高效低背壓CDPF催化劑技術(shù)研究

張曉麗 齊俊學(xué) 王繼銘 張汝曉 汪朝強(qiáng) 常仕英

摘要： ?背壓和PN過濾效率是DPF載體和CDPF催化劑的關(guān)鍵性能指標(biāo)，結(jié)合空白載體孔徑和涂層負(fù)載兩個方面開展研究，結(jié)果顯示：孔徑是影響DPF/CDPF背壓和PN排放的關(guān)鍵，孔徑越小，背壓越大，PN過濾效率也越高。調(diào)低DPF載體孔徑可提高PN過濾效率，但背壓增率難以控制；通過涂層涂覆可有效調(diào)控孔徑分布，實(shí)現(xiàn)向小孔徑方向偏移， 在提高PN過濾效率的同時可有效控制背壓增率?；诖?，協(xié)同載體技術(shù)和涂層涂覆技術(shù)，優(yōu)選出中值孔徑為11.5 μm的DPF載體，涂覆粒徑 D 90 為3.5 μm、負(fù)載量為15 g/L的涂層，涂覆后背壓增率為8.88%，PN排放為9.34×1010 個/（kW·h），在滿足國六排放法規(guī)的前提下，可同時兼顧高效的PN過濾效率和較低背壓增率。

關(guān)鍵詞： ?柴油機(jī)顆粒捕集器；顆粒；數(shù)量排放；背壓；過濾效率

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.008

中圖分類號： ?TQ131.21 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?B ??文章編號： ??1001-２２２２（２０24）０1-００49-０5

柴油車具有高效的燃油經(jīng)濟(jì)性與動力性，是重型運(yùn)輸與作業(yè)的動力首選［1-2］，但其也帶來了大量的 HC、CO、NO ?x ?和顆粒物等排放污染物，尤其是極小粒度顆粒物，不但入肺，而且可以進(jìn)入血液，對人體危害極大［3］。為此，國六階段排放法規(guī)首次對PN排放提出要求［4］。柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF，diesel particulate filter）被認(rèn)為是目前最有效的降低顆粒物排放的后處理裝置［5-6］。為了提高炭煙再生效率，通常需在DPF載體上涂覆一層具有催化活性的氧化活性涂層［7-8］，制備成催化型顆粒物過濾器（CDPF，catalyzed diesel particulate filter）。涂敷催化活性涂層的CDPF不僅可以降低炭煙顆粒物的起燃溫度，還可以提高對炭煙顆粒物的捕集率［9-10］?；诖?，CDPF也已成為國六柴油車的必備后處理零部件［11］。

研究表明，DPF/CDPF在新鮮態(tài)以及完全再生后起動容易出現(xiàn)PN排放超出法規(guī)限制要求的現(xiàn)象［12-13］。因此，如何提高CDPF的PN過濾效率成為國六柴油車的迫切需求。為實(shí)現(xiàn)更高的PN捕集效率，現(xiàn)階段國內(nèi)外主要采用小孔徑載體技術(shù)，該技術(shù)可在一定程度上提高PN的初始過濾效率，然而也會導(dǎo)致后處理系統(tǒng)排氣背壓顯著提升，增加油耗［14］，同時引起發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，污染物排放增加［15］。通過單一的降低載體孔徑的方法無法同時兼顧柴油機(jī)對CDPF催化劑低背壓與高PN捕集效率的要求。基于此，本研究將圍繞載體技術(shù)和涂層技術(shù)兩方面開展研究，擬通過兩者協(xié)同實(shí)現(xiàn)PN高效過濾，同時實(shí)現(xiàn)背壓可控，以解決柴油機(jī)國六關(guān)鍵應(yīng)用問題，確保柴油車國六標(biāo)準(zhǔn)的順利實(shí)施。

1 ??試驗

1.1 ?試驗樣品

選取非對稱式孔道結(jié)構(gòu)的DPF空白載體作為研究對象，其尺寸規(guī)格均為直徑190.5 mm，高度152.4 mm，300目，壁厚為0.25 mm，通過調(diào)控造孔劑的粒徑大小與粒度分布，制備出中值孔徑不同的4個梯度的DPF空白載體，具體參數(shù)見表1。采用真空抽吸設(shè)備，將設(shè)計的催化涂層涂覆至上述DPF空白載體上，經(jīng)過烘干煅燒，制得CDPF催化劑。

1.2 ?測試與表征方法

1） 冷流背壓測試

按設(shè)定的排氣流量，在25 ℃、常壓下，采用SF-1020設(shè)備進(jìn)行冷流背壓測試。

2） 孔徑大小與分布測試

采用Auto Pore IV9500壓汞儀，取2.0 g樣品置于烘箱中，120 ℃干燥2 h至恒重后，將樣品裝入膨脹劑中密封好，再將膨脹劑依次裝入低壓站和高壓站進(jìn)行孔徑大小與分布測試。

3） 載體孔道形貌分析

DPF/CDPF孔道形貌采用S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行測試。

4） PN排放測試

采用WP2.3N柴油發(fā)動機(jī)和MEXA-2300spcs顆粒物計數(shù)器（PN分析設(shè)備），按照重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）GB 17691—2018中規(guī)定的發(fā)動機(jī)熱態(tài)瞬態(tài)循環(huán)WHTC進(jìn)行PN排放測試。其中發(fā)動機(jī)參數(shù)見表2，試驗臺架示意見圖1。

2 ??結(jié)果與討論

2.1 ?載體孔徑對 DPF 背壓和 PN 排放的影響

2.1.1 ?對背壓的影響

圖2示出不同中值孔徑DPF載體在不同排氣流量下的背壓對比。從圖2可以看出，載體孔徑與背壓關(guān)系緊密，中值孔徑越小，背壓越大；且流量越高，孔徑對背壓的影響程度越顯著。400 m3/h流量下，當(dāng)中值孔徑為15.5 μm時，DPF背壓為0.81 kPa，中值孔徑縮小至13.5，11.5，9.5 μm時，背壓依次提高至0.87，0.92，1.07 kPa，增率分別為8.03%，13.60%，32.63%?？梢钥闯?，當(dāng)中值孔徑縮小至12 μm以內(nèi)，會出現(xiàn)載體背壓增率快速增加的趨勢；而當(dāng)流量提高至1 200 m3/h時，背壓顯著增加，中值孔徑為15.5 μm的載體的背壓提高至4.59 kPa，較400 m3/h低流量時提高4.6倍，中值孔徑為9.5 μm的載體的背壓增加至5.37 kPa，較400 m3/h低流量時提高4.0倍。由此可見，中值孔徑大的載體盡管具有相對低的背壓絕對值，但對排氣流量更為敏感。

2.1.2 ?對PN排放的影響

基于上述4種不同孔徑DPF載體，在WHTC循環(huán)工況下研究DPF載體孔徑對PN排放的影響，排放測試結(jié)果見表3。從表中可以看出，隨著載體中值孔徑的減小，DPF載體對PN的過濾效率顯著提高，PN排放值顯著降低。當(dāng)中值孔徑小于等于11.5 μm時，僅使用空白載體即可滿足國六排放法規(guī)關(guān)于PN排放的要求。

但在實(shí)際應(yīng)用中，催化器的背壓與油耗緊密相關(guān)，背壓越大，油耗越高。因此，對DPF/CDPF的要求不僅僅需要較高的PN過濾效率，同時還要求低的背壓，以降低油耗。圖3示出載體中值孔徑與背壓和PN排放的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)載體中值孔徑在最大值15.5 μm時，盡管具有最低的背壓，但PN排放卻最高，達(dá)到2.49×1012 個/（kW·h），遠(yuǎn)高于國六排放限值（6.0×1011 個/（kW·h））；當(dāng)載體中值孔徑為最小值9.5 μm時，盡管背壓最高，但PN排放卻降至1.35×1011 個/（kW·h），遠(yuǎn)低于國六排放限值。由此可見，對于DPF/CDPF來說，背壓和PN過濾效率存在明顯的“trade-off”關(guān)系，無法同時實(shí)現(xiàn)兩者最優(yōu)，只能綜合優(yōu)選。從圖3可以看出，當(dāng)載體中值孔徑為13.5 μm和11.5 μm時，PN排放分別為8.83×1011 個/（kW·h）和5.35×1011 個/（kW·h），均在排放法規(guī)限值附近，同時具有相對低的背壓?？紤]到中值孔徑為11.5 μm的載體具有更低的PN排放，后續(xù)將基于該載體重點(diǎn)進(jìn)行涂覆技術(shù)研究，通過涂層涂覆對載體孔道進(jìn)行修飾，從而進(jìn)一步提高PN捕集效率并優(yōu)化排氣背壓，在滿足PN排放法規(guī)要求的同時減少油耗。

2.1.3 ?DPF載體壁的孔結(jié)構(gòu)分布

為探明載體中值孔徑對DPF背壓和PN排放的影響原因，采用掃描電鏡從微觀角度對載體孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖4所示。從圖中可以清晰看到，隨著中值孔徑增加，載體壁中的大孔數(shù)量增多，疏松度升高。DPF為壁流式結(jié)構(gòu)（見圖5），氣流從入口進(jìn) 入后必須通過載體壁才能排向出口。因此，載體壁

的孔徑大小與分布直接關(guān)系著氣流的流通阻力，孔徑越大，且大孔分布越廣，流通流阻越小，背壓也越小，粒徑較小的炭煙顆粒物越不易被攔截，PN排放越高；同理，孔徑越小，流通流阻越大，背壓也越大，粒徑較小的炭煙顆粒物越易被攔截，PN排放越低。

2.2 ??涂層負(fù)載對 CDPF 催化劑背壓和 PN 排放的影響

基于2.1節(jié)的研究結(jié)果可知，中值孔徑為11.5 μm的載體可相對兼顧背壓和PN排放，因此，基于中值孔徑為11.5 μm的載體進(jìn)行涂層涂覆，以研究涂層技術(shù)對CDPF背壓和PN排放的影響規(guī)律。其中，涂層采用高比表面積Al 2O 3通過濕法球磨制成不同粒徑的涂層漿料，貴金屬均按 0.106 g/L， m （Pt）∶ m （Pd）為5∶1的方案加入漿料。設(shè)計不同負(fù)載量的涂層，干燥并煅燒后，制成不同粒徑、負(fù)載量的CDPF催化劑，研究其對背壓與PN排放的影響。

2.2.1 ?涂層粒徑的影響研究

圖6示出涂層粒徑 D 90 分別為3.5，6.5，9.5 μm時涂覆制備的CDPF催化劑對應(yīng)的背壓與PN排放值。從圖6可以看出：隨著涂層粒徑的增大，背壓增率顯著增加，涂層粒徑越大，背壓增率越高。當(dāng)涂層粒徑為3.5 μm時，CDPF背壓為1.74 kPa，較空白載體的背壓增率為6.10%；當(dāng)涂層粒徑分別提升到6.5 μm和9.5 μm時，CDPF的背壓分別達(dá)到1.78 kPa和1.81 kPa，較空白載體的背壓增率分別達(dá)到8.53%和10.36%。

從PN排放值來看，涂層粒徑的影響規(guī)律與背壓相反，這與空白載體的規(guī)律一致。當(dāng)涂層粒徑為9.5 μm時，盡管CDPF背壓最高，但PN排放最低，達(dá)到8.39×1010個/（kW·h），遠(yuǎn)低于國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求的6.00×1011個/（kW·h）。對比空白載體的PN排放值可以看出，涂覆粒徑為9.5 μm的涂層后，其PN過濾效率提高了84.3%，而背壓增率僅為10.36%。由此可知，涂層涂覆后可顯著改善DPF空白載體的PN過濾效率，而對背壓的影響相對較小。當(dāng)涂層粒徑降至6.5 μm和3.5 μm時，CDPF背壓逐漸下降，同時PN排放也逐漸升高，PN排放值從8.39×1010 個/（kW·h）分別提高至1.74×1011 個/（kW·h）和3.56×1011 個/（kW·h），盡管高于9.5 μm時的PN排放值，但仍滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，涂層粒徑對CDPF催化劑的PN過濾效率和背壓影響規(guī)律一致，粒徑越大，PN過濾效率越高，背壓也相對增加。當(dāng)涂層粒徑為9.5 μm時，盡管CDPF具有最優(yōu)的PN過濾效率，但其與粒徑為3.5 μm的涂層相比，背壓有大幅上升。因此，考慮到各粒徑下CDPF均可滿足PN排放要求，本研究后續(xù)將基于背壓增率最低的方案，即粒徑為3.5 μm的涂層開展進(jìn)一步研究。

圖7示出涂覆3種不同粒徑涂層后的CDPF孔徑分布。從圖中可以看出，涂覆涂層漿料會改變DPF空白載體的孔徑分布，使孔徑整體往小孔徑方向偏移，也就是使孔徑變小，這主要是因為漿料在涂覆過程中更容易滲透至載體壁的大孔中，從而把大孔部分填充，導(dǎo)致小孔數(shù)量增加，也就是說通過涂層涂覆可以對載體的孔分布進(jìn)行再調(diào)控。結(jié)合2.1.1節(jié)的結(jié)果可知，相對于降低載體自身孔徑，采用涂層涂覆的方式更有利于背壓增率的控制。

從圖7還可以看出，涂層粒徑為9.5 μm時，載體的孔徑分布最為集中，大孔相對也最少，這也是涂層粒徑為9.5 μm時CDPF具有最佳PN排放和相對較高背壓的原因。

2.2.2 ?涂層負(fù)載量的影響研究

基于優(yōu)選的涂層粒徑 D 90 為3.5 μm的涂層，分別研究了負(fù)載量為10，15，20 g/L時對CDPF背壓和PN排放的影響。圖8示出負(fù)載量與背壓和PN排放的關(guān)系。由圖8可以看出，隨著負(fù)載量的增加，CDPF的背壓顯著增加，而PN排放急劇降低。當(dāng)涂層負(fù)載量為10 g/L時，背壓增率為5.84%，負(fù)載量提高至15 g/L和20 g/L時，其背壓增率分別達(dá)到8.88%和14.96%。對比PN排放值可以看出，負(fù)載量從10 g/L提高到15 g/L時，PN排放值從3.56×1011 個/（kW·h）快速下降至9.34×1010 個/（kW·h），降幅達(dá)73.76%。但進(jìn)一步提高負(fù)載量后，PN排放值降幅不再明顯，僅降至6.98×1010 個/（kW·h），而背壓增率卻提高至14.96%。由此可知，當(dāng)負(fù)載量為15 g/L時，可同時實(shí)現(xiàn)較低的PN排放值和背壓增率。

圖9示出3種負(fù)載量下CDPF的孔徑分布。從圖中可以看出，負(fù)載量對載體孔徑分布的影響極大，負(fù)載量越高，孔徑越往小孔徑方向偏移，主要原因是涂層量越多，進(jìn)入到載體孔壁的涂層量也越多，填充的孔體積也越多，載體的孔徑就相應(yīng)縮小。結(jié)合前面的分析可知，孔徑越小，其對應(yīng)的背壓也越大，PN過濾效率也越好，因此當(dāng)負(fù)載量達(dá)到20 g/L時，CDPF催化劑獲得最佳的PN排放值和最高的背壓。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，DPF/CDPF的孔徑大小與分布是影響背壓和PN排放的關(guān)鍵，孔徑越小，背壓越高，PN過濾效率也越高。當(dāng)采用中值孔徑為11.5 μm的空白載體時，涂層粒徑 D 90 為3.5 μm、負(fù)載量為15 g/L時制備的CDPF催化劑具有最佳的綜合性能。

3 ??結(jié)論

a） DPF載體孔徑大小直接影響PN排放和背壓，中值孔徑為11.5 μm的空白載體可較好地平衡背壓和PN過濾效率；

b） 采用中值孔徑為11.5 μm的DPF載體，涂覆漿料粒徑 D 90 為3.5 μm、負(fù)載量為15 g/L的催化涂層，PN排放為9.34×1010 個/（kW·h），背壓增率為8.88%，可同時滿足國六排放法規(guī)和發(fā)動機(jī)對背壓的要求，具有最佳的綜合性能；

c） 調(diào)控涂層負(fù)載量和粒徑是平衡背壓與PN過濾效率的重要手段，可根據(jù)載體孔徑大小與分布，通過優(yōu)化涂層負(fù)載量與粒徑實(shí)現(xiàn)背壓與PN排放的雙平衡。

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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

［編輯： 潘麗麗］

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

基金項目： ???內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗室開放課題基金（skler-202013）

作者簡介： ???張曉麗（1987—），女，副高級工程師，碩士，主要研究方向為柴油機(jī)后處理；zhangxiaoli@weichai.com。

通訊作者： ??常仕英（1981—），女，正高級工程師，博士，主要研究方向為柴油機(jī)后處理催化凈化；shiying.chang@spmcatalyst.com。