柴油颗粒过滤器（DPF）尾气处理及再生原理

南京农业大学工学院（210032） 张大成

柴油颗粒过滤器（DPF）尾气处理及再生原理

南京农业大学工学院（210032） 张大成

当前汽车工业中，内燃机是重要的汽车动力源，燃料燃烧均会留下有害的残留物，例如炭烟颗粒（PM），我国新颁布的《中华人民共和国大气污染防治法》对在用机动车尾气排放提出了更加严格的要求，世界各国也均制定了更加严格的排放法规，以降低汽车尾气排放对环境的污染。柴油发动机尾气排放因大众公司的“尾气门”事件，更是引发全球密切关注。柴油机有害颗粒物排放始终是汽车工程师们关注的焦点之一。目前，欧洲甚至全球均颁布了非常严格的汽车尾气排放标准，由欧洲经济委员会（ECE）的汽车尾气排放法规和欧盟（EU）的汽车尾气排放指令共同加以实现的欧洲汽车尾气排放标准，是欧盟国家为限制汽车尾气排放污染物对环境造成危害而共同采用的汽车尾气排放标准，当前对几乎所有类型的车辆排放的氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（Particulate Matter，简称PM）都有限制，对每一种车辆类型，汽车尾气排放标准有所不同。在欧洲，汽车尾气排放标准一般每4年更新1次，相对于美国和日本的汽车尾气排放标准而言，其测试要求比较宽泛，因此，欧洲汽车尾气排放标准也是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系。我国汽车尾气排放标准便是参照欧洲汽车尾气排放标准制定的，我国于2001年实施的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（Ⅰ）》等效于欧Ⅰ标准（EU Ⅰ或EURO Ⅰ），2004年实施的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（Ⅰ）》等效于欧Ⅰ标准（EUⅠ或EUROⅠ），2007年实施的国ⅠⅠ标准相当于欧ⅠⅠ标准（EUⅠⅠ或EUROⅠⅠ），2010年实施的国Ⅳ标准相当于欧Ⅳ标准（EU Ⅳ或EURO Ⅳ）。表1所列为欧Ⅰ至欧Ⅵ汽车尾气排放标准具体的排放污染物要求。由表1可见，欧Ⅵ标准相对于欧Ⅴ对PM有了更严格的限制和要求。在国Ⅳ时代柴油机尾气后处理装置有2种主要升级方案，一类是通过使用选择性催化还原（SCR）技术，利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理；一类是通过柴油颗粒过滤器（Diesel Particulate Filter，简称DPF）或柴油氧化催化器（DOC），针对燃烧产生的微粒进行处理的EGR（废气再循环）技术。目前人们公认的降低柴油机PM的有效途径是采用DPF，国Ⅳ升级到国Ⅴ标准时，PM将是重点解决的问题，解决方式就是采用DPF。

表1 欧Ⅰ至欧Ⅵ汽车尾气排放标准对卡车和公共汽车排放污染物要求

1 柴油颗粒过滤器（DPF）工作原理

如图1所示，柴油颗粒过滤器（DPF）是安装在柴油车排气系统中，通过过滤来降低排气中颗粒物（PM）的装置。DPF通过表面和内部混合的过滤装置捕捉颗粒，例如扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截，能够有效地净化排气中70%～90%的颗粒，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一，已在国际上实现了商品化。为满足欧Ⅵ或美国2010排放法规，柴油机排气后处理系统将会更加复杂，需要将柴油氧化催化器（DOC）、柴油颗粒过滤器（DPF）、选择性催化还原器（SCR）等集成为一体来控制柴油机排放（图2）。

柴油颗粒过滤器（DPF）主要有颗粒过滤器空、颗粒过滤器满和颗粒过滤器还原等3个工作过程。在颗粒过滤器空的工作状态下（图3），由于DPF内部没有任何存量的颗粒堵塞，废气流动阻力非常低，不会影响发动机的正常工作（如油耗、动力）等。随着炭烟颗粒的不断生成，DPF内部捕集到的炭烟颗粒逐渐增多，导致废气排气阻力升高，发动机的油耗和动力受到排气背压的增加而影响。发动机控制单元通过废气压力传感器监测DPF内部的压力，当发动机控制单元监测到DPF内部压力达到一定值时，废气便很难排出，极大地限制了发动机的动力性和燃油经济性，此时发动机控制单元控制自行进行炭烟颗粒的清洁还原工作，将集聚在DPF内部的炭烟颗粒通过高温燃烧掉，实现DPF的再生。

2 柴油颗粒过滤器（DPF）的再生

柴油颗粒过滤器（DPF）对炭烟颗粒的过滤效率较高，可达到60%～90%。在过滤中，颗粒物集聚在颗粒过滤器内会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16 kPa～20 kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使颗粒过滤器恢复到原来的工作状态，即再生。DPF面临的最大挑战就是再生问题。颗粒过滤器再生的方法主要是微粒氧化，而微粒氧化的要素是高温、富氧和氧化时间。实际上柴油机排气温度一般小于500 ℃，特别是一些在城市工况运行的公交车的排气温度甚至在300 ℃以下。颗粒过滤器再生的关键性问题是降低平衡点温度，该温度状态下微粒形成和氧化的速度相等，此时背压较恒定，系统处于平衡状态。平衡点温度与流速、微粒成分、NOx含量、含硫浓度、炭烟形成及发动机、燃料的参数有关。DPF的再生方法有主动再生和被动再生。常用的主动再生方法有燃烧器喷油加热再生、电加热再生、微波加热再生和红外加热再生。燃烧器加热再生即在颗粒过滤器的入口处设置燃烧器，喷入柴油和二次空气，燃烧后引燃颗粒过滤器中的炭烟颗粒进行再生。采用这种方法要求提供额外的燃油，并且要求恒定燃烧器的温度，因此需要一套调节燃料和二次空气供给量的自动调节控制系统，并且这种燃烧器对车辆驾驶有一定要求，要求再生时不能急加速等，如果再生时急加速就会使气流扑灭再生的火焰，使燃油未完全燃烧，造成车辆冒白烟的现象。电加热再生即采用通电加热的方法对颗粒过滤器加热，以促使炭烟颗粒起燃。虽然这种再生方法不会有什么冒烟现象，但是电加热对控制系统的要求比较高，并在车用过程中需要解决耗电量高的问题，中小功率柴油机不易满足电能要求。此外，加热的不均匀性会造成过滤体再生不均匀，过滤体易局部过热而损坏。微波加热再生是利用微波独有的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的炭烟颗粒进行加热，使炭烟颗粒原位加热着火燃烧。实现过滤体再生微波加热是指频率在300 MHz～300 GHz对物体进行加热，其不同于一般的加热方式，是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热，其能量通过空间或媒质以电磁波形式传递，加热过程与物质内部分子的极化密切相关。微波加热再生的关键技术在于如何在谐振腔内激励尽可能多的模式及其控制腔内炭烟颗粒的燃烧温度，防止过滤体因温度过高而损坏。红外辐射加热再生方式与其他加热方式相比较，具有选择性加热的特点，能直接加热受热体，缩短受热体加热到所需温度的时间，减少能量消耗；红外再生技术的再生效率高；最高再生温度适宜，过滤体温度梯度小，十分适合蜂窝陶瓷的再生。红外辐射加热的这些优点跟其加热机理有密切的关系，从红外辐射加热的机理上来讲，当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时，后者就吸收大量红外能从而改变和加剧其分子的运动，达到发热升温加热的作用。常用的被动再生方法有燃料添加剂催化再生过滤器系统、CRT（连续再生过滤器）系统和CCRT系统。燃料添加剂催化再生过滤器系统的燃料添加剂是一种溶于燃料的催化剂。在发动机中燃烧后进入排气，和微粒一起由过滤器捕集，这使得微粒和催化活性成分密切接触，相当于在微粒中加入催化剂，来降低微粒的再生温度。缺点是燃料添加剂随着机动车排气进入大气中会危害人类健康。CRT由氧化器（DOC）和微粒捕集器（不带催化涂层的DPF）组成。当柴油机排气通过氧化催化转化器时，温度在200 ℃～600 ℃条件下，CO和HC首先几乎全部被氧化成CO2和H2O，NO被转化成NO2。然后NO2氧化使微粒捕集器中的微粒生成CO2，而NO2又被还原为NO，从而达到再生微粒的目的。应该注意该系统只能应用在低硫柴油机上，因为氧化催化剂可以使硫氧化而增加了微粒的数量。同时被动再生需要合适的排气温度，温度太高太低都不行，温度太低，NO2氧化的速度太慢；温度太高，NO2分解加速，不能形成足够的NO2。CRT的再生温度范围为240 ℃～450 ℃ ，再生对排气中NOx/PM比例要求是要大于20：1。CCRT系统也由氧化器（DOC）和微粒捕集器（DPF）组成，但是CCRT的微粒捕集器载体（DPF）上涂有催化剂，这样在氧化器中产生的NO在微粒捕集器中继续可以产生NO2来氧化颗粒物，使得该系统可以更完全去除过滤网的颗粒物。CCRT系统的优点就是它对再生的条件更加宽松，较低的排气温度和排气中较低的NOx/PM比即可使系统再生。

但是，在上述再生过程中，只是针对DPF内部的积炭进行清除，而对于非积炭的灰分物质根本无法还原分解，这些灰分主要来源于机油和燃油中的成分，由于灰分不能燃烧，故缩小了颗粒过滤器的有效容积，一定时间后会使微粒过滤器的功能恶化（图4）。因此，针对带DPF的柴油车，首先应选择低灰分的机油及定期对DPF内部做清洁再生处理，以保证DPF的实际转换效率，降低污染物的排放，延长DPF的使用寿命，减少后期维修成本，减少发动机动力损失和降低燃油消耗。定期清洁DPF完全可以选择德国力魔的DPF原装进口清洁剂产品——LM-5169柴油颗粒过滤器清洁剂（图5a）和LM-5171柴油颗粒过滤器冲洗液（图5b）。LM-5169是一款非常有效的清洁分散剂，能够迅速溶解附着在DPF表面的炭烟和灰分等物质。LM-5171是一款高效的冲洗液，在使用力魔柴油颗粒清洁剂后使用，能够把清洁过程中被溶解的颗粒分布在DPF内壁周围，使其燃烧掉。因此，定期使用该产品，可以极大地延长DPF的使用寿命，减少后期维修更换的成本，同时有效地降低颗粒物排放。

2015-10-11）