涂覆量對CDPF壓降和再生特性影響的研究*

劉洪岐，高 瑩，方茂東，陳 偉,李 云

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300300；3.中自環保科技股份有限公司，成都 610036)

2016126

涂覆量對CDPF壓降和再生特性影響的研究*

劉洪岐1，高 瑩1，方茂東2，陳 偉1,李 云3

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300300；3.中自環保科技股份有限公司，成都 610036)

本文中通過臺架試驗研究了3種不同貴金屬涂覆量對柴油機微粒捕集器載體壓降和再生特性的影響，結果表明，18和24g/L涂覆量對載體壓降影響相似，最大增加0.19kPa，壓降最大增加率為13.4%，30g/L涂覆量載體壓降最大增加0.39kPa，壓降最大增加率為36.7%。通過被動再生過程的試驗可以看出，增加貴金屬涂覆量可提高被動再生率,增加再生量，進而延長主動再生周期，改善載體耐久性能。

顆粒捕集器； 涂覆； 壓降； 再生

前言

汽車尾氣是造成大氣霧霾的重要因素。其中全國柴油車PM排放超過汽車排放總量的90%[1]。降低柴油車污染物排放成為迫切需求。柴油機微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)作為一種重要技術手段，在降低顆粒物排放方面已經得到廣泛認可[2-3]。隨著顆粒物在捕集器內不斷沉積，發動機排氣背壓不斷上升，再生成為必須要解決的需求。當柴油機微粒捕集器的載體涂覆貴金屬催化劑，則稱為催化型柴油機微粒捕集器(catalytic diesel particulate filter，CDPF)。通過貴金屬Pt，Pb和Rh的涂覆可以降低載體內再生反應溫度，但是載體貴金屬涂覆量的差異會帶來產品性能和成本的改變，貴金屬涂覆狀態如圖1和圖2所示。

目前，國內外對載體的催化劑涂覆研究集中在涂覆方式[4]和貴金屬配比等方面[5]。近年來國內學者針對DPF進行了大量深入的研究[6-8]，取得了比較有意義的研究成果。現有研究主要集中在已有的壁流式結構基礎上，分析影響載體性能的因素[9]，但對催化劑涂覆量引起的載體壓降和再生性能的降低鮮有報道。貴金屬涂覆在提升再生性能的同時會使載體的孔隙率和滲透率降低，進而影響發動機排氣背壓，使發動機缸內燃燒惡化，導致污染物排放增加。因此，有必要進一步研究涂覆量差異帶來的載體性能的改變。本文中以3種不同涂覆量的載體為研究對象，對比分析了載體潔凈狀態背壓、催化再生效率和氣體組分的變化，為催化劑涂覆量的合理選擇提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗臺架與載體選擇

試驗臺架如圖3所示。試驗發動機為中型柴油機，其參數見表1，燃油選用國IV標準柴油。臺架排氣系統具有旁通冷卻系統，通過控制旁通閥調整在同一工況下的排氣溫度。氣體組分測試選用兩套HORIBA 7100DEGR進行監測；選用PT200熱電偶測量載體入口與出口溫度，采用流量計計量發動機進氣量，使用VALIDYNE P55D1壓力傳感器測量載體前后的壓降。

試驗選擇了3種涂覆量的貴金屬載體，涂覆量分別為18，24和30g/L，同時選擇了一個同等型號白載體作為參照，載體其他參數相同，見表2。

表1 試驗發動機技術參數

表2 CDPF載體結構參數

1.2 試驗方案

試驗過程中由于發動機始終在排放顆粒物，因此為測量載體潔凈狀態壓降特性，選擇在被測顆粒捕集器前端加裝一個無涂覆微粒捕集器起凈化作用，保證進入待測載體的發動機尾氣只有氣體組分，這樣可以保證在測試過程中基本沒有碳煙加載。測試載體安裝在后端，安裝示意圖如圖4所示。

被動再生過程中采用同樣的方案進行測試，但是由于載體前端起過濾作用的載體選擇無貴金屬涂覆白載體，防止NO轉化為NO2。通過前端加裝無涂覆載體可單獨研究被動再生過程，防止邊加載邊再生的情況，保證單獨分析再生過程。

2 結果分析

2.1 潔凈狀態壓降特性

載體潔凈狀態壓降是基礎壓降，加載和再生過程壓降的變化都是在此基礎上增加的。貴金屬涂覆會對載體本身滲透率產生一定影響，進而影響載體壓降特性。微粒捕集器潔凈狀態壓降主要由三部分組成[9]，包括入口孔道、出口孔道和過濾壁面的壓降。根據研究，潔凈狀態下入口孔道與出口孔道壓降是一樣的：

(1)

(2)

過濾壁面壓降[10]為

(3)

(4)

式中：Vtrap=πD2L/4；Δpinlet-channel為入口通道壓降；Δpoutlet-channel為出口通道壓降；Δpfilter-wall為載體壁面壓降；Δpall為載體總壓降；k0為潔凈壁面滲透率，m2；μ為排氣動力黏度，(N·s)/m2；U為入口通道速度，m/s；α為捕集器通道寬度，m；L為捕集器長度，m；ωs為捕集器通道壁厚，m；F為摩擦因數，取常數28.454；σ為孔隙密度，m-2；Q為實際排氣體積流量，m3/s。

從式(1)和式(2)可以看出，結構參數中載體體積、孔道寬度和過濾壁厚度影響入口孔道和出口孔道壓降。由于試驗過程中載體始終處于潔凈狀態，因此結構參數不會發生改變。但是，載體貴金屬涂覆會進入載體過濾壁面內部，因此其潔凈狀態滲透率會發生變化。隨著涂覆量增加，載體壁面滲透能力可能會減弱，即滲透率會有所降低，進而導致載體壓降進一步增加。因此涂覆量及分散度會嚴重影響載體本身的壓降性能。

試驗中，分別對無貴金屬涂覆載體和18，24，30g/L涂覆量載體進行壓降測試。分析溫度和涂覆量在不同空速下對載體壓降的影響。

2.1.1 排溫對壓降的影響

試驗選擇9個工況點，控制空速為24 000～56 000h-1，通過控制旁通閥，調整進入載體的排氣溫度，測試不同排溫下涂覆量對載體壓降特性的影響，結果如圖5～圖8所示。由圖可見，在相同的空速下，入口溫度升高50℃，無貴金屬涂覆載體的壓降最大升高0.27kPa；而涂覆量為18，24和30g/L的貴金屬載體，壓降最大升高分別為0.31，0.41和0.44kPa；綜合來看，載體涂覆貴金屬后，壓降受載體入口溫度影響基本維持在每上升50℃增加0.3～0.5kPa。

2.1.2 涂覆量對壓降的影響

通過試驗分別測量了3種涂覆量載體在相同入口溫度(325℃)，不同排氣流速下的壓降變化，結果如圖9所示。由圖可見，30g/L涂覆量載體潔凈狀態壓降，明顯高于18和24g/L涂覆量載體，與潔凈載體相比，18，24和30g/L涂覆量的載體壓降最大分別增加0.12，0.19和0.39kPa。

通過試驗結果辨識載體的參數，可以得出無涂覆載體滲透率為1.152×10-13m2，而18，24和30g/L涂覆量載體潔凈狀態滲透率分別為9.88×10-14， 9.33×10-14和8.68×10-14m2。隨著貴金屬涂覆量增加，滲透率逐漸減小，但并沒有量級的改變。

通過與無涂覆載體潔凈壓降對比，計算其壓力升高率η：

(5)

式中：pcat為涂覆載體壓降；pwithout為無涂覆載體壓降。

壓降增加率如圖10所示。由圖可見：18和24g/L涂覆量并未引起壓力明顯增加，兩種涂覆量載體壓降增加最大相對值為13.4%，增加最大絕對值為0.19kPa；而30g/L涂覆量壓降與無涂覆載體相比有了明顯增加；在26 000h-1空速下壓降增加率最大，達到36.7%，而最大壓降增加絕對值為0.39kPa，壓降增加率為17.3%；30g/L涂覆量對壓降產生了相對較大的影響。

2.2 被動再生影響分析

由于NO2的強氧化性，碳煙顆粒在排氣溫度350℃左右時達到再生平衡點，即單位時間內加載量與再生量相等。為使載體保持被動再生，設定發動機運行工況為1 300r/min，350N·m，載體入口溫度為400℃，空速為36 000h-1，按照1.2節的安裝方法，分別測試3種載體再生過程壓降、NOx和NO2的變化規律。雖然載體入口NO2含量很少，但CDPF內部可以通過催化轉化，將NO轉化成NO2：

(6)

且NO2多次發生此反應，如圖11所示。再生試驗進行100min，前端安裝提供過濾功能的載體，后端依次安裝加載后不同涂覆量的載體。

18g/L涂覆量載體再生過程壓降的變化如圖12所示。18g/L涂覆量載體再生之前碳煙加載量為30.8g，經過再生反應減少了26.2g，再生率為85.1%；再生后壓降為2.2kPa。18g/L涂覆量載體前后端NOx/NO2變化如圖13所示。由圖可見，入口處NO2的體積分數為20×10-6～40×10-6，出口處NO2高于入口處NO2，且較為穩定，基本保持在180×10-6，占總NOx的比例為30.2%。進一步驗證了在載體內部經過與貴金屬接觸會發生式(6)的反應。

24g/L涂覆量載體再生壓降變化如圖14所示，24g/L涂覆量載體再生之前碳煙加載量為31.2g，再生后碳煙加載量減少了27.3g，再生率為87.5%。再生后壓降為2.0kPa。24g/L涂覆量載體前后端NOx變化如圖15所示，出口處NO2含量較為穩定，基本維持在220×10-6，占總NOx的比例為35.4%，2 900s后略有升高，達到230×10-6。原因在于經過再生后，NO與催化劑表面的接觸面積增加，進而促進了式(6)反應的發生。

30g/L涂覆量載體再生壓降變化如圖16所示，30g/L涂覆量載體再生前加載量為33.1g，再生后加載量減少了29.5g，再生率為89.1%，再生后壓降為2.0kPa。出口處NO2含量變化可分為兩個階段，如圖17所示，第一階段基本保持在220×10-6，在3 300s后逐漸升高至240×10-6，達到NOx總量的40.3%。

綜合以上試驗結果可以看出，增加涂覆量可以提升被動再生率，再生總量也在不斷增加，30g/L涂覆量載體再生率比18g/L涂覆量載體提升2.5%，再生量增加3.3g，有效增強了再生能力；同時出口處NO2的含量會進一步提升10.1%，為未來集成后處理系統中SCR系統入口狀態提供更加理想的氣體組分，促進SCR中快反應的發生。

3 結論

(1)貴金屬涂覆量增加會增大CDPF壓降，18和24g/L涂覆量對壓降影響很小，最大僅增加0.19kPa。30g/L涂覆量載體壓降增加0.39kPa。

(2)隨著貴金屬涂覆量的增加，被動再生率不斷提升，18，24和30g/L涂覆量載體的再生率分別達87.5%，85.6%和89.1%。

(3)綜合來看，24g/L涂覆量的載體既能保持再生率的提升，又能使載體產生較小的壓降，是3種涂覆量中較為合適的選擇。

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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

*國家科技支撐計劃(2014BAG11B01)資助。

原稿收到日期為2016年1月20日，修改稿收到日期為2016年2月22日。