柴油顆粒過濾器（DPF）尾氣處理及再生原理

南京農業大學工學院（210032） 張大成

柴油顆粒過濾器（DPF）尾氣處理及再生原理

南京農業大學工學院（210032） 張大成

當前汽車工業中，內燃機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》對在用機動車尾氣排放提出了更加嚴格的要求，世界各國也均制定了更加嚴格的排放法規，以降低汽車尾氣排放對環境的污染。柴油發動機尾氣排放因大眾公司的“尾氣門”事件，更是引發全球密切關注。柴油機有害顆粒物排放始終是汽車工程師們關注的焦點之一。目前，歐洲甚至全球均頒布了非常嚴格的汽車尾氣排放標準，由歐洲經濟委員會（ECE）的汽車尾氣排放法規和歐盟（EU）的汽車尾氣排放指令共同加以實現的歐洲汽車尾氣排放標準，是歐盟國家為限制汽車尾氣排放污染物對環境造成危害而共同采用的汽車尾氣排放標準，當前對幾乎所有類型的車輛排放的氮氧化物（NOx）、碳氫化合物（HC）、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，汽車尾氣排放標準有所不同。在歐洲，汽車尾氣排放標準一般每4年更新1次，相對于美國和日本的汽車尾氣排放標準而言，其測試要求比較寬泛，因此，歐洲汽車尾氣排放標準也是發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準便是參照歐洲汽車尾氣排放標準制定的，我國于2001年實施的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅰ）》等效于歐Ⅰ標準（EU Ⅰ或EURO Ⅰ），2004年實施的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅰ）》等效于歐Ⅰ標準（EUⅠ或EUROⅠ），2007年實施的國ⅠⅠ標準相當于歐ⅠⅠ標準（EUⅠⅠ或EUROⅠⅠ），2010年實施的國Ⅳ標準相當于歐Ⅳ標準（EU Ⅳ或EURO Ⅳ）。表1所列為歐Ⅰ至歐Ⅵ汽車尾氣排放標準具體的排放污染物要求。由表1可見，歐Ⅵ標準相對于歐Ⅴ對PM有了更嚴格的限制和要求。在國Ⅳ時代柴油機尾氣后處理裝置有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，利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理；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），針對燃燒產生的微粒進行處理的EGR（廢氣再循環）技術。目前人們公認的降低柴油機PM的有效途徑是采用DPF，國Ⅳ升級到國Ⅴ標準時，PM將是重點解決的問題，解決方式就是采用DPF。

表1 歐Ⅰ至歐Ⅵ汽車尾氣排放標準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通過表面和內部混合的過濾裝置捕捉顆粒，例如擴散沉淀、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，是凈化柴油機顆粒物最有效、最直接的方法之一，已在國際上實現了商品化。為滿足歐Ⅵ或美國2010排放法規，柴油機排氣后處理系統將會更加復雜，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下（圖3），由于DPF內部沒有任何存量的顆粒堵塞，廢氣流動阻力非常低，不會影響發動機的正常工作（如油耗、動力）等。隨著炭煙顆粒的不斷生成，DPF內部捕集到的炭煙顆粒逐漸增多，導致廢氣排氣阻力升高，發動機的油耗和動力受到排氣背壓的增加而影響。發動機控制單元通過廢氣壓力傳感器監測DPF內部的壓力，當發動機控制單元監測到DPF內部壓力達到一定值時，廢氣便很難排出，極大地限制了發動機的動力性和燃油經濟性，此時發動機控制單元控制自行進行炭煙顆粒的清潔還原工作，將集聚在DPF內部的炭煙顆粒通過高溫燃燒掉，實現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，可達到60%～90%。在過濾中，顆粒物集聚在顆粒過濾器內會導致柴油機排氣背壓升高，當排氣背壓達到16 kPa～20 kPa時，柴油機性能開始惡化，因此必須定期地除去顆粒，使顆粒過濾器恢復到原來的工作狀態，即再生。DPF面臨的最大挑戰就是再生問題。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。實際上柴油機排氣溫度一般小于500 ℃，特別是一些在城市工況運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鍵性問題是降低平衡點溫度，該溫度狀態下微粒形成和氧化的速度相等，此時背壓較恒定，系統處于平衡狀態。平衡點溫度與流速、微粒成分、NOx含量、含硫濃度、炭煙形成及發動機、燃料的參數有關。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，因此需要一套調節燃料和二次空氣供給量的自動調節控制系統，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象，但是電加熱對控制系統的要求比較高，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有的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內部形成空間分布的熱源，對沉積在過濾體上的炭煙顆粒進行加熱，使炭煙顆粒原位加熱著火燃燒。實現過濾體再生微波加熱是指頻率在300 MHz～300 GHz對物體進行加熱，其不同于一般的加熱方式，是材料在電磁場中由介質損耗而引起的體加熱，其能量通過空間或媒質以電磁波形式傳遞，加熱過程與物質內部分子的極化密切相關。微波加熱再生的關鍵技術在于如何在諧振腔內激勵盡可能多的模式及其控制腔內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，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點跟其加熱機理有密切的關系，從紅外輻射加熱的機理上來講，當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動，達到發熱升溫加熱的作用。常用的被動再生方法有燃料添加劑催化再生過濾器系統、CRT（連續再生過濾器）系統和CCRT系統。燃料添加劑催化再生過濾器系統的燃料添加劑是一種溶于燃料的催化劑。在發動機中燃燒后進入排氣，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，相當于在微粒中加入催化劑，來降低微粒的再生溫度。缺點是燃料添加劑隨著機動車排氣進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。當柴油機排氣通過氧化催化轉化器時，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，從而達到再生微粒的目的。應該注意該系統只能應用在低硫柴油機上，因為氧化催化劑可以使硫氧化而增加了微粒的數量。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，這樣在氧化器中產生的NO在微粒捕集器中繼續可以產生NO2來氧化顆粒物，使得該系統可以更完全去除過濾網的顆粒物。CCRT系統的優點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比即可使系統再生。

但是，在上述再生過程中，只是針對DPF內部的積炭進行清除，而對于非積炭的灰分物質根本無法還原分解，這些灰分主要來源于機油和燃油中的成分，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，首先應選擇低灰分的機油及定期對DPF內部做清潔再生處理，以保證DPF的實際轉換效率，降低污染物的排放，延長DPF的使用壽命，減少后期維修成本，減少發動機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原裝進口清潔劑產品——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。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內壁周圍，使其燃燒掉。因此，定期使用該產品，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）