高效低背压CDPF催化剂技术研究

张晓丽 齐俊学 王继铭 张汝晓 汪朝强 常仕英

摘要：  背压和PN过滤效率是DPF载体和CDPF催化剂的关键性能指标，结合空白载体孔径和涂层负载两个方面开展研究，结果显示：孔径是影响DPF/CDPF背压和PN排放的关键，孔径越小，背压越大，PN过滤效率也越高。调低DPF载体孔径可提高PN过滤效率，但背压增率难以控制；通过涂层涂覆可有效调控孔径分布，实现向小孔径方向偏移， 在提高PN过滤效率的同时可有效控制背压增率。基于此，协同载体技术和涂层涂覆技术，优选出中值孔径为11.5 μm的DPF载体，涂覆粒径 D 90 为3.5 μm、负载量为15 g/L的涂层，涂覆后背压增率为8.88%，PN排放为9.34×1010 个/（kW·h），在满足国六排放法规的前提下，可同时兼顾高效的PN过滤效率和较低背压增率。

关键词：  柴油机颗粒捕集器；颗粒；数量排放；背压；过滤效率

DOI  ：   10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.008

中图分类号：  TQ131.21   文献标志码：  B   文章编号：   1001-２２２２（２０24）０1-００49-０5

柴油车具有高效的燃油经济性与动力性，是重型运输与作业的动力首选［1-2］，但其也带来了大量的 HC、CO、NO  x  和颗粒物等排放污染物，尤其是极小粒度颗粒物，不但入肺，而且可以进入血液，对人体危害极大［3］。为此，国六阶段排放法规首次对PN排放提出要求［4］。柴油机颗粒捕集器（DPF，diesel particulate filter）被认为是目前最有效的降低颗粒物排放的后处理装置［5-6］。为了提高炭烟再生效率，通常需在DPF载体上涂覆一层具有催化活性的氧化活性涂層［7-8］，制备成催化型颗粒物过滤器（CDPF，catalyzed diesel particulate filter）。涂敷催化活性涂层的CDPF不仅可以降低炭烟颗粒物的起燃温度，还可以提高对炭烟颗粒物的捕集率［9-10］。基于此，CDPF也已成为国六柴油车的必备后处理零部件［11］。

研究表明，DPF/CDPF在新鲜态以及完全再生后起动容易出现PN排放超出法规限制要求的现象［12-13］。因此，如何提高CDPF的PN过滤效率成为国六柴油车的迫切需求。为实现更高的PN捕集效率，现阶段国内外主要采用小孔径载体技术，该技术可在一定程度上提高PN的初始过滤效率，然而也会导致后处理系统排气背压显著提升，增加油耗［14］，同时引起发动机缸内燃烧恶化，污染物排放增加［15］。通过单一的降低载体孔径的方法无法同时兼顾柴油机对CDPF催化剂低背压与高PN捕集效率的要求。基于此，本研究将围绕载体技术和涂层技术两方面开展研究，拟通过两者协同实现PN高效过滤，同时实现背压可控，以解决柴油机国六关键应用问题，确保柴油车国六标准的顺利实施。

1   试验

1.1  试验样品

选取非对称式孔道结构的DPF空白载体作为研究对象，其尺寸规格均为直径190.5 mm，高度152.4 mm，300目，壁厚为0.25 mm，通过调控造孔剂的粒径大小与粒度分布，制备出中值孔径不同的4个梯度的DPF空白载体，具体参数见表1。采用真空抽吸设备，将设计的催化涂层涂覆至上述DPF空白载体上，经过烘干煅烧，制得CDPF催化剂。

1.2  测试与表征方法

1） 冷流背压测试

按设定的排气流量，在25 ℃、常压下，采用SF-1020设备进行冷流背压测试。

2） 孔径大小与分布测试

采用Auto Pore IV9500压汞仪，取2.0 g样品置于烘箱中，120 ℃干燥2 h至恒重后，将样品装入膨胀剂中密封好，再将膨胀剂依次装入低压站和高压站进行孔径大小与分布测试。

3） 载体孔道形貌分析

DPF/CDPF孔道形貌采用S-4800冷场发射扫描电子显微镜进行测试。

4） PN排放测试

采用WP2.3N柴油发动机和MEXA-2300spcs颗粒物计数器（PN分析设备），按照重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）GB 17691—2018中规定的发动机热态瞬态循环WHTC进行PN排放测试。其中发动机参数见表2，试验台架示意见图1。

2   结果与讨论

2.1  载体孔径对 DPF 背压和 PN 排放的影响

2.1.1  对背压的影响

图2示出不同中值孔径DPF载体在不同排气流量下的背压对比。从图2可以看出，载体孔径与背压关系紧密，中值孔径越小，背压越大；且流量越高，孔径对背压的影响程度越显著。400 m3/h流量下，当中值孔径为15.5 μm时，DPF背压为0.81 kPa，中值孔径缩小至13.5，11.5，9.5 μm时，背压依次提高至0.87，0.92，1.07 kPa，增率分别为8.03%，13.60%，32.63%。可以看出，当中值孔径缩小至12 μm以内，会出现载体背压增率快速增加的趋势；而当流量提高至1 200 m3/h时，背压显著增加，中值孔径为15.5 μm的载体的背压提高至4.59 kPa，较400 m3/h低流量时提高4.6倍，中值孔径为9.5 μm的载体的背压增加至5.37 kPa，较400 m3/h低流量时提高4.0倍。由此可见，中值孔径大的载体尽管具有相对低的背压绝对值，但对排气流量更为敏感。

2.1.2  对PN排放的影响

基于上述4种不同孔径DPF载体，在WHTC循环工况下研究DPF载体孔径对PN排放的影响，排放测试结果见表3。从表中可以看出，随着载体中值孔径的减小，DPF载体对PN的过滤效率显著提高，PN排放值显著降低。当中值孔径小于等于11.5 μm时，仅使用空白载体即可满足国六排放法规关于PN排放的要求。

但在实际应用中，催化器的背压与油耗紧密相关，背压越大，油耗越高。因此，对DPF/CDPF的要求不仅仅需要较高的PN过滤效率，同时还要求低的背压，以降低油耗。图3示出载体中值孔径与背压和PN排放的关系。从图中可以看出，当载体中值孔径在最大值15.5 μm时，尽管具有最低的背压，但PN排放却最高，达到2.49×1012 个/（kW·h），远高于国六排放限值（6.0×1011 个/（kW·h））；当载体中值孔径为最小值9.5 μm时，尽管背压最高，但PN排放却降至1.35×1011 个/（kW·h），远低于国六排放限值。由此可见，对于DPF/CDPF来说，背压和PN过滤效率存在明显的“trade-off”关系，无法同时实现两者最优，只能综合优选。从图3可以看出，当载体中值孔径为13.5 μm和11.5 μm时，PN排放分别为8.83×1011 个/（kW·h）和5.35×1011 个/（kW·h），均在排放法规限值附近，同时具有相对低的背压。考虑到中值孔径为11.5 μm的载体具有更低的PN排放，后续将基于该载体重点进行涂覆技术研究，通过涂层涂覆对载体孔道进行修饰，从而进一步提高PN捕集效率并优化排气背压，在满足PN排放法规要求的同时减少油耗。

2.1.3  DPF载体壁的孔结构分布

为探明载体中值孔径对DPF背压和PN排放的影响原因，采用扫描电镜从微观角度对载体孔结构进行分析，如图4所示。从图中可以清晰看到，随着中值孔径增加，载体壁中的大孔数量增多，疏松度升高。DPF为壁流式结构（见图5），气流从入口进 入后必须通过载体壁才能排向出口。因此，载体壁

的孔径大小与分布直接关系着气流的流通阻力，孔径越大，且大孔分布越广，流通流阻越小，背压也越小，粒径较小的炭烟颗粒物越不易被拦截，PN排放越高；同理，孔径越小，流通流阻越大，背压也越大，粒径较小的炭烟颗粒物越易被拦截，PN排放越低。

2.2   涂层负载对 CDPF 催化剂背压和 PN 排放的影响

基于2.1节的研究结果可知，中值孔径为11.5 μm的载体可相对兼顾背压和PN排放，因此，基于中值孔径为11.5 μm的载体进行涂层涂覆，以研究涂层技术对CDPF背压和PN排放的影响规律。其中，涂层采用高比表面积Al 2O 3通过湿法球磨制成不同粒径的涂层浆料，贵金属均按 0.106 g/L， m （Pt）∶ m （Pd）为5∶1的方案加入浆料。设计不同负载量的涂层，干燥并煅烧后，制成不同粒径、负载量的CDPF催化剂，研究其对背压与PN排放的影响。

2.2.1  涂层粒径的影响研究

图6示出涂层粒径 D 90 分别为3.5，6.5，9.5 μm时涂覆制备的CDPF催化剂对应的背压与PN排放值。从图6可以看出：随着涂层粒径的增大，背压增率显著增加，涂层粒径越大，背压增率越高。当涂层粒径为3.5 μm时，CDPF背压为1.74 kPa，较空白载体的背压增率为6.10%；当涂层粒径分别提升到6.5 μm和9.5 μm时，CDPF的背压分别达到1.78 kPa和1.81 kPa，较空白载体的背压增率分别达到8.53%和10.36%。

从PN排放值来看，涂层粒径的影响规律与背压相反，这与空白载体的规律一致。当涂层粒径为9.5 μm时，尽管CDPF背压最高，但PN排放最低，达到8.39×1010个/（kW·h），远低于国六排放标准要求的6.00×1011个/（kW·h）。对比空白载体的PN排放值可以看出，涂覆粒径为9.5 μm的涂层后，其PN过滤效率提高了84.3%，而背压增率仅为10.36%。由此可知，涂层涂覆后可显著改善DPF空白载体的PN过滤效率，而对背压的影响相对较小。当涂层粒径降至6.5 μm和3.5 μm时，CDPF背压逐渐下降，同时PN排放也逐渐升高，PN排放值从8.39×1010 个/（kW·h）分别提高至1.74×1011 个/（kW·h）和3.56×1011 个/（kW·h），尽管高于9.5 μm时的PN排放值，但仍满足国六排放标准。

由此可见，涂層粒径对CDPF催化剂的PN过滤效率和背压影响规律一致，粒径越大，PN过滤效率越高，背压也相对增加。当涂层粒径为9.5 μm时，尽管CDPF具有最优的PN过滤效率，但其与粒径为3.5 μm的涂层相比，背压有大幅上升。因此，考虑到各粒径下CDPF均可满足PN排放要求，本研究后续将基于背压增率最低的方案，即粒径为3.5 μm的涂层开展进一步研究。

图7示出涂覆3种不同粒径涂层后的CDPF孔径分布。从图中可以看出，涂覆涂层浆料会改变DPF空白载体的孔径分布，使孔径整体往小孔径方向偏移，也就是使孔径变小，这主要是因为浆料在涂覆过程中更容易渗透至载体壁的大孔中，从而把大孔部分填充，导致小孔数量增加，也就是说通过涂层涂覆可以对载体的孔分布进行再调控。结合2.1.1节的结果可知，相对于降低载体自身孔径，采用涂层涂覆的方式更有利于背压增率的控制。

从图7还可以看出，涂层粒径为9.5 μm时，载体的孔径分布最为集中，大孔相对也最少，这也是涂层粒径为9.5 μm时CDPF具有最佳PN排放和相对较高背压的原因。

2.2.2  涂层负载量的影响研究

基于优选的涂层粒径 D 90 为3.5 μm的涂层，分别研究了负载量为10，15，20 g/L时对CDPF背压和PN排放的影响。图8示出负载量与背压和PN排放的关系。由图8可以看出，随着负载量的增加，CDPF的背压显著增加，而PN排放急剧降低。当涂层负载量为10 g/L时，背压增率为5.84%，负载量提高至15 g/L和20 g/L时，其背压增率分别达到8.88%和14.96%。对比PN排放值可以看出，负载量从10 g/L提高到15 g/L时，PN排放值从3.56×1011 个/（kW·h）快速下降至9.34×1010 个/（kW·h），降幅达73.76%。但进一步提高负载量后，PN排放值降幅不再明显，仅降至6.98×1010 个/（kW·h），而背压增率却提高至14.96%。由此可知，当负载量为15 g/L时，可同时实现较低的PN排放值和背压增率。

图9示出3种负载量下CDPF的孔径分布。从图中可以看出，负载量对载体孔径分布的影响极大，负载量越高，孔径越往小孔径方向偏移，主要原因是涂层量越多，进入到载体孔壁的涂层量也越多，填充的孔体积也越多，载体的孔径就相应缩小。结合前面的分析可知，孔径越小，其对应的背压也越大，PN过滤效率也越好，因此当负载量达到20 g/L时，CDPF催化剂获得最佳的PN排放值和最高的背压。

综合以上研究发现，DPF/CDPF的孔径大小与分布是影响背压和PN排放的关键，孔径越小，背压越高，PN过滤效率也越高。当采用中值孔径为11.5 μm的空白载体时，涂层粒径 D 90 为3.5 μm、负载量为15 g/L时制备的CDPF催化剂具有最佳的综合性能。

3   结论

a） DPF载体孔径大小直接影响PN排放和背压，中值孔径为11.5 μm的空白载体可较好地平衡背压和PN过滤效率；

b） 采用中值孔径为11.5 μm的DPF载体，涂覆浆料粒径 D 90 为3.5 μm、负载量为15 g/L的催化涂层，PN排放为9.34×1010 个/（kW·h），背压增率为8.88%，可同时满足国六排放法规和发动机对背压的要求，具有最佳的综合性能；

c） 调控涂层负载量和粒径是平衡背压与PN过滤效率的重要手段，可根据载体孔径大小与分布，通过优化涂层负载量与粒径实现背压与PN排放的双平衡。

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Efficient and Low Back Pressure CDPF Catalyst Technology

ZHANG Xiaoli1，QI Junxue1，WANG Jiming1，ZHANG Ruxiao1，WANG Chaoqiang2，CHANG Shiying2，3

（1.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261001，China;2.Kunming Institute of Precious Metals，Kunming 650101，China;3.Kunming Sino-Platinum Metals Catalyst Co.，Ltd.，Kunming 650106，China）

Abstract：  Back pressure and PN filter efficiency are key indicators of DPF carrier and CDPF catalyst. Research was conducted based on blank carrier pore size and coating load. The results showed that the pore size was the key that influenced the DPF/CDPF back pressure and PN emission. The smaller the pore size， the greater the back pressure， and the higher the PN filter efficiency. Decreasing the pore size could improve the PN filter efficiency， but the increase rate of back pressure is difficult to control. After applying the coating， the distribution of pore size was effectively controlled and shifted towards small pore size， which achieved the simultaneous improvement of PN filter efficiency and effective control of back pressure increase rate. Based on the collaboration of carrier and coating technology， DPF carrier with a median pore size of 11.5 μm was selected， the coating of 3.5 μm particle size and 15 g/L soot load was applied， and the back pressure increase rate and PN emission were 8.88% and 9.34×1010 #/（kW·h） respectively after coating. Accordingly， the requirements of China Ⅵ emission regulation were met and the efficient PN filtering and low back pressure increase rate were achieved.

Key  words：  diesel particulate filter;particle;emission;PN;back pressure;filter efficiency

［編辑： 潘丽丽］

收稿日期：   2023-04-04； [HT6H]修回日期：   2023-11-15

基金项目：    内燃机可靠性国家重点实验室开放课题基金（skler-202013）

作者简介：    张晓丽（1987—），女，副高级工程师，硕士，主要研究方向为柴油机后处理；zhangxiaoli@weichai.com。

通讯作者：   常仕英（1981—），女，正高级工程师，博士，主要研究方向为柴油机后处理催化净化；shiying.chang@spmcatalyst.com。