柴油顆粒過濾器（DPF）尾氣處理及再生原理

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院（210032） 張大成

柴油顆粒過濾器（DPF）尾氣處理及再生原理

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院（210032） 張大成

當(dāng)前汽車工業(yè)中，內(nèi)燃機(jī)是重要的汽車動力源，燃料燃燒均會留下有害的殘留物，例如炭煙顆粒（PM），我國新頒布的《中華人民共和國大氣污染防治法》對在用機(jī)動車尾氣排放提出了更加嚴(yán)格的要求，世界各國也均制定了更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，以降低汽車尾氣排放對環(huán)境的污染。柴油發(fā)動機(jī)尾氣排放因大眾公司的“尾氣門”事件，更是引發(fā)全球密切關(guān)注。柴油機(jī)有害顆粒物排放始終是汽車工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前，歐洲甚至全球均頒布了非常嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，由歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）的汽車尾氣排放法規(guī)和歐盟（EU）的汽車尾氣排放指令共同加以實(shí)現(xiàn)的歐洲汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，是歐盟國家為限制汽車尾氣排放污染物對環(huán)境造成危害而共同采用的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前對幾乎所有類型的車輛排放的氮氧化物（NOx）、碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）和顆粒物（Particulate Matter，簡稱PM）都有限制，對每一種車輛類型，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)有所不同。在歐洲，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)一般每4年更新1次，相對于美國和日本的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)而言，其測試要求比較寬泛，因此，歐洲汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也是發(fā)展中國家大都沿用的汽車尾氣排放體系。我國汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)便是參照歐洲汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)制定的，我國于2001年實(shí)施的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅰ）》等效于歐Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)（EU Ⅰ或EURO Ⅰ），2004年實(shí)施的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅰ）》等效于歐Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)（EUⅠ或EUROⅠ），2007年實(shí)施的國ⅠⅠ標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于歐ⅠⅠ標(biāo)準(zhǔn)（EUⅠⅠ或EUROⅠⅠ），2010年實(shí)施的國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)（EU Ⅳ或EURO Ⅳ）。表1所列為歐Ⅰ至歐Ⅵ汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)具體的排放污染物要求。由表1可見，歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)相對于歐Ⅴ對PM有了更嚴(yán)格的限制和要求。在國Ⅳ時代柴油機(jī)尾氣后處理裝置有2種主要升級方案，一類是通過使用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理；一類是通過柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Filter，簡稱DPF）或柴油氧化催化器（DOC），針對燃燒產(chǎn)生的微粒進(jìn)行處理的EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)。目前人們公認(rèn)的降低柴油機(jī)PM的有效途徑是采用DPF，國Ⅳ升級到國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)時，PM將是重點(diǎn)解決的問題，解決方式就是采用DPF。

表1 歐Ⅰ至歐Ⅵ汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)對卡車和公共汽車排放污染物要求

1 柴油顆粒過濾器（DPF）工作原理

如圖1所示，柴油顆粒過濾器（DPF）是安裝在柴油車排氣系統(tǒng)中，通過過濾來降低排氣中顆粒物（PM）的裝置。DPF通過表面和內(nèi)部混合的過濾裝置捕捉顆粒，例如擴(kuò)散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截，能夠有效地凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機(jī)顆粒物最有效、最直接的方法之一，已在國際上實(shí)現(xiàn)了商品化。為滿足歐Ⅵ或美國2010排放法規(guī)，柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)將會更加復(fù)雜，需要將柴油氧化催化器（DOC）、柴油顆粒過濾器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）等集成為一體來控制柴油機(jī)排放（圖2）。

柴油顆粒過濾器（DPF）主要有顆粒過濾器空、顆粒過濾器滿和顆粒過濾器還原等3個工作過程。在顆粒過濾器空的工作狀態(tài)下（圖3），由于DPF內(nèi)部沒有任何存量的顆粒堵塞，廢氣流動阻力非常低，不會影響發(fā)動機(jī)的正常工作（如油耗、動力）等。隨著炭煙顆粒的不斷生成，DPF內(nèi)部捕集到的炭煙顆粒逐漸增多，導(dǎo)致廢氣排氣阻力升高，發(fā)動機(jī)的油耗和動力受到排氣背壓的增加而影響。發(fā)動機(jī)控制單元通過廢氣壓力傳感器監(jiān)測DPF內(nèi)部的壓力，當(dāng)發(fā)動機(jī)控制單元監(jiān)測到DPF內(nèi)部壓力達(dá)到一定值時，廢氣便很難排出，極大地限制了發(fā)動機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，此時發(fā)動機(jī)控制單元控制自行進(jìn)行炭煙顆粒的清潔還原工作，將集聚在DPF內(nèi)部的炭煙顆粒通過高溫燃燒掉，實(shí)現(xiàn)DPF的再生。

2 柴油顆粒過濾器（DPF）的再生

柴油顆粒過濾器（DPF）對炭煙顆粒的過濾效率較高，可達(dá)到60%～90%。在過濾中，顆粒物集聚在顆粒過濾器內(nèi)會導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高，當(dāng)排氣背壓達(dá)到16 kPa～20 kPa時，柴油機(jī)性能開始惡化，因此必須定期地除去顆粒，使顆粒過濾器恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，即再生。DPF面臨的最大挑戰(zhàn)就是再生問題。顆粒過濾器再生的方法主要是微粒氧化，而微粒氧化的要素是高溫、富氧和氧化時間。實(shí)際上柴油機(jī)排氣溫度一般小于500 ℃，特別是一些在城市工況運(yùn)行的公交車的排氣溫度甚至在300 ℃以下。顆粒過濾器再生的關(guān)鍵性問題是降低平衡點(diǎn)溫度，該溫度狀態(tài)下微粒形成和氧化的速度相等，此時背壓較恒定，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。平衡點(diǎn)溫度與流速、微粒成分、NOx含量、含硫濃度、炭煙形成及發(fā)動機(jī)、燃料的參數(shù)有關(guān)。DPF的再生方法有主動再生和被動再生。常用的主動再生方法有燃燒器噴油加熱再生、電加熱再生、微波加熱再生和紅外加熱再生。燃燒器加熱再生即在顆粒過濾器的入口處設(shè)置燃燒器，噴入柴油和二次空氣，燃燒后引燃顆粒過濾器中的炭煙顆粒進(jìn)行再生。采用這種方法要求提供額外的燃油，并且要求恒定燃燒器的溫度，因此需要一套調(diào)節(jié)燃料和二次空氣供給量的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，并且這種燃燒器對車輛駕駛有一定要求，要求再生時不能急加速等，如果再生時急加速就會使氣流撲滅再生的火焰，使燃油未完全燃燒，造成車輛冒白煙的現(xiàn)象。電加熱再生即采用通電加熱的方法對顆粒過濾器加熱，以促使炭煙顆粒起燃。雖然這種再生方法不會有什么冒煙現(xiàn)象，但是電加熱對控制系統(tǒng)的要求比較高，并在車用過程中需要解決耗電量高的問題，中小功率柴油機(jī)不易滿足電能要求。此外，加熱的不均勻性會造成過濾體再生不均勻，過濾體易局部過熱而損壞。微波加熱再生是利用微波獨(dú)有的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，對沉積在過濾體上的炭煙顆粒進(jìn)行加熱，使炭煙顆粒原位加熱著火燃燒。實(shí)現(xiàn)過濾體再生微波加熱是指頻率在300 MHz～300 GHz對物體進(jìn)行加熱，其不同于一般的加熱方式，是材料在電磁場中由介質(zhì)損耗而引起的體加熱，其能量通過空間或媒質(zhì)以電磁波形式傳遞，加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化密切相關(guān)。微波加熱再生的關(guān)鍵技術(shù)在于如何在諧振腔內(nèi)激勵盡可能多的模式及其控制腔內(nèi)炭煙顆粒的燃燒溫度，防止過濾體因溫度過高而損壞。紅外輻射加熱再生方式與其他加熱方式相比較，具有選擇性加熱的特點(diǎn)，能直接加熱受熱體，縮短受熱體加熱到所需溫度的時間，減少能量消耗；紅外再生技術(shù)的再生效率高；最高再生溫度適宜，過濾體溫度梯度小，十分適合蜂窩陶瓷的再生。紅外輻射加熱的這些優(yōu)點(diǎn)跟其加熱機(jī)理有密切的關(guān)系，從紅外輻射加熱的機(jī)理上來講，當(dāng)輻射源的輻射波長與被輻射物的吸收波長相一致時，后者就吸收大量紅外能從而改變和加劇其分子的運(yùn)動，達(dá)到發(fā)熱升溫加熱的作用。常用的被動再生方法有燃料添加劑催化再生過濾器系統(tǒng)、CRT（連續(xù)再生過濾器）系統(tǒng)和CCRT系統(tǒng)。燃料添加劑催化再生過濾器系統(tǒng)的燃料添加劑是一種溶于燃料的催化劑。在發(fā)動機(jī)中燃燒后進(jìn)入排氣，和微粒一起由過濾器捕集，這使得微粒和催化活性成分密切接觸，相當(dāng)于在微粒中加入催化劑，來降低微粒的再生溫度。缺點(diǎn)是燃料添加劑隨著機(jī)動車排氣進(jìn)入大氣中會危害人類健康。CRT由氧化器（DOC）和微粒捕集器（不帶催化涂層的DPF）組成。當(dāng)柴油機(jī)排氣通過氧化催化轉(zhuǎn)化器時，溫度在200 ℃～600 ℃條件下，CO和HC首先幾乎全部被氧化成CO2和H2O，NO被轉(zhuǎn)化成NO2。然后NO2氧化使微粒捕集器中的微粒生成CO2，而NO2又被還原為NO，從而達(dá)到再生微粒的目的。應(yīng)該注意該系統(tǒng)只能應(yīng)用在低硫柴油機(jī)上，因?yàn)檠趸呋瘎┛梢允沽蜓趸黾恿宋⒘５臄?shù)量。同時被動再生需要合適的排氣溫度，溫度太高太低都不行，溫度太低，NO2氧化的速度太慢；溫度太高，NO2分解加速，不能形成足夠的NO2。CRT的再生溫度范圍為240 ℃～450 ℃ ，再生對排氣中NOx/PM比例要求是要大于20：1。CCRT系統(tǒng)也由氧化器（DOC）和微粒捕集器（DPF）組成，但是CCRT的微粒捕集器載體（DPF）上涂有催化劑，這樣在氧化器中產(chǎn)生的NO在微粒捕集器中繼續(xù)可以產(chǎn)生NO2來氧化顆粒物，使得該系統(tǒng)可以更完全去除過濾網(wǎng)的顆粒物。CCRT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是它對再生的條件更加寬松，較低的排氣溫度和排氣中較低的NOx/PM比即可使系統(tǒng)再生。

但是，在上述再生過程中，只是針對DPF內(nèi)部的積炭進(jìn)行清除，而對于非積炭的灰分物質(zhì)根本無法還原分解，這些灰分主要來源于機(jī)油和燃油中的成分，由于灰分不能燃燒，故縮小了顆粒過濾器的有效容積，一定時間后會使微粒過濾器的功能惡化（圖4）。因此，針對帶DPF的柴油車，首先應(yīng)選擇低灰分的機(jī)油及定期對DPF內(nèi)部做清潔再生處理，以保證DPF的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，降低污染物的排放，延長DPF的使用壽命，減少后期維修成本，減少發(fā)動機(jī)動力損失和降低燃油消耗。定期清潔DPF完全可以選擇德國力魔的DPF原裝進(jìn)口清潔劑產(chǎn)品——LM-5169柴油顆粒過濾器清潔劑（圖5a）和LM-5171柴油顆粒過濾器沖洗液（圖5b）。LM-5169是一款非常有效的清潔分散劑，能夠迅速溶解附著在DPF表面的炭煙和灰分等物質(zhì)。LM-5171是一款高效的沖洗液，在使用力魔柴油顆粒清潔劑后使用，能夠把清潔過程中被溶解的顆粒分布在DPF內(nèi)壁周圍，使其燃燒掉。因此，定期使用該產(chǎn)品，可以極大地延長DPF的使用壽命，減少后期維修更換的成本，同時有效地降低顆粒物排放。

2015-10-11）