内，可以减少柴油机颗粒物的深床过滤阶段，因此，如果更快结束深床过滤阶段，过滤压降可降低到一个较低的水平。另一方面，当灰分沉积高于4 g/L时，过滤压降始终比无灰分时大。因此，灰分的沉积对压降有正面和负面两方面影响。通过该实验验证了灰分沉积降低过滤压降的可能性。此外，在任意灰分沉积量下，当颗粒沉积进入表面过滤阶段时，过滤压降增长率几乎相同，这是因为此时引起压降增长的原因是颗粒层。

图5 灰分沉积对过滤压降的影响(5 000目)

2.2 灰分结构对DPF颗粒沉积过程的影响

在本次试验中，选取1 250目空心微珠，过滤速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠进行对比，研究灰分粒径变化对DPF颗粒沉积过程的影响。

对于1 250目与5 000目空心微珠，随着沉积量的增加，初始压降都随之增大。从图6可以看出：1 250目空心微珠初始压降从0 g/L的490 Pa上升到6 g/L的720 Pa，且初始压降与灰分沉积量呈线性关系，即1 g/L的灰分可以引起37.34 Pa的压降。在相同沉积量下，1 250目空心微珠的过滤压降要低于5 000目空心微珠，这是因为1 250目空心微珠粒径较大，而粒径较小的灰分更容易进入DPF微孔，发生堵塞，造成高的过滤压降。

图6 灰分初始压降对比(1 250目对比5 000目)

1 250目空心微珠的沉积对DPF颗粒沉积过程的影响如图7所示。由图7可知：当灰分沉积低于4 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段低于白载体，但当灰分沉积高于6 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段高于白载体。基于此，进行了5 g/L的沉积试验(见图8)。由图8可知：灰分沉积在5 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段几乎与白载体持平。

图7 灰分沉积对过滤压降的影响(1 250目)

图8 5 g/L灰分沉积与无灰分沉积的颗粒沉积对比

在相同沉积量下(4 g/L)，1 250目与5 000目空心微珠过滤压降随颗粒沉积量变化如图9所示。由图9可知：1 250目空心微珠的过滤压降始终要低于5 000目空心微珠，这是因为1 250目空心微珠初始压降相对较低，并且大粒径灰分的孔隙率要大于小粒径灰分，而且在表面过滤阶段过滤压降增长率几乎相同，使得过滤压降比5 000目空心微珠低。这说明大粒径灰分对沉积有积极的影响，颗粒物进入DPF微孔的量相对较少，但粒径仍在一定范围，否则过大的粒径就起不到所谓“覆膜”的作用。

图9 灰分粒径对过滤压降的影响

2.3 灰分成分对DPF颗粒沉积过程的影响

在本次试验中，选取UPC998MF α-Al2O3作为灰分，过滤速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠进行对比，研究灰分成分变化对DPF颗粒沉积过程的影响。

对于α-Al2O3与5 000目空心微珠，随着沉积量的增加，初始压降都增大。从图10可以看出：UPC998MF α-Al2O3初始压降从0 g/L的490 Pa上升到4 g/L的680 Pa，且初始压降与灰分沉积量呈线性关系，即1 g/L的灰分可以引起49.6 Pa的压降。在相同沉积量下，5 000目空心微珠的过滤压降要低于α-Al2O3，这是因为空心微珠是SiO2与α-Al2O3的混合物，而纯α-Al2O3总体粒径相对更小，而粒径较小的灰分更容易进入DPF微孔，发生堵塞，造成高的过滤压降。

图10 灰分沉积压降对比(α-Al2O3对比5 000目)

α-Al2O3的沉积对DPF颗粒沉积过程的影响如图11所示。由图11可知：当灰分沉积低于4 g/L时，其过滤压降在表面过滤阶段高于白载体，但当灰分沉积低于2 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段低于白载体，基于此，进行了3 g/L的沉积试验(见图12)。由图12可知：灰分沉积在3 g/L时，过滤压降在表面过滤阶段几乎与白载体持平。

图11 灰分沉积对过滤压降的影响(α-Al2O3)

图12 3 g/L灰分沉积与无灰分沉积的过滤压降对比

在相同沉积量下(4 g/L)，α-Al2O3与5 000目空心微珠过滤压降随颗粒沉积量变化如图13所示。从图13可以看出：α-Al2O3过滤压降始终要高于5 000目空心微珠，这是因为α-Al2O3初始压降相对较高，并且小粒径灰分的孔隙率要小于大粒径灰分，而且在表面过滤阶段过滤压降增长率几乎相同，使得过滤压降比5 000目空心微珠高。但小粒径灰分对沉积依然有积极的影响，小粒径灰分本身就类似颗粒物进入DPF微孔，阻止了更小粒径的颗粒物进入。可以看出，灰分成分的对比其实也是灰分粒径的对比。

图13 灰分粒径对过滤压降的影响(α-Al2O3，5 000目)

综上所述，3种灰分在一定量下有降低过滤压降的效果，但因为灰分的粒径、成分不同，其量也有差别。

3 结论

a) 灰分沉积时，DPF初始压降增加，并且初始压降随灰分沉积量呈现线性关系；

b) 当过滤速度在0.02 m/s时，对于5 000目空心微珠、1 250目空心微珠以及α-Al2O3，灰分沉积量分别小于4 g/L，5 g/L，3 g/L时，过滤压降明显低于洁净DPF，证明了灰分的沉积可以使过滤压降降低，但当灰分沉积量大于上述值时，过滤压降高于洁净DPF，因此，灰分的沉积对过滤压降来讲，有正面影响，也有负面影响；

c) 灰分的粒径相对越大，过滤压降相对越小，因为大粒径灰分的孔隙率要大于小粒径灰分，颗粒物进入DPF微孔的量相对较少，大粒径灰分起到“覆膜”作用，对沉积有积极的影响；

d) α-Al2O3相对空心微珠初始压降较大，因为空心微珠是SiO2与Al2O3的混合物，而纯Al2O3总体粒径相对更小，更容易进入DPF微孔，而小粒径灰分本身就类似颗粒物进入DPF微孔，阻止了更小粒径的颗粒物进入，对沉积有积极的影响。