DPF的工作原理及再生方式

孫浩銘　邱華榮　成龍偉　曹宇　張正軍　胡鵬

摘 要：基于節能減排，保護環境的理念，日益嚴格的排放法規被發布出來。DPF技術能實現對柴油機顆粒排放物的有效凈化，而低溫等離子體技術應用在DPF上效果更佳。DPF的再生方式可以分為兩大類，分別是主動再生與被動再生。

關鍵詞：柴油機 顆粒捕集器 節能減排 空氣污染 低溫等離子體 再生

DPF Working Principle and Regeneration Method

Sun Haoming Qiu Huarong Cheng Longwei Cao Yu Zhang Zhengjun Hu Peng

Abstract：Based on the concept of energy saving， emission reduction and environmental protection， increasingly strict emission regulations have been issued. DPF technology can achieve effective purification of diesel particulate emissions， while low-temperature plasma technology is more effective when applied to DPF. DPF regeneration methods can be divided into two categories， namely active regeneration and passive regeneration.

Key words：diesel engine， particle trap， energy saving and emission reduction， air pollution， low temperature plasma， regeneration

1 引言

隨著汽車生產率和資源保有率的迅速提高，車用柴油機所排放的廢物對環境及人體造成的危害也逐漸被發現和確認。目前，由美國、日本和歐洲的污染物排放法規構成了全球三大污染物排放法規體系，對各大車企減排技術路線有著重要的影響。中國的排放法規在各發展階段都是參照歐洲排放法規制定，于2000年在全國范圍內對車用柴油機實施國I排放法規，并每隔3～5年就會對污染物管理方案和法規的內容進行一次更新。于2018年1月1日全面實施的國V排放法規，對車用柴油機顆粒物（Paticulate Matter，PM）排放限值已由國IV的0.025g/km降至0.0045 g/km^[1-2]。而自2021年7月1日起，將對車用柴油機實施更加嚴格的國VI排放法規。

排放法規日益嚴格，促使柴油機后處理凈化技術迅速發展。其中的柴油機顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）技術對PM的捕集效率高達90%以上。

2 PM的危害

PM是指大氣中的固體或液體顆粒狀物質。而車用柴油機的排氣PM是指發動機排氣經凈化的空氣稀釋后，在溫度低于53℃時，從國家規定的過濾介質上采集的全部物質。柴油車排放的PM中由多種不同粒徑的顆粒物組成，其粒徑范圍可達到3個數量級或更高。了解不同粒徑PM之間的差異極其重要，因為它們會到達人體不同的組織位置，對人體的健康會產生不同程度的影響。粒徑≥7μm的PM僅能進入人體的鼻咽，不會對人體造成影響，粒徑在4.7～7.7μm的PM能進入人體的氣管，3.3～4.7μm的PM能進入人體氣管的深處，2.1～3.3μm的PM能進入人體支氣管樹的樹枝，而1.1～2.1μm的PM已能進入人體支氣管樹的樹枝頂部，0.65～1.1μm的PM甚至能直接進入人體的肺部組織。由此可見，幾乎所有的柴油機排放PM都能進入人體，對人體的健康造成不良影響。

PM與各種肺部疾病和心臟病的發作有關，每年造成700萬人死亡，以致被稱為人類健康面臨的最大環境風險，并列為1類致癌物。而DPF技術可以有效處理柴油機排放PM，所以發展DPF技術不僅對環境有好處，對人體的身體健康也將帶來益處。

3 DPF工作原理

DPF凈化排氣中PM的基本過程是利用過濾介質把排氣中PM分離出來并沉積下來的過程。根據過濾介質孔隙大小的差別，氣固分離的機理可分為表面過濾和深床過濾。表面過濾的特點是采用微孔粒徑小于排氣中PM粒徑的過濾介質，使排氣中的PM分離;當排氣通過過濾介質時，排氣中的PM被截留在過濾介質的一側。過濾介質的微孔粒徑大于排氣中PM的粒徑，排氣通過過濾介質時，排氣中的PM不易被過濾介質截留，但伴隨過濾介質的厚度增加，排氣中PM被截留在過濾介質內部微孔中的數量同時增加，對PM同樣有過濾的功能。通常規定把采用一定厚度過濾介質的分離方式叫做深床過濾。深床過濾方式中PM被捕集的機理有過濾介質對PM的攔截、PM的慣性沖擊、布朗運動、PM與過濾介質之間靜電的吸引力等。通常情況下，攔截、慣性和擴散的捕集率較高，靜電吸引力的捕集率較低，可以忽略。由于多孔介質的結構形式和壁面微孔平均粒徑大小不同，內燃機排氣PM粒徑分布范圍極廣，所以DPF對PM的過濾方式一般不能采用單一的方式。

目前，市場上流通的DPF主要是壁流式DPF，類似于網袋結構如圖1，其實際過濾方式既有表面過濾，也有深床過濾，其捕集效率可達90%以上。

隨著PM的不斷累積，DPF兩側的縱向排氣壓差將會逐漸增大，從而導致柴油機的排氣背壓增加，影響柴油機正常工作性能并造成安全隱患[3]。因此，DPF在設計上必須考慮過濾效率、壓差損失、耐高溫、抗灰分腐蝕、清灰里程等^[4-5]。對累積的PM進行去除的這一過程被稱為DPF的再生^[6]。DPF的再生方式可分為主動再生和被動再生。

4 再生方式

4.1 主動再生

主動再生是指利用外加能量提高DPF過濾體溫度，燃燒去除PM，如圖2所示。當DPF中的溫度達到550℃時，沉積的PM就會發生氧化燃燒。如果溫度達不到550℃，沉積的PM就會堵塞DPF，降低DPF捕集效率。因此，需要依靠添加電加熱器或燃料噴射等熱管理措施，提高系統溫度，使PM得以繼續發生氧化燃燒。

4.2 被動再生

被動再生是利用燃油添加劑或者催化劑等措施來降低PM氧化所需的活化能，使PM能在正常的柴油機排氣溫度下著火燃燒，以達到去除PM的目的，如圖3所示。添加劑的用量對排氣系統具有一定程度的影響，若添加劑過多會影響DOC的使用壽命，但是如果過少，就會引發再生延遲及再生溫度升高。與主動再生相比，被動再生對溫度的要求不高，可以減少能耗，以便實現DPF的連續再生。但僅靠被動再生無法滿足柴油機全部工況范圍內的正常運作，大量實踐證明，被動再生應與主動再生結合使用。

4.3 低溫等離子體技術再生

雖然DPF的主動再生和被動再生都可以實現DPF的再生，但是都存在著一定的問題。主動再生技術存在加熱不均勻，熱腐蝕等問題。被動再生技術存在著添加劑老化、硫中毒和二次污染的風險。因此，尋找一種避免上述問題和風險的新式DPF再生技術十分必要。低溫等離子體（Non-thermal Plasma，NTP）技術是一種處理有害污染物的新型控制處理技術。不同于傳統再生技術，NTP再生DPF具有無需添加劑、降低能耗和再生溫度低的優點，擁有一定的發展前景。其工作機理在于利用活性物質與PM發生反應，氧化去除PM實現DPF再生。

Okubo等[7]將NTP廢氣發生器的控制制動裝置中所控制產生的活性物質直接通入柴油機排氣管中的DPF上游，發現DPF可在低于300℃的情況下實現再生。Babaie等[8]已經充分確認O3是NTP用于間接消除柴油機排氣中PM的重要成分。Shi Yunxi等進行了NTP離線再生DPF的試驗研究，該所在實驗室的一項研究實驗結果表明，當系統工作溫度達到80℃時，DPF再生效果是最佳的。

5 結束語

綜上所述，車用柴油機PM排放是中國城市大氣污染的主要來源之一，對人體和環境都有一定程度的傷害。目前，中國正在進一步加強對于大氣污染的治理，越來越嚴苛的污染物排放管理法規標準正在出臺，而DPF能有效降低柴油機PM排放，DPF將展現它的用武之地。但DPF的再生技術尚不完善，還應繼續發展進步。

基金項目：江蘇大學2020年大學生實踐創新訓練計劃項目，項目編號：202010299613X。

參考文獻：

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[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）：GB18352.5-2013[S]. 北京：中國環境科學出版社，2013.

[3]董紅義，帥石金，李儒龍，等.柴油機排氣后處理技術最新進展與發展趨勢[J]. 小型內燃機與摩托車，2007，36（3）：87-92.

[4]Johnson T. Vehicular Emissions in Review，SAEInt.J.Engines，2014，7（3）：1207-1227.

[5]Johnson T. Vehicular Emissions in Review，SAEInt.J.Engines，2013，6（2）：699-715.

[6]Li J， Mital R. Effect of DPF design parameters on fuel economy and thermal durability[R].SAE Technical Paper， 2012.

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[8]Babaie M，Davari P，Talebizadeh P，et al. Performance evaluation of non-thermal plasma on particulate matter， ozone and CO2 correlation for diesel exhaust emission reduction[J]. Chemical Engineering Journal， 2015， 276（2）：240-248.