蒲云飛，孟忠偉

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成都 610100；2.西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，四川 成都 610039;3.汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

柴油機(jī)由于具有較高的熱效率和經(jīng)濟(jì)性，較低的CO2排放等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)中，但是其顆粒物排放量大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1]。為滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要有效、可靠的減排技術(shù)以降低顆粒物排放[2]。從控制技術(shù)上來(lái)看，僅靠柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和改善燃油品質(zhì)已經(jīng)難以滿足目前的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前，滿足“國(guó)Ⅳ”排放法規(guī)的柴油機(jī)都普遍需要采用后處理技術(shù)，并且未來(lái)更嚴(yán)格的排放法規(guī)將對(duì)后處理技術(shù)提出更高的要求[4]。

柴油機(jī)顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是降低柴油機(jī)排氣顆粒物的重要手段[5]，也是目前后處理技術(shù)中商業(yè)應(yīng)用前景最好的技術(shù)之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交錯(cuò)式的結(jié)構(gòu)，具有極高的捕集效率(物理捕集柴油機(jī)顆粒[7]，顆粒捕集效率常常高于95%[8-9])，得到了廣泛的應(yīng)用。

長(zhǎng)時(shí)間工作后，DPF內(nèi)灰分的積累會(huì)直接影響過(guò)濾壓降，導(dǎo)致其工作性能惡化[10]。Sappok等比較了顆粒加載時(shí)，有無(wú)灰分對(duì)過(guò)濾壓降的影響，結(jié)果表明：在有大量灰分沉積條件下的過(guò)濾壓降遠(yuǎn)大于無(wú)灰分沉積時(shí)[11]。而灰分沉積后，過(guò)濾壓降顯著增加是在灰燼的深床沉積階段[12]。為降低過(guò)濾壓降，Bollerhoff等人提出了一個(gè)新的雙層過(guò)濾壁面技術(shù)，并且證實(shí)在DPF表面涂敷一層致密過(guò)濾介質(zhì)后，可以有效地減少顆粒物在深床過(guò)濾期階段沉積量，降低過(guò)濾壓降[13]。在潔凈的DPF上沉積一定量的灰分后，也能達(dá)到相同的效果[14-15]。

上述文獻(xiàn)中，在標(biāo)準(zhǔn)DPF沉積一定量的灰分有類似雙層過(guò)濾壁面技術(shù)的“覆膜”效果，但這個(gè)量在怎樣一個(gè)范圍內(nèi)可以達(dá)到該效果，降低過(guò)濾壓降，產(chǎn)生有利的一面仍是需要研究的。

本研究搭建了DPF沉積過(guò)程可視化臺(tái)架系統(tǒng)，探究灰分在怎樣的范圍內(nèi)可以達(dá)到降低過(guò)濾壓降的效果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 可視化臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)室搭建的可視化臺(tái)架系統(tǒng)見(jiàn)圖1。通過(guò)真空泵抽氣，顆粒流進(jìn)入可視化臺(tái)架系統(tǒng)主體段，顆粒物在DPF載體切片(從載體上切割加工而成，30 mm×60 mm)上進(jìn)行沉積。使用高精度2D激光位移傳感器(KEYENCE，LJ-G080，精度1 μm，測(cè)量寬度40 mm，650個(gè)測(cè)點(diǎn))測(cè)量顆粒在DPF上的沉積厚度；使用壓力表(精度0.01 kPa)測(cè)量過(guò)濾壓降；使用質(zhì)量流量控制器(量程20 L/min)控制抽氣流量，實(shí)現(xiàn)定流量過(guò)濾，保證過(guò)濾速度≤0.15 m/s；在流量計(jì)前加裝空氣過(guò)濾器過(guò)濾水分以及穿透主體段的顆粒物，防止其進(jìn)入質(zhì)量流量控制器，導(dǎo)致?lián)p壞；使用計(jì)算機(jī)采集激光位移傳感器及壓力表的數(shù)據(jù)。

可視化臺(tái)架系統(tǒng)主體段結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。激光通過(guò)可視化窗口對(duì)DPF載體切片上沉積的顆粒層厚度進(jìn)行測(cè)量，DPF切片可從主體段上取出。

圖2 可視化臺(tái)架系統(tǒng)主體段

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)采用的DPF載體為堇青石壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體(CPSI=100)。使用的碳黑為Printex-U碳黑，其特性與柴油機(jī)顆粒近似，常被用于模擬柴油顆粒物[16]，Printex-U碳黑參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)碳黑參數(shù)

選取了3種灰分模擬柴油機(jī)煙灰分，用以對(duì)灰分結(jié)構(gòu)、成分進(jìn)行對(duì)比，其參數(shù)如表2所示。

表2 灰分參數(shù)

氣溶膠發(fā)生器為實(shí)驗(yàn)室自制的鼓風(fēng)式碳黑顆粒分散器。此外，灰分沉積裝置示意見(jiàn)圖3，在進(jìn)行灰分沉積時(shí)，通過(guò)酒精的自然蒸發(fā)，灰分均勻沉積在DPF載體切片上。

圖3 灰分沉積裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)預(yù)先在DPF白載體切片上沉積部分灰分，然后進(jìn)行顆粒物沉積來(lái)研究不同灰分沉積量下DPF的過(guò)濾壓降，以及灰分粒徑與灰分成分對(duì)過(guò)濾壓降的影響。

2.1 灰分沉積量對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響

在本次試驗(yàn)中，選取5 000目空心微珠，過(guò)濾速度0.02 m/s。由圖4可知：隨著灰分的沉積，初始?jí)航翟黾?，灰分初始?jí)航祻? g/L的490 Pa上升到6 g/L的770 Pa，且與灰分沉積量呈線性關(guān)系，即1 g/L的灰分可以引起42.53 Pa的壓降。

圖4 灰分初始?jí)航?5 000目)

灰分的沉積對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知：隨著灰分沉積量的增加，初始?jí)航翟黾樱^(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段呈現(xiàn)出先降低再增加的趨勢(shì)。1 g/L的灰分沉積是降低過(guò)濾壓降的最好條件，當(dāng)灰分沉積低于4 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段低于白載體。在這種條件下，可通過(guò)改進(jìn)過(guò)濾過(guò)程以減少顆粒物在深床過(guò)濾階段的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)殚_(kāi)始加載的灰分充當(dāng)煙顆粒物進(jìn)入過(guò)濾體的微孔內(nèi)，可以減少柴油機(jī)顆粒物的深床過(guò)濾階段，因此，如果更快結(jié)束深床過(guò)濾階段，過(guò)濾壓降可降低到一個(gè)較低的水平。另一方面，當(dāng)灰分沉積高于4 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降始終比無(wú)灰分時(shí)大。因此，灰分的沉積對(duì)壓降有正面和負(fù)面兩方面影響。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了灰分沉積降低過(guò)濾壓降的可能性。此外，在任意灰分沉積量下，當(dāng)顆粒沉積進(jìn)入表面過(guò)濾階段時(shí)，過(guò)濾壓降增長(zhǎng)率幾乎相同，這是因?yàn)榇藭r(shí)引起壓降增長(zhǎng)的原因是顆粒層。

圖5 灰分沉積對(duì)過(guò)濾壓降的影響(5 000目)

2.2 灰分結(jié)構(gòu)對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響

在本次試驗(yàn)中，選取1 250目空心微珠，過(guò)濾速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠進(jìn)行對(duì)比，研究灰分粒徑變化對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響。

對(duì)于1 250目與5 000目空心微珠，隨著沉積量的增加，初始?jí)航刀茧S之增大。從圖6可以看出：1 250目空心微珠初始?jí)航祻? g/L的490 Pa上升到6 g/L的720 Pa，且初始?jí)航蹬c灰分沉積量呈線性關(guān)系，即1 g/L的灰分可以引起37.34 Pa的壓降。在相同沉積量下，1 250目空心微珠的過(guò)濾壓降要低于5 000目空心微珠，這是因?yàn)? 250目空心微珠粒徑較大，而粒徑較小的灰分更容易進(jìn)入DPF微孔，發(fā)生堵塞，造成高的過(guò)濾壓降。

圖6 灰分初始?jí)航祵?duì)比(1 250目對(duì)比5 000目)

1 250目空心微珠的沉積對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)灰分沉積低于4 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段低于白載體，但當(dāng)灰分沉積高于6 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段高于白載體?；诖耍M(jìn)行了5 g/L的沉積試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)。由圖8可知：灰分沉積在5 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段幾乎與白載體持平。

圖7 灰分沉積對(duì)過(guò)濾壓降的影響(1 250目)

圖8 5 g/L灰分沉積與無(wú)灰分沉積的顆粒沉積對(duì)比

在相同沉積量下(4 g/L)，1 250目與5 000目空心微珠過(guò)濾壓降隨顆粒沉積量變化如圖9所示。由圖9可知：1 250目空心微珠的過(guò)濾壓降始終要低于5 000目空心微珠，這是因?yàn)? 250目空心微珠初始?jí)航迪鄬?duì)較低，并且大粒徑灰分的孔隙率要大于小粒徑灰分，而且在表面過(guò)濾階段過(guò)濾壓降增長(zhǎng)率幾乎相同，使得過(guò)濾壓降比5 000目空心微珠低。這說(shuō)明大粒徑灰分對(duì)沉積有積極的影響，顆粒物進(jìn)入DPF微孔的量相對(duì)較少，但粒徑仍在一定范圍，否則過(guò)大的粒徑就起不到所謂“覆膜”的作用。

圖9 灰分粒徑對(duì)過(guò)濾壓降的影響

2.3 灰分成分對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響

在本次試驗(yàn)中，選取UPC998MF α-Al2O3作為灰分，過(guò)濾速度0.02 m/s，同5 000目空心微珠進(jìn)行對(duì)比，研究灰分成分變化對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響。

對(duì)于α-Al2O3與5 000目空心微珠，隨著沉積量的增加，初始?jí)航刀荚龃?。從圖10可以看出：UPC998MF α-Al2O3初始?jí)航祻? g/L的490 Pa上升到4 g/L的680 Pa，且初始?jí)航蹬c灰分沉積量呈線性關(guān)系，即1 g/L的灰分可以引起49.6 Pa的壓降。在相同沉積量下，5 000目空心微珠的過(guò)濾壓降要低于α-Al2O3，這是因?yàn)榭招奈⒅槭荢iO2與α-Al2O3的混合物，而純?chǔ)?Al2O3總體粒徑相對(duì)更小，而粒徑較小的灰分更容易進(jìn)入DPF微孔，發(fā)生堵塞，造成高的過(guò)濾壓降。

圖10 灰分沉積壓降對(duì)比(α-Al2O3對(duì)比5 000目)

α-Al2O3的沉積對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程的影響如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)灰分沉積低于4 g/L時(shí)，其過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段高于白載體，但當(dāng)灰分沉積低于2 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段低于白載體，基于此，進(jìn)行了3 g/L的沉積試驗(yàn)(見(jiàn)圖12)。由圖12可知：灰分沉積在3 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降在表面過(guò)濾階段幾乎與白載體持平。

圖11 灰分沉積對(duì)過(guò)濾壓降的影響(α-Al2O3)

圖12 3 g/L灰分沉積與無(wú)灰分沉積的過(guò)濾壓降對(duì)比

在相同沉積量下(4 g/L)，α-Al2O3與5 000目空心微珠過(guò)濾壓降隨顆粒沉積量變化如圖13所示。從圖13可以看出：α-Al2O3過(guò)濾壓降始終要高于5 000目空心微珠，這是因?yàn)棣?Al2O3初始?jí)航迪鄬?duì)較高，并且小粒徑灰分的孔隙率要小于大粒徑灰分，而且在表面過(guò)濾階段過(guò)濾壓降增長(zhǎng)率幾乎相同，使得過(guò)濾壓降比5 000目空心微珠高。但小粒徑灰分對(duì)沉積依然有積極的影響，小粒徑灰分本身就類似顆粒物進(jìn)入DPF微孔，阻止了更小粒徑的顆粒物進(jìn)入。可以看出，灰分成分的對(duì)比其實(shí)也是灰分粒徑的對(duì)比。

圖13 灰分粒徑對(duì)過(guò)濾壓降的影響(α-Al2O3，5 000目)

綜上所述，3種灰分在一定量下有降低過(guò)濾壓降的效果，但因?yàn)榛曳值牧?、成分不同，其量也有差別。

3 結(jié)論

a) 灰分沉積時(shí)，DPF初始?jí)航翟黾?，并且初始?jí)航惦S灰分沉積量呈現(xiàn)線性關(guān)系；

b) 當(dāng)過(guò)濾速度在0.02 m/s時(shí)，對(duì)于5 000目空心微珠、1 250目空心微珠以及α-Al2O3，灰分沉積量分別小于4 g/L，5 g/L，3 g/L時(shí)，過(guò)濾壓降明顯低于潔凈DPF，證明了灰分的沉積可以使過(guò)濾壓降降低，但當(dāng)灰分沉積量大于上述值時(shí)，過(guò)濾壓降高于潔凈DPF，因此，灰分的沉積對(duì)過(guò)濾壓降來(lái)講，有正面影響，也有負(fù)面影響；

c) 灰分的粒徑相對(duì)越大，過(guò)濾壓降相對(duì)越小，因?yàn)榇罅交曳值目紫堵室笥谛×交曳?，顆粒物進(jìn)入DPF微孔的量相對(duì)較少，大粒徑灰分起到“覆膜”作用，對(duì)沉積有積極的影響；

d) α-Al2O3相對(duì)空心微珠初始?jí)航递^大，因?yàn)榭招奈⒅槭荢iO2與Al2O3的混合物，而純Al2O3總體粒徑相對(duì)更小，更容易進(jìn)入DPF微孔，而小粒徑灰分本身就類似顆粒物進(jìn)入DPF微孔，阻止了更小粒徑的顆粒物進(jìn)入，對(duì)沉積有積極的影響。