柴油机颗粒捕集器DPF结构设计的主要目标

 柴油机颗粒捕集器

DPF 结构设计的主要目标： （1） 通过增大入口孔的过滤体积，增加 DPF 的储灰能力，同时减少高碳烟负载时的背压； （2） 通过优化 DPF 的孔隙率和平均孔直径分布，适应不同催化剂涂敷量的要求 （in-wall coating），保持低的压差损失； （3）通过在壁面上涂敷一层薄薄催化剂 （on-wall coat-ing） 的设计，可以提高 DPF 的初始 PM 过滤效率，深层过滤。

所谓“in-wallcoating”涂敷技术就是把含有催化剂的浆料均匀地分布在 DPF 过滤壁内孔晶粒表面，达到增加碳烟与催化剂接触面积的效果；而“on-wall coating”技术就是在 DPF 入口过滤壁表面上涂敷一层很薄的含催化剂的浆料， DPF 壁深层过滤。

1、DPF 孔结构演变

传统壁流式 DPF 孔是方形孔结构，并交叉堵孔，迫使气流流经过滤壁面，颗粒被捕集在壁内部孔表面上（深层过滤）和壁表面上，形成一层碳烟过滤层。当碳烟负载量较多时，表层过滤将会是影响 DPF压力损失的主要因素，因而增加 DPF 的过滤面积，在同等的碳烟量情况下，累积在 DPF 过滤壁面上的碳烟厚度将减小；另外，提高 DPF 入口的开孔率，能提高 DPF 的过滤容积，加强 DPF 的灰分储存能力，延长清灰里程。为此，不同的 DPF 研究者和生产企业对 DPF 孔结构进行了很多的创新设计。日本揖斐电公司在 DPF 结构设计方面做出了很多创新，其中代表性的就是“OS”孔结构的 DPF，入口为八边形，出口为正方形。“OS”孔结构 DPF 的清灰里程比传统的对称孔结构 DPF 的要长 30%。作为 DPF 市场的主要参与者，美国康宁（Corning）公司和日本NGK 公司也了类似孔结构的堇青石、钛酸铝、复合碳化硅等材料的 DPF。德国清洁柴油陶瓷公司（Clean Diesel Ceramic Gmb H） 了三角形孔结构DPF，与方形孔对称结构 DPF 相比，过滤面积能增加 14%；但是该公司的产品以 200 目为主，主要应用于欧洲在用车改造市场。日本 TYK 公司出的六边形碳化硅 DPF。法国 Saint-Gobain 的出波浪形非对称结构碳化硅 DPF，能缩短 DPF 长度。日本住友公司的出非对称六边形孔结构钛酸铝 DPF（AT），过滤面积高达14cm2/cm3，已经在波兰建厂，投入批量生产。为了进一步巩固市场占有率，揖斐电公司在产品差异性上又做出了创新，采用的堵孔技术，并推出了所谓的“VPL”（Val-ued plugging Layout）DPF。其过滤面积高达15.5cm2/cm3，而且过滤体积也提高了 15%。这种结构能缩小 DPF 体积达 33%，减少 DPF 的使用成本，而且还保持优良的性能。

2、DPF 孔隙率与平均孔直径

重结晶碳化硅由于在高温下烧结几乎不收缩，孔的形成主要取决于具有双峰粒径分布的碳化硅粉的结合，因此能形成分布比较均匀的微孔分布。然而采用复合碳化硅、堇青石和钛酸铝这 3 种材料的DPF，由于使用了造孔剂，在烧成过程中，收缩率比较大，因而孔的平均直径分布比较宽。

DPF 对 PM 的初始过滤效率主要取决于微孔结构，孔的平均直径分布窄，对 PM 的过滤效率当，DPF 微孔结构对 PM 的过滤效率没有明显的影响。

很显然，重结晶碳化硅 DPF 初始的 PM 过滤效率要高于堇青石 DPF，当 PM 捕集到 0.5g/L 时，二者的 PM 过滤效率相当，高达。这是由于此时 DPF 从深层过滤过渡到表层过滤。

3、不同 DPF 技术的结构要求

所谓的“二合一 （Two in One）”技术就是把SCR 催化剂涂敷在 DPF 载体内，集 SCR 和 DPF 的功能于一体，这样能降低成本，并减少系统的安装空间。然而，跟传统的基于 CDPF 技术和基于 FBC 技术的 DPF 结构相比，基于“二合一”技术的 DPF 需要孔隙率和平均孔直径。由于基于 FBC 技术，放热，对DPF的热冲击比较大。对于这一情况，一般通过减少目数，增加壁厚，以及减少孔隙率和平均孔直径等设计手段来增加 DPF 的热容量，从而减少其在“发动机进入怠速运行 （Drop in Idle）”情况下的温度和温度梯度。CDPF 技术能降低 DPF 时的温度，有助于提高燃油经济性；但是一般催化剂涂敷量不是很大， 5~10g/L。因此应用于CDPF 技术的 DPF 需要适中的孔隙率和平均孔直径。基于“二合一”技术往往要求高达 90~220g/L，甚至的催化剂涂敷量。这势必导致 DPF的压差增大，恶化燃油经济性，因而设计高孔隙率和大平均孔直径 DPF 满足高涂敷量、低背压要求。和低的背压损失，具有广泛的应用前景，目前还处于实验室研究阶段。