微粒捕集器再生的分析和相關(guān)研究進(jìn)展

楊 超，劉炳霞，顧海英，黃 彪，黃福東

(江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

全球大氣污染日益嚴(yán)重，而微粒是大氣污染的主要成分之一，且微?？梢砸l(fā)多種疾病，因此對顆粒物高排放的柴油機(jī)進(jìn)行排放控制尤其重要。目前公認(rèn)的最有效的機(jī)外控制方法是在柴油機(jī)排氣管上串聯(lián)安裝微粒捕集器(DPF)，將排氣中的微粒吸收并保存在濾芯中。但是捕集器本身并不能清除微粒，隨著微粒的堆積，會增加排氣的流動阻力、排氣背壓，影響發(fā)動機(jī)的性能。有研究表明，當(dāng)排氣壓力超過25 kPa［1］時(shí)，發(fā)動機(jī)性能就會惡化，因此，必須及時(shí)消除DPF中沉積的微粒，以保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定高性能工作和微粒DPF對排氣微粒的吸收捕集能力，此即DPF的再生。

1 微粒捕集器的再生

目前，DPF的再生按原理的不同可以分為主動再生、被動再生兩大類。此外在近幾年還出現(xiàn)了一種結(jié)合兩種或兩種以上再生方式的復(fù)合再生，如鈰基添加劑輔助催化復(fù)合再生。

1.1 主動再生

1.1.1 電加熱再生

電加熱再生技術(shù)是將電流直接通到過濾體上，使過濾材料升溫，提高微粒的溫度，直至微粒達(dá)到著火燃燒。這種再生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是微粒直接在濾芯上升溫燃燒，微粒不經(jīng)過其他移動就直接燃燒，熱量損失較小，能量轉(zhuǎn)換效率較高;缺點(diǎn)是導(dǎo)電濾芯的制造工藝復(fù)雜，成本高，還有待進(jìn)一步的研究。

孫柱等［2］利用臺架實(shí)驗(yàn)，表明蜂窩陶瓷過濾體的電加熱過程不會對再生過程產(chǎn)生負(fù)面影響，且再生效率可以達(dá)到87%以上。

1.1.2 噴油助燃再生

噴油助燃再生是在捕集器的入口前安裝額外的燃燒器。再生時(shí)，適量的燃油與空氣在燃燒器內(nèi)點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫燃?xì)?，微粒迅速升溫著火燃燒。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能量利用率高，響應(yīng)速度快;缺點(diǎn)是對燃燒器的可靠性要求高，系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜，造價(jià)昂貴，且容易引起二次污染。

伏軍等［3］對龔金科等［4］的模型進(jìn)行改進(jìn)，并將噴油量/補(bǔ)氣量予以最優(yōu)控制，將噴油助燃再生過程的油耗量降低34.6%～40.2%。

1.1.3 微波加熱再生

微波加熱再生是利用DPF濾芯材料與微粒的介電性能不同。當(dāng)受到微波輻射時(shí)，由于微波特有的選擇性加熱和體積加熱的特性，再生時(shí)濾芯受熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微粒，這樣便使沉積在濾芯中的微粒升溫燃燒，而不影響濾芯。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:微粒升溫迅速且受熱均勻，對捕集器的影響較小。缺點(diǎn)是:只有當(dāng)濾芯材料對微波透明時(shí)，對捕集器的影響才最小甚至沒有，但對微波透明的材料仍處于研究發(fā)現(xiàn)中。另外，微波加熱再生會消耗額外的電能，且微波會泄漏出捕集器。

資新運(yùn)等［5］對其自行設(shè)計(jì)的過濾體微波加熱再生系統(tǒng)建模，使再生過程縮短到5～7 min，且再生溫度被控制在可接受范圍內(nèi)，還計(jì)算出過濾體的再生微粒量在5～13 kg/m3的范圍內(nèi)較為合適。龔金科等［6］基于模糊綜合評價(jià)法，結(jié)合層次分析主觀賦權(quán)法與熵值賦權(quán)法，研究了微波功率、排氣中的各項(xiàng)指標(biāo)等各因素取不同值時(shí)對再生性能的影響。

1.2 被動再生

1.2.1 催化再生

催化再生是在DPF濾芯材料表面涂覆或浸漬高催化活性的催化劑，利用化學(xué)催化的方法降低微粒的反應(yīng)活化能，使微粒在柴油機(jī)排氣溫度約為350℃［7］時(shí)即可燃燒。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，無需其他附加控制系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)保持低排氣背壓運(yùn)行，發(fā)動機(jī)的效率得到了保障，再生過程耗能低，且再生過程中的熱負(fù)荷較小，提高了濾芯及捕集器的壽命和可靠性。缺點(diǎn)是微粒與催化劑的接觸反應(yīng)極不均勻，因此很難進(jìn)行完全再生;隨著時(shí)間的推移，催化劑的作用會逐漸降低直至完全消失，會影響到過濾體的有效再生和對其他有害氣體的催化凈化效果。另外，若燃油含硫量太高還會導(dǎo)致催化劑中毒。

龔金科等［8］對催化型微粒捕集器(CPF)深床捕集微粒的氧化再生過程建模，并研究了壓降特性的數(shù)值，提供了CPF的優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù);張文斐［9］基于Fire軟件研究了涂敷催化劑對碳煙再生的影響，證明催化劑的涂敷能有效增加碳煙的氧化再生反應(yīng)速率。

1.2.2 燃油添加劑催化再生

燃油催化再生是在燃油中加入金屬有機(jī)物，燃油燃燒后會生成具有較強(qiáng)催化活性且能與微粒緊密附著在一起的金屬氧化物，將微粒自燃溫度降低到200℃以下微粒，在正常的排氣溫度下，就可實(shí)現(xiàn)再生。其優(yōu)點(diǎn)是再生所需的溫度低，有效地延長了DPF的使用壽命，但是金屬氧化物在經(jīng)過過濾體時(shí)會有一部分沉積下來，堵塞過濾體，另有少量的金屬氧化物會隨尾氣排入大氣產(chǎn)生二次污染。另外，柴油中的硫?qū)Υ呋砑觿┯卸竞ψ饔谩?/p>

王天友等［10］研究了某采用燃油催化再生微粒捕集器的排量為7.7 L的柴油機(jī)的排放微粒的捕集與強(qiáng)制再生，發(fā)現(xiàn)DPF對C0、HC及NOx的排放沒有影響，且對微粒的過濾效率達(dá)到80%以上。

1.2.3 連續(xù)再生

連續(xù)再生是在過濾體上游安裝1個(gè)氧化催化器(DOC)。DOC將排氣中的NO氧化成N02。N02使微粒在260℃左右就發(fā)生氧化，微粒一邊過濾沉積，一邊氧化燃燒，保持動態(tài)平衡。該再生系統(tǒng)平衡溫度低，低溫性能好，再生效率高。

劉恒語［11］對壁流式連續(xù)再生DPF進(jìn)行了仿真分析，表明當(dāng)體積比DOC/DPF接近于1.5時(shí)，連續(xù)再生式微粒捕集再生速率最為理想。

1.3 復(fù)合再生

1.3.1 噴油催化燃燒再生

噴油催化燃燒再生是在DPF前加裝DOC。當(dāng)需要再生時(shí)，啟動再生程序，噴油器向DOC噴入一定量的燃油，利用DOC對未燃碳氮化合物的催化氧化作用來提高排氣溫度，點(diǎn)燃微粒。該方式能適應(yīng)較高含硫量的柴油，能有效解決我國燃油含硫量較高的問題。

侯獻(xiàn)軍等［12］利用GT-Power軟件建立DPF噴油催化燃燒再生系統(tǒng)仿真模型，并對DPF進(jìn)行優(yōu)化，使DPF提溫時(shí)間縮短了37.9%，DPF出口最高溫度增加了3.4%。

1.3.2 鈰基添加劑輔助催化復(fù)合再生

鈰基添加劑輔助催化復(fù)合再生是由2種被動再生方式組合而成，即在燃油中添加鈰基添加劑，并在DPF上涂覆能夠有效提高再生性能的貴金屬催化涂層，降低微粒著火點(diǎn)，使柴油機(jī)在中小負(fù)荷工況時(shí)也能滿足再生要求。

龍罡［13］的研究結(jié)果表明:鈰基添加劑輔助催化復(fù)合再生能夠提高再生效率，且能夠滿足中低負(fù)荷以上工況下的再生要求。

1.3.3 微波和鈰錳添加劑復(fù)合再生

微波和鈰錳添加劑復(fù)合再生［14］結(jié)合了主動與被動2種方式，即利用化學(xué)添加劑降低微粒著火溫度，利用微波加熱微粒使微粒在較低的溫度條件下就能著火燃燒。

吳鋼等［14］對泡沫陶瓷過濾體的再生三維模型進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)過濾體再生時(shí)間最短是在鈰錳元素含量之比為75:25時(shí)。左青松等［15］證明催化劑中的Mn與Ce元素可以促進(jìn)微粒在低燃點(diǎn)溫度下充分燃燒，當(dāng)濃度合適時(shí)可以有效降低含鈰錳基催化劑的柴油機(jī)微粒捕集器的微粒燃點(diǎn)溫度。

2 再生的相關(guān)研究

2.1 軟件模擬

軟件模擬是指在計(jì)算機(jī)軟件中建立再生的模型并導(dǎo)入到模擬軟件中，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究再生過程中各參數(shù)(如DPF入口質(zhì)量流速、再生初始碳煙量、過濾體初始溫度，過濾體內(nèi)氣流的流動速率、氧濃度等)的變化規(guī)律，亦可以通過改變單個(gè)或多個(gè)參數(shù)研究捕集器中各參數(shù)對再生性能的影響，為DPF的開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論技術(shù)依據(jù)。

徐哲［16］在再生前載體內(nèi)碳煙均勻分布的前提下分析了壁流式DPF再生過程中各種因素對DPF再生特性的影響。梅本付［17］利用fluent軟件對模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到捕集器內(nèi)部的三維溫度場分布以及溫度梯度分布，并研究了捕集器各參數(shù)對再生性能的影響。

2.2 編程

編程是指利用編程語言編寫模型的求解計(jì)算程序，對再生過程進(jìn)行計(jì)算求解。編程可用于驗(yàn)證模型的正確性，亦可以用于DPF的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測等，但是編程沒有用軟件模擬普遍，且比較繁瑣。

王勁［18］編寫模型的C++求解程序?qū)PF捕集和再生過程進(jìn)行計(jì)算，證明催化添加劑含量并不是越多越好，捕集器負(fù)載量過大會造成二次污染，VOF(揮發(fā)性有機(jī)組分)含量過大會造成能量的浪費(fèi)，對濾芯造成傷害，再生過程排氣質(zhì)量流速則會使再生時(shí)的溫度和壓力損失增加。王丹在Matlab計(jì)算平臺上確定了濾餅捕集階段DPF碳載量與排氣背壓及其構(gòu)成組分關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了利用Matlab計(jì)算程序進(jìn)行DPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及DPF性能預(yù)測。

2.3 試驗(yàn)

試驗(yàn)是指在再生的研究過程中，利用試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，從而測量參數(shù)數(shù)據(jù)(如發(fā)動機(jī)背壓、濾芯溫度等)以研究再生特性，用以驗(yàn)證模型或理論的正確性。該方法在試驗(yàn)過程所消耗的能源、時(shí)間等相對較多，但其數(shù)據(jù)源于實(shí)際，能夠準(zhǔn)確反映再生過程的參數(shù)和性能等的變化，是研究再生必不可少的環(huán)節(jié)。

吳鋼［14］等利用臺架試驗(yàn)得出了當(dāng)鈰錳元素含量之比為75:25時(shí)，過濾體再生時(shí)間最短的結(jié)論。魏雄武［19］利用試驗(yàn)研究得出了1:1 000的貴金屬溶液與柴油的配比具有較好的綜合性能，且排氣背壓在22 kPa能保證捕集器可靠再生，而在15 kPa的排氣背壓下則不能實(shí)現(xiàn)。張輝［20］以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)驗(yàn)證了基于DOC與催化涂覆DPF的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)三維仿真模型的有效性。

3 結(jié)語

主動再生工作溫度高，對捕集器過濾材料的要求非常高，且能源消耗較多。被動再生則降低了微粒著火點(diǎn)的溫度，大大減少了能源消耗，但是目前對于被動再生的研究在很多方面還存在難題。復(fù)合再生雖然提高了再生凈化效率，但是同時(shí)也需要考慮2種再生方式的不足。盡管柴油機(jī)微粒捕集器仍然存在許多不足，但其對于尾氣的超強(qiáng)處理能力已經(jīng)得到了證明，因此DPF在未來很長一段時(shí)間內(nèi)都將被廣泛使用。目前捕集器的主要研究宗旨在于提高凈化率、壽命和可靠性等，但是從長遠(yuǎn)來看，由于能源緊缺等各方面原因，捕集器還應(yīng)研究如何減少能源消耗，且在未來捕集器極有可能是以被動再生為主或者被動再生完全取代其他再生方式，以利于最大限度地減少能源消耗。

［1］ 姚廣濤，孟憲鋒，楊春國.柴油發(fā)動機(jī)排放微粒捕集器再生技術(shù)［J］.百科之窗汽車運(yùn)用，2009，199(5):26-28.

［2］ 孫柱，孫平，嵇乾，等.柴油機(jī)微粒捕集器電加熱再生的試驗(yàn)研究［J］.車用發(fā)動機(jī)，2014，211(2):80-83.

［3］ 伏軍，龔金科，左青松，等.微粒捕集器噴油助燃再生噴油與補(bǔ)氣的優(yōu)化控制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(17):11-18.

［4］ 龔金科，左青松，鄂加強(qiáng)，等.微粒捕集器噴油再生過程柴油消耗量最優(yōu)控制［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，43(1):130-136.

［5］ 資新運(yùn)，寧智.柴油機(jī)排氣微粒過濾體微波加熱再生過程的優(yōu)化［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，41(2):111-113.

［6］ 龔金科，杜佳，鄂加強(qiáng)，等.柴油機(jī)微粒捕集器微波再生模糊綜合評價(jià)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(5):30-40.

［7］ 吁璇.柴油機(jī)噴油助燃再生微粒捕集器的設(shè)計(jì)與數(shù)值研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2010.

［8］ 龔金科，龍罡，蔡浩，等.催化型微粒捕集器的再生與壓降數(shù)值研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5(12):2820-2824.

［9］ 張文斐.柴油機(jī)催化型DPF碳煙捕集再生的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011.

［10］ 王天友，林漫群，張玉倩，等.燃油催化微粒捕集器微粒捕集與強(qiáng)制再生特性的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25(6):527-531.

［11］ 劉恒語.壁流式微粒捕集器連續(xù)再生特性研究［D］.湖南:湖南大學(xué)，2012.

［12］ 侯獻(xiàn)軍，馬義，彭輔明，等.基于GT-Power的DPF噴油催化燃燒再生仿真技術(shù)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1):19-23.

［13］ 龍罡.催化型微粒捕集器NO_2高效利用及鈰基復(fù)合再生機(jī)理研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2012.

［14］ 吳鋼，龔金科，王曙輝，等.采用微波和鈰錳基添加劑的柴油機(jī)微粒捕集器復(fù)合再生的研究［J］.汽車工程，2011，33(7):623-627.

［15］ 左青松，鄂加強(qiáng)，龔金科，等.基于鈰錳基催化劑的微粒捕集器微粒的燃燒特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，44(80):3527-3532.

［16］ 徐哲.柴油機(jī)微粒捕集器再生特性仿真研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2009.

［17］ 梅本付.柴油機(jī)微粒捕集器再生過程研究與數(shù)值模擬［D］.長沙:湖南大學(xué)，2006.

［18］ 王勁.柴油機(jī)微粒捕集器捕集再生機(jī)理及模擬研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2005.

［19］ 魏雄武.柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.