DPF的工作原理及再生方式

孙浩铭　邱华荣　成龙伟　曹宇　张正军　胡鹏

摘 要：基于节能减排，保护环境的理念，日益严格的排放法规被发布出来。DPF技术能实现对柴油机颗粒排放物的有效净化，而低温等离子体技术应用在DPF上效果更佳。DPF的再生方式可以分为两大类，分别是主动再生与被动再生。

关键词：柴油机 颗粒捕集器 节能减排 空气污染 低温等离子体 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

随着汽车生产率和资源保有率的迅速提高，车用柴油机所排放的废物对环境及人体造成的危害也逐渐被发现和确认。目前，由美国、日本和欧洲的污染物排放法规构成了全球三大污染物排放法规体系，对各大车企减排技术路线有着重要的影响。中国的排放法规在各发展阶段都是参照欧洲排放法规制定，于2000年在全国范围内对车用柴油机实施国I排放法规，并每隔3～5年就会对污染物管理方案和法规的内容进行一次更新。于2018年1月1日全面实施的国V排放法规，对车用柴油机颗粒物（Paticulate Matter，PM）排放限值已由国IV的0.025g/km降至0.0045 g/km^[1-2]。而自2021年7月1日起，将对车用柴油机实施更加严格的国VI排放法规。

排放法规日益严格，促使柴油机后处理净化技术迅速发展。其中的柴油机颗粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）技术对PM的捕集效率高达90%以上。

2 PM的危害

PM是指大气中的固体或液体颗粒状物质。而车用柴油机的排气PM是指发动机排气经净化的空气稀释后，在温度低于53℃时，从国家规定的过滤介质上采集的全部物质。柴油车排放的PM中由多种不同粒径的颗粒物组成，其粒径范围可达到3个数量级或更高。了解不同粒径PM之间的差异极其重要，因为它们会到达人体不同的组织位置，对人体的健康会产生不同程度的影响。粒径≥7μm的PM仅能进入人体的鼻咽，不会对人体造成影响，粒徑在4.7～7.7μm的PM能进入人体的气管，3.3～4.7μm的PM能进入人体气管的深处，2.1～3.3μm的PM能进入人体支气管树的树枝，而1.1～2.1μm的PM已能进入人体支气管树的树枝顶部，0.65～1.1μm的PM甚至能直接进入人体的肺部组织。由此可见，几乎所有的柴油机排放PM都能进入人体，对人体的健康造成不良影响。

PM与各种肺部疾病和心脏病的发作有关，每年造成700万人死亡，以致被称为人类健康面临的最大环境风险，并列为1类致癌物。而DPF技术可以有效处理柴油机排放PM，所以发展DPF技术不仅对环境有好处，对人体的身体健康也将带来益处。

3 DPF工作原理

DPF净化排气中PM的基本过程是利用过滤介质把排气中PM分离出来并沉积下来的过程。根据过滤介质孔隙大小的差别，气固分离的机理可分为表面过滤和深床过滤。表面过滤的特点是采用微孔粒径小于排气中PM粒径的过滤介质，使排气中的PM分离;当排气通过过滤介质时，排气中的PM被截留在过滤介质的一侧。过滤介质的微孔粒径大于排气中PM的粒径，排气通过过滤介质时，排气中的PM不易被过滤介质截留，但伴随过滤介质的厚度增加，排气中PM被截留在过滤介质内部微孔中的数量同时增加，对PM同样有过滤的功能。通常规定把采用一定厚度过滤介质的分离方式叫做深床过滤。深床过滤方式中PM被捕集的机理有过滤介质对PM的拦截、PM的惯性冲击、布朗运动、PM与过滤介质之间静电的吸引力等。通常情况下，拦截、惯性和扩散的捕集率较高，静电吸引力的捕集率较低，可以忽略。由于多孔介质的结构形式和壁面微孔平均粒径大小不同，内燃机排气PM粒径分布范围极广，所以DPF对PM的过滤方式一般不能采用单一的方式。

目前，市场上流通的DPF主要是壁流式DPF，类似于网袋结构如图1，其实际过滤方式既有表面过滤，也有深床过滤，其捕集效率可达90%以上。

随着PM的不断累积，DPF两侧的纵向排气压差将会逐渐增大，从而导致柴油机的排气背压增加，影响柴油机正常工作性能并造成安全隐患[3]。因此，DPF在设计上必须考虑过滤效率、压差损失、耐高温、抗灰分腐蚀、清灰里程等^[4-5]。对累积的PM进行去除的这一过程被称为DPF的再生^[6]。DPF的再生方式可分为主动再生和被动再生。

4 再生方式

4.1 主动再生

主动再生是指利用外加能量提高DPF过滤体温度，燃烧去除PM，如图2所示。当DPF中的温度达到550℃时，沉积的PM就会发生氧化燃烧。如果温度达不到550℃，沉积的PM就会堵塞DPF，降低DPF捕集效率。因此，需要依靠添加电加热器或燃料喷射等热管理措施，提高系统温度，使PM得以继续发生氧化燃烧。

4.2 被动再生

被动再生是利用燃油添加剂或者催化剂等措施来降低PM氧化所需的活化能，使PM能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧，以达到去除PM的目的，如图3所示。添加剂的用量对排气系统具有一定程度的影响，若添加剂过多会影响DOC的使用寿命，但是如果过少，就会引发再生延迟及再生温度升高。与主动再生相比，被动再生对温度的要求不高，可以减少能耗，以便实现DPF的连续再生。但仅靠被动再生无法满足柴油机全部工况范围内的正常运作，大量实践证明，被动再生应与主动再生结合使用。

4.3 低温等离子体技术再生

虽然DPF的主动再生和被动再生都可以实现DPF的再生，但是都存在着一定的问题。主动再生技术存在加热不均匀，热腐蚀等问题。被动再生技术存在着添加剂老化、硫中毒和二次污染的风险。因此，寻找一种避免上述问题和风险的新式DPF再生技术十分必要。低温等离子体（Non-thermal Plasma，NTP）技术是一种处理有害污染物的新型控制处理技术。不同于传统再生技术，NTP再生DPF具有无需添加剂、降低能耗和再生温度低的优点，拥有一定的发展前景。其工作机理在于利用活性物质与PM发生反应，氧化去除PM实现DPF再生。

Okubo等[7]将NTP废气发生器的控制制动装置中所控制产生的活性物质直接通入柴油机排气管中的DPF上游，发现DPF可在低于300℃的情况下实现再生。Babaie等[8]已经充分确认O3是NTP用于间接消除柴油机排气中PM的重要成分。Shi Yunxi等进行了NTP离线再生DPF的试验研究，该所在实验室的一项研究实验结果表明，当系统工作温度达到80℃时，DPF再生效果是最佳的。

5 结束语

综上所述，车用柴油机PM排放是中国城市大气污染的主要来源之一，对人体和环境都有一定程度的伤害。目前，中国正在进一步加强对于大气污染的治理，越来越严苛的污染物排放管理法规标准正在出台，而DPF能有效降低柴油机PM排放，DPF将展现它的用武之地。但DPF的再生技术尚不完善，还应继续发展进步。

基金项目：江苏大学2020年大学生实践创新训练计划项目，项目编号：202010299613X。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）： GB18352.3-2005[S].北京：中国环境科学出版社，2005.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五階段）：GB18352.5-2013[S]. 北京：中国环境科学出版社，2013.

[3]董红义，帅石金，李儒龙，等.柴油机排气后处理技术最新进展与发展趋势[J]. 小型内燃机与摩托车，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.

[7]Okubo M， Arita N， Kuroki T， et al. Carbon particulate matter incineration in diesel engine emissions using indirect nonthermal plasma processing[J]. Thin Solid Films，2007，515（9）：4289-4295.

[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.