基于碳纤维过滤器的柴油微粒非催化后处理试验验证



基于碳纤维过滤器的柴油微粒非催化后处理试验验证

柴油车具有低油耗、高耐用性的特点，并能减少温室气体CO2排放。然而，柴油车对环境的污染也十分严重，其中包括烟尘等在内的微粒物质（PM）是主要污染物。在2013～2014年，欧6标准对PM的要求从传统的以质量为基础变为以颗粒数量为基础。因此，除了对柴油机气缸内的燃烧进行改善之外，采用后处理技术如柴油微粒过滤器（DPF）等也是十分必要的。

目前，市场上商用DPF一般都是陶瓷蜂窝状过滤器，然而随着颗粒物的累积，过滤器的背压变大，导致燃油经济性变差且过滤效果也变坏。研发出可再生DPF的再生原理主要分为三类：①基于空气动力学再生；②基于催化机理再生；③基于空气动力学原理再生。其中，基于空气动力学原理再生的DPF处理效果不好；而基于催化机理再生的DPF对催化基底材料的耐久性要求十分严格，而基底材料一般为稀有金属，因此迫切需要一种无催化作用的PM后处理技术。

主要对碳纤维微粒过滤器进行了研究，目前这种过滤器被广泛应用在航天航空工业，其具有很高的耐热性。这种过滤器的孔隙率是0.8，而普通的DPF孔隙率在0.4左右，因此碳纤维过滤器的背压很低。为了防止孔隙阻塞，在过滤器的侧壁中加入热电偶，并通过引入高压空气实现过滤器的再生。将碳纤维过滤器安装在一辆马自达MPV柴油车上，并进行了实车试验。通过激光诱导可见光技术（LII）测量车辆的烟尘排放，利用X射线电脑扫描技术对过滤器内部情况进行观测，并利用数学模型来模拟过滤器的再生原理。

通过对试验车辆发动机的背压、烟尘浓度以及转速等的监测，得出以下结论。

（1）当发动机转速增加时，烟尘颗粒体积变大，导致DPF背压升高。观察无热电偶加热的过滤器表面，发现附着于碳纤维的烟尘颗粒直径不断变大，可到达其厚度的2倍以上。由于烟灰颗粒的沉积，因此DPF的平均孔隙率从0.8降至0.4。

（2）装备过滤器会使背压升高和增加废气中的烟尘排放。为了与安装过滤器的背压一致，对发动机排气管进行填充。当过滤器在相同的压力条件下进行测试时，系统的有效性可以得到证实。

（3）烟尘颗粒的尺寸减小，数量浓度大大降低，大多数烟尘颗粒被截留并在过滤器内燃烧，处理过后重新形成小于30μm的更小颗粒，这是因为在燃烧过程中更小的纳米颗粒聚集折叠形成的。

（4）在过滤器内部，废气中烟灰首先被沉积，然后再被氧化。随着过滤器壁温度升高，烟灰的氧化程度也大幅上升。因此，过滤器壁温度是促进烟灰氧化、减少更小颗粒的关键因素。

刊名：Tribology International（英）

刊期：2014年第72期

作者：Kazuhiro Yamamoto et al

编译：郭明超