灰分沉積對DPF內顆粒沉積影響的試驗研究

蒲云飛，孟忠偉

(1.成都航空職業技術學院汽車工程學院，四川 成都 610100；2.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039;3.汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

柴油機由于具有較高的熱效率和經濟性，較低的CO2排放等優點而被廣泛地應用于運輸業中，但是其顆粒物排放量大，會對環境造成嚴重的污染[1]。為滿足嚴格的排放標準，需要有效、可靠的減排技術以降低顆粒物排放[2]。從控制技術上來看，僅靠柴油機機內凈化和改善燃油品質已經難以滿足目前的排放標準[3]。目前，滿足“國Ⅳ”排放法規的柴油機都普遍需要采用后處理技術，并且未來更嚴格的排放法規將對后處理技術提出更高的要求[4]。

柴油機顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是降低柴油機排氣顆粒物的重要手段[5]，也是目前后處理技術中商業應用前景最好的技術之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交錯式的結構，具有極高的捕集效率(物理捕集柴油機顆粒[7]，顆粒捕集效率常常高于95%[8-9])，得到了廣泛的應用。

長時間工作后，DPF內灰分的積累會直接影響過濾壓降，導致其工作性能惡化[10]。Sappok等比較了顆粒加載時，有無灰分對過濾壓降的影響，結果表明：在有大量灰分沉積條件下的過濾壓降遠大于無灰分沉積時[11]。而灰分沉積后，過濾壓降顯著增加是在灰燼的深床沉積階段[12]。為降低過濾壓降，Bollerhoff等人提出了一個新的雙層過濾壁面技術，并且證實在DPF表面涂敷一層致密過濾介質后，可以有效地減少顆粒物在深床過濾期階段沉積量，降低過濾壓降[13]。在潔凈的DPF上沉積一定量的灰分后，也能達到相同的效果[14-15]。

上述文獻中，在標準DPF沉積一定量的灰分有類似雙層過濾壁面技術的“覆膜”效果，但這個量在怎樣一個范圍內可以達到該效果，降低過濾壓降，產生有利的一面仍是需要研究的。

本研究搭建了DPF沉積過程可視化臺架系統，探究灰分在怎樣的范圍內可以達到降低過濾壓降的效果。

1 試驗系統及試驗方法

1.1 可視化臺架

實驗室搭建的可視化臺架系統見圖1。通過真空泵抽氣，顆粒流進入可視化臺架系統主體段，顆粒物在DPF載體切片(從載體上切割加工而成，30 mm×60 mm)上進行沉積。使用高精度2D激光位移傳感器(KEYENCE，LJ-G080，精度1 μm，測量寬度40 mm，650個測點)測量顆粒在DPF上的沉積厚度；使用壓力表(精度0.01 kPa)測量過濾壓降；使用質量流量控制器(量程20 L/min)控制抽氣流量，實現定流量過濾，保證過濾速度≤0.15 m/s；在流量計前加裝空氣過濾器過濾水分以及穿透主體段的顆粒物，防止其進入質量流量控制器，導致損壞；使用計算機采集激光位移傳感器及壓力表的數據。

可視化臺架系統主體段結構見圖2。激光通過可視化窗口對DPF載體切片上沉積的顆粒層厚度進行測量，DPF切片可從主體段上取出。

圖2 可視化臺架系統主體段

1.2 試驗設備及材料

試驗采用的DPF載體為堇青石壁流式蜂窩陶瓷過濾體(CPSI=100)。使用的碳黑為Printex-U碳黑，其特性與柴油機顆粒近似，常被用于模擬柴油顆粒物[16]，Printex-U碳黑參數如表1所示。

表1 試驗碳黑參數

選取了3種灰分模擬柴油機煙灰分，用以對灰分結構、成分進行對比，其參數如表2所示。

表2 灰分參數

氣溶膠發生器為實驗室自制的鼓風式碳黑顆粒分散器。此外，灰分沉積裝置示意見圖3，在進行灰分沉積時，通過酒精的自然蒸發，灰分均勻沉積在DPF載體切片上。

圖3 灰分沉積裝置示意

2 試驗結果及分析

通過預先在DPF白載體切片上沉積部分灰分，然后進行顆粒物沉積來研究不同灰分沉積量下DPF的過濾壓降，以及灰分粒徑與灰分成分對過濾壓降的影響。

2.1 灰分沉積量對DPF顆粒沉積過程的影響

在本次試驗中，選取5 000目空心微珠，過濾速度0.02 m/s。由圖4可知：隨著灰分的沉積，初始壓降增加，灰分初始壓降從0 g/L的490 Pa上升到6 g/L的770 Pa，且與灰分沉積量呈線性關系，即1 g/L的灰分可以引起42.53 Pa的壓降。

圖4 灰分初始壓降(5 000目)

灰分的沉積對DPF顆粒沉積過程的影響見圖5。由圖5可知：隨著灰分沉積量的增加，初始壓降增加，過濾壓降在表面過濾階段呈現出先降低再增加的趨勢。1 g/L的灰分沉積是降低過濾壓降的最好條件，當灰分沉積低于4 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段低于白載體。在這種條件下，可通過改進過濾過程以減少顆粒物在深床過濾階段的持續時間。因為開始加載的灰分充當煙顆粒物進入過濾體的微孔內，可以減少柴油機顆粒物的深床過濾階段，因此，如果更快結束深床過濾階段，過濾壓降可降低到一個較低的水平。另一方面，當灰分沉積高于4 g/L時，過濾壓降始終比無灰分時大。因此，灰分的沉積對壓降有正面和負面兩方面影響。通過該實驗驗證了灰分沉積降低過濾壓降的可能性。此外，在任意灰分沉積量下，當顆粒沉積進入表面過濾階段時，過濾壓降增長率幾乎相同，這是因為此時引起壓降增長的原因是顆粒層。

圖5 灰分沉積對過濾壓降的影響(5 000目)

2.2 灰分結構對DPF顆粒沉積過程的影響

在本次試驗中，選取1 250目空心微珠，過濾速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠進行對比，研究灰分粒徑變化對DPF顆粒沉積過程的影響。

對于1 250目與5 000目空心微珠，隨著沉積量的增加，初始壓降都隨之增大。從圖6可以看出：1 250目空心微珠初始壓降從0 g/L的490 Pa上升到6 g/L的720 Pa，且初始壓降與灰分沉積量呈線性關系，即1 g/L的灰分可以引起37.34 Pa的壓降。在相同沉積量下，1 250目空心微珠的過濾壓降要低于5 000目空心微珠，這是因為1 250目空心微珠粒徑較大，而粒徑較小的灰分更容易進入DPF微孔，發生堵塞，造成高的過濾壓降。

圖6 灰分初始壓降對比(1 250目對比5 000目)

1 250目空心微珠的沉積對DPF顆粒沉積過程的影響如圖7所示。由圖7可知：當灰分沉積低于4 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段低于白載體，但當灰分沉積高于6 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段高于白載體。基于此，進行了5 g/L的沉積試驗(見圖8)。由圖8可知：灰分沉積在5 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段幾乎與白載體持平。

圖7 灰分沉積對過濾壓降的影響(1 250目)

圖8 5 g/L灰分沉積與無灰分沉積的顆粒沉積對比

在相同沉積量下(4 g/L)，1 250目與5 000目空心微珠過濾壓降隨顆粒沉積量變化如圖9所示。由圖9可知：1 250目空心微珠的過濾壓降始終要低于5 000目空心微珠，這是因為1 250目空心微珠初始壓降相對較低，并且大粒徑灰分的孔隙率要大于小粒徑灰分，而且在表面過濾階段過濾壓降增長率幾乎相同，使得過濾壓降比5 000目空心微珠低。這說明大粒徑灰分對沉積有積極的影響，顆粒物進入DPF微孔的量相對較少，但粒徑仍在一定范圍，否則過大的粒徑就起不到所謂“覆膜”的作用。

圖9 灰分粒徑對過濾壓降的影響

2.3 灰分成分對DPF顆粒沉積過程的影響

在本次試驗中，選取UPC998MF α-Al2O3作為灰分，過濾速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠進行對比，研究灰分成分變化對DPF顆粒沉積過程的影響。

對于α-Al2O3與5 000目空心微珠，隨著沉積量的增加，初始壓降都增大。從圖10可以看出：UPC998MF α-Al2O3初始壓降從0 g/L的490 Pa上升到4 g/L的680 Pa，且初始壓降與灰分沉積量呈線性關系，即1 g/L的灰分可以引起49.6 Pa的壓降。在相同沉積量下，5 000目空心微珠的過濾壓降要低于α-Al2O3，這是因為空心微珠是SiO2與α-Al2O3的混合物，而純α-Al2O3總體粒徑相對更小，而粒徑較小的灰分更容易進入DPF微孔，發生堵塞，造成高的過濾壓降。

圖10 灰分沉積壓降對比(α-Al2O3對比5 000目)

α-Al2O3的沉積對DPF顆粒沉積過程的影響如圖11所示。由圖11可知：當灰分沉積低于4 g/L時，其過濾壓降在表面過濾階段高于白載體，但當灰分沉積低于2 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段低于白載體，基于此，進行了3 g/L的沉積試驗(見圖12)。由圖12可知：灰分沉積在3 g/L時，過濾壓降在表面過濾階段幾乎與白載體持平。

圖11 灰分沉積對過濾壓降的影響(α-Al2O3)

圖12 3 g/L灰分沉積與無灰分沉積的過濾壓降對比

在相同沉積量下(4 g/L)，α-Al2O3與5 000目空心微珠過濾壓降隨顆粒沉積量變化如圖13所示。從圖13可以看出：α-Al2O3過濾壓降始終要高于5 000目空心微珠，這是因為α-Al2O3初始壓降相對較高，并且小粒徑灰分的孔隙率要小于大粒徑灰分，而且在表面過濾階段過濾壓降增長率幾乎相同，使得過濾壓降比5 000目空心微珠高。但小粒徑灰分對沉積依然有積極的影響，小粒徑灰分本身就類似顆粒物進入DPF微孔，阻止了更小粒徑的顆粒物進入。可以看出，灰分成分的對比其實也是灰分粒徑的對比。

圖13 灰分粒徑對過濾壓降的影響(α-Al2O3，5 000目)

綜上所述，3種灰分在一定量下有降低過濾壓降的效果，但因為灰分的粒徑、成分不同，其量也有差別。

3 結論

a) 灰分沉積時，DPF初始壓降增加，并且初始壓降隨灰分沉積量呈現線性關系；

b) 當過濾速度在0.02 m/s時，對于5 000目空心微珠、1 250目空心微珠以及α-Al2O3，灰分沉積量分別小于4 g/L，5 g/L，3 g/L時，過濾壓降明顯低于潔凈DPF，證明了灰分的沉積可以使過濾壓降降低，但當灰分沉積量大于上述值時，過濾壓降高于潔凈DPF，因此，灰分的沉積對過濾壓降來講，有正面影響，也有負面影響；

c) 灰分的粒徑相對越大，過濾壓降相對越小，因為大粒徑灰分的孔隙率要大于小粒徑灰分，顆粒物進入DPF微孔的量相對較少，大粒徑灰分起到“覆膜”作用，對沉積有積極的影響；

d) α-Al2O3相對空心微珠初始壓降較大，因為空心微珠是SiO2與Al2O3的混合物，而純Al2O3總體粒徑相對更小，更容易進入DPF微孔，而小粒徑灰分本身就類似顆粒物進入DPF微孔，阻止了更小粒徑的顆粒物進入，對沉積有積極的影響。