柴油機DPF系統(tǒng)研究現狀綜述

宋廣舒 劉世通 蘇東超 李旭

摘要：隨著全球內燃機技術的不斷提升，柴油機的排放法規(guī)日趨嚴格，而柴油機顆粒物捕集器（DPF）可以減少排氣中85-95%的顆粒物排放，成為了汽車達到國六法規(guī)要求必備的一個關鍵部件。本文主要介紹了柴油機DPF系統(tǒng)的國內外研究現狀，通過對近年來DPF關鍵技術的總結，展望了DPF的發(fā)展趨勢，為其后續(xù)的優(yōu)化設計提供參考，以期促進今后該技術的發(fā)展。

Abstract： With the continuous improvement of global internal combustion engine technology， diesel engine emission regulations are becoming increasingly strict， and diesel particulate catcher （DPF） can reduce the emission of 85-95% particulate matter in the exhaust， becoming a key component required by the sixth national regulations.This paper mainly introduces the research status of diesel engine DPF system at home and abroad， summarizes the key technologies of DPF in recent years， forecasts the development trend of DPF， provides reference for its subsequent optimization design， and hopes to promote the development of this technology in the future.

關鍵詞：柴油機;顆粒捕集器;關鍵技術

Key words： diesel engine;particle filter;key technology

0 ?引言

目前，汽車排放是大氣環(huán)境中顆粒物污染及霧霾形成的一個主要原因，而這些顆粒物特別是細微顆粒物的主要來源便是柴油發(fā)動機。研究表明，DPF是當前應對柴油機尾氣中顆粒物排放最為有效的后處理技術。DPF安裝在柴油車排氣系統(tǒng)中，依靠交替封堵載體孔進出口強迫氣流通過多孔壁面實現排氣中顆粒物的捕集，對PM（細顆粒物重量）的過濾效率可達95%，對PN（細顆粒物數量）的過濾效率可達99%，從而滿足國六法規(guī)對柴油機廢氣中顆粒物的限值要求。本文對DPF關鍵技術的國內外研究現狀進行了整理，對指導今后顆粒捕集器的研發(fā)具有現實意義。

1 ?DPF捕集機理的研究

國內外學者針對DPF捕集過程中的各種問題，通過軟件模擬和試驗的方法對DPF的捕集機理展開了研究，對降低DPF的壓降，提高其捕集效率有重要作用，為DPF的設計提供理論支持。

Alfredo Soldati[1]建立了DPF孔道的一維模型，預測了DPF通道上納米級顆粒物的沉積，結果表明DPF中顆粒物沿通道的沉積取決于捕集器的設計參數，對這些參數優(yōu)化選擇可以最小化顆粒物的不均勻分布。Sanui R和 Hanamura K[2]利用掃描電子顯微鏡對DPF壁面上的顆粒物捕集過程進行了微觀上的動態(tài)觀察，發(fā)現表面孔隙中捕集的顆粒物主要取決于通道內捕集的顆粒物。

Mokhri[3]通過分析廢氣的流型和流速，研究了DPF捕集過程中顆粒物的流速、顆粒物大小及壓降，結果表明碳煙濾餅的存在可以提高DPF過濾效率，但會增大壓降。樓狄明[4]通過GT-Power軟件建立了DPF的仿真模型，并利用該模型對DPF進行了仿真計算，研究了DPF的結構參數對其捕集效率與壓降的影響，結果表明通道密度、孔隙率、微孔直徑和壁厚是影響DPF捕集效率的主要結構參數，壁面滲透率、通道密度、孔隙率和壁厚是影響DPF壓降的主要結構參數。 李志軍[5]通過模擬計算對稱孔道和非對稱孔道DPF的壓降，來降低排氣背壓對柴油機性能的影響，進而降低DPF載體的壓降，研究了DPF中碳煙和灰分的不均勻分布對其壓降產生的影響。

Ramskilla[6]利用磁共振速度成像技術研究了DPF內的氣體流動狀況，結果表明氣體平均速度沿捕集器長度的變化是氣體流量和捕集器基片結構特性相互作用的結果，沿DPF孔道的軸向，不同位置的速度圖像如圖1中所示。

2 ?DPF再生技術的研究

根據再生系統(tǒng)的原理，DPF再生技術分為主動再生和被動再生兩大類。主動再生指對微粒直接加熱燃燒，被動再生指利用催化劑減小顆粒物的活化能，通過柴油機的排氣溫度來燃燒顆粒物。DPF的再生技術決定了DPF能否在柴油機上正常使用，所以對它的深入研究是必不可少的。

劉宏威[7]對缸內后噴與排氣管噴油相結合的DPF再生系統(tǒng)進行了臺架試驗，研究了缸內后噴對發(fā)動機性能的影響，結果表明在發(fā)動機的大部分工況下，缸內后噴與排氣管噴油相結合的DPF再生系統(tǒng)可以達到再生條件。Hyunjun Lee[8]研究出使用氣缸壓力的多次噴射控制方法可以促進DPF的再生，它是通過發(fā)動機平均指示壓力、過量空氣系數以及DPF上游溫度的反饋來實現精準噴油。

臧志成[9]研究了不同工況下柴油機的DPF再生控制策略，并進行標定匹配試驗，結果表明DPF系統(tǒng)可以實現顆粒捕集算法、顆粒再生控制、再生溫度管理、DPF系統(tǒng)故障診斷等的正常進行。孟忠偉[10]利用GT-Power軟件對DPF的再生性能進行模擬，研究了在流量、碳載量改變時DPF的再生性能，特別是它的過濾壓降、載體溫度、溫度梯度和再生效率的變化情況，結果表明DPF再生時的最高溫度和最大溫度梯度出現在DPF的后端;當流量增加時，最高溫度、最大溫度梯度和再生效率先增后減;當碳載量增加時，最高溫度和最大溫度梯度也會提高，但再生效率先增后減。NGK公司的研究人員[11]通過建立DPF模型，分析了其主動再生過程中的溫度分布（圖2），優(yōu)化了DPF的結構參數。

Chen[12]建立了積灰層熱再生模型，研究了再生過程中積灰層對排氣流量和對流換熱的影響，結果表明在DPF再生過程中，沉積的灰層會降低排氣流速，增加熱傳導阻力。Magín Lapuerta[13]通過Fluent軟件建立了DPF捕集再生模型，并對該模型進行了驗證，研究了DPF中碳煙的分布狀況和碳煙的氧化反應情況，以及二者對DPF中碳煙沉積過程的影響。Yamamoto[14]利用格子玻爾茲曼方法模擬了CDPF（催化型柴油機顆粒物捕集器）連續(xù)再生系統(tǒng)，以期來減少柴油機廢氣中的顆粒物，結果表明在CDPF連續(xù)再生系統(tǒng)中，顆粒物的氧化率大大提高，沉積在DPF內的顆粒物在催化劑的作用下會立即被氧化，濾層反壓的增加得到了及時阻止。姜大海[15]研究了機動車柴油機DPF噴油助燃復合再生技術，通過分析各種噴油助燃再生技術的特點和典型柴油機的排氣特性，提出了噴油助燃主動再生和FBC（燃油催化再生添加劑）被動再生的復合再生方法;通過研究顆粒物的沉積對發(fā)動機性能和捕集器再生性能的影響，提出了以捕集器中顆粒物沉積量為再生時機的判斷方法。

3 ?DPF碳載量估算的研究

精確估算DPF碳載量對DPF的再生是十分關鍵的，它有助于DPF掌握最佳再生時刻，保證DPF的安全可靠工作。如果碳載量的預測值與實際值差別過大，DPF載體會有燒毀、燒裂的風險，縮短DPF的壽命。因此，精確判斷DPF中的碳載量具有重要意義。

Naohisa Ohyama[16]為了更好地利用DPF的壓降來估算碳載量，提出了一種堇青石基顆粒物過濾器的新概念。經過對常規(guī)CDPF的分析，得出DPF碳載量與壓降之間存在非線性關系。為了使堇青石基質具有催化功能，對原來的堇青石基質成分進行了修改，使其具有足夠的熱耐久性。通過對發(fā)動機在不同工況下的測試，確保了發(fā)動機的線性性能。Takashi Yamakawa[17]結合過濾層（FLs）技術和快速傅里葉變換技術（FFT）的新算法，提出了DPF碳載量的精確估算方法。新算法通過消除廢氣溫度和流量的波動以及發(fā)動機的脈動，提高了所測壓降的精確度。通過發(fā)動機臺架試驗驗證了這些技術，結果表明DPF碳載量估算的離散度得到了很大的改善。

閆明星[18]建立了適合電腦實時計算的DPF碳煙加載模型，對該模型進行了碳煙加載量的估算研究，結果表明該模型提高了碳煙加載量的估計精度，實現了碳煙加載量和壓降特性的實時跟蹤，該模型的建立，有助于下一步對DPF再生控制策略的研究。王丹[19]為了準確判斷DPF的再生時機，進行了DPF加載試驗與壓降特性試驗，研究了DPF的加載過程和不同碳載量下的壓降特性，通過壓降和碳載量的線性關系，得到了一種利用壓降數據來估算DPF碳載量的方法，并對方法進行了驗證。

4 ?DPF結構參數的研究

目前，國內外學者們對DPF結構優(yōu)化相關方面的研究也頗為豐富，重點圍繞對非對稱孔道邊長比、孔密度和過濾壁厚等設計參數的研究。研究表明，優(yōu)化DPF的結構參數可以在保證捕集效率的前提下降低其壓降，有利于DPF性能的發(fā)揮。

Basu[20]建立了一個具有對稱和非對稱孔道的一維顆粒物捕集器模型，分析了孔密度、孔道不對稱和壁面滲透率對DPF壓降和過濾性能的影響，結果表明加大孔密度、提升壁面滲透率、使用非對稱孔道都可以提高DPF的過濾性能，減小孔道內的壓降。Zhang[21]研究了DPF結構參數和排氣特性參數對其捕集效率的影響，結果表明增大捕集器體積、孔密度、壁厚和減少尾氣流量都可以提高DPF捕集效率，但當顆粒物尺寸超過一定的臨界值時，捕集效果會減弱。

林俊彥[22]通過對DPF孔道流場速度與壓降的研究，改善了孔道結構參數，以期達到降低DPF壓降的目的，結果表明對DPF非對稱孔道的邊長比、孔密度和過濾壁厚的優(yōu)化，可以在保證捕集效率的前提下，減小DPF的壓降。沈穎剛[23]通過搭建DPF的模型，研究了非對稱孔道結構對DPF壓降特性及柴油機性能的影響，結果表明當適當提高進出口孔道比時，DPF對碳煙的容納能力提升，進而減小DPF的壓降;當DPF進出口孔道比達到1.3時，對柴油機綜合性能的發(fā)揮最有利。

5 ?總結

本文對近年來柴油機顆粒物捕集器的研究現狀進行了總結，主要介紹了有關于DPF捕集機理、DPF再生技術、DPF碳載量估算和DPF結構參數的研究，對后續(xù)DPF系統(tǒng)的優(yōu)化設計具有重要意義。基于目前學者們對DPF系統(tǒng)的研究，可以得出以下幾種DPF的發(fā)展趨勢：①要進一步優(yōu)化DPF碳載量估算模型，從發(fā)動機實際運行過程中的多種因素來考慮其對碳載量估算的影響，比如燃油品質、道路狀況和各種傳感器精度等;②對柴油機排氣進行熱管理控制可以提高DPF的入口溫度，以達到DPF再生所需要的溫度，但還需要深入研究DPF再生時的熱保護，防止高溫對DPF的再生性能產生不利影響;③在DPF主動再生控制策略方面，柴油的噴霧特性是影響DPF再生性能的關鍵因素，可以基于排氣管柴油噴霧進行變參數分析。

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