孟忠偉 ，曾渤淞，冉格萌 ，陳 釗

(1. 西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039；2. 西華大學 汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

柴油機具有可靠、高效、經(jīng)濟性好和動力強勁等優(yōu)點，被廣泛應用于各大、中型載貨汽車和工程設備[1-2]．但近年來環(huán)境問題日益突出，人們越來越注重環(huán)境保護，與同排量的汽油機相比，柴油機的顆粒物排放是其30～80 倍[3-4]，因而柴油機的顆粒物(PM)排放大大限制了柴油機的應用．加裝柴油機顆粒捕集器(DPF)是目前機外降低PM 排放最有效的手段之一，和沒安裝DPF 的柴油機相比，其顆粒物排放最低可降至原來的5%以內(nèi)[5-6]．歐洲各國從2013年開始就全面實施歐Ⅵ排放法規(guī)，強制要求柴油車加裝壁流式DPF[7]，以降低顆粒物排放．中國從2020年開始正式實施國 Ⅵ a 階段標準，而要求更高、檢測更嚴的國 Ⅵ b 階段標準也將于2023 年開始實施，柴油車的國 Ⅵ b 階段排放限值與國Ⅴ限值相比，PM 限值降低了33%，且顆粒物數(shù)量濃度限制在6×1011個/km 以內(nèi)．雖然DPF 能有效降低柴油機的顆粒物排放，但顆粒物在DPF 內(nèi)的沉積過多會造成發(fā)動機排氣背壓升高[8]，為確保發(fā)動機的良好運行，當DPF中顆粒物沉積過多時，需要加入能量脈沖使DPF 內(nèi)沉積顆粒氧化，實現(xiàn)DPF 的再生[9]．DPF 的再生主要有主動再生、被動再生和混合再生(主被動)3 種方式．主動再生通常利用燃料燃燒器或電加熱裝置將DPF 入口端排氣溫度提高至550 ℃或更高[10]，使DPF 內(nèi)沉積的顆粒物在高溫下氧化燃燒，從而實現(xiàn)DPF 的再生；被動再生需要預先在DPF 通道壁面上涂覆可降低DPF 再生時所需溫度和能量的催化劑，使其僅在發(fā)動機尾氣的加熱下實現(xiàn)DPF 的再生；若同時采用以上兩種再生策略，即為混合再生[11]．

在DPF 的實際應用中，受限于主動再生所需的額外燃料消耗和載體的壽命，絕大部分柴油車安裝的顆粒捕集器均為涂有催化劑的催化型柴油機顆粒捕集器(CDPF)，以減少額外的燃料消耗和延長再生周期．雖然CDPF 可有效延緩顆粒物在載體內(nèi)部的積累，但當其長時間在被動再生平衡點溫度以下工作后，CDPF 仍需進行主動再生以清除所累積的顆粒物，降低發(fā)動機排氣背壓．針對DPF 和CDPF 的主動及被動再生，國內(nèi)外學者已開展大量相關研究．Wu 等[12]研究了進入實際DPF 的廢氣流量分布，結(jié)果表明：在DPF 的中心區(qū)域流量較大，因而DPF中心區(qū)域通常沉積更多的顆粒物．Meng 等[13]研究了過渡段長度對DPF 再生時的顆粒排放特性的影響，結(jié)果表明：與無過渡段時相比，當過渡段長度為50 cm 時，DPF 出口顆粒物平均粒徑及濃度均降低，原因是采用50 cm 過渡段時，碳黑在DPF 內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)均勻分布，而碳黑均勻分布時DPF 內(nèi)部不易產(chǎn)生溫度波峰，碳黑氧化速率相對緩慢．Sarli 等[14]研究了碳載量和催化劑活性對CDPF 再生過程的綜合影響，結(jié)果表明：在高碳載量條件下，碳煙燃燒更為劇烈，從而導致其短時間內(nèi)快速再生，進而導致溫度急劇升高．Smith 等[15]研究了兩款重型柴油車輛的主動和被動再生過程中的實時PM 排放，結(jié)果表明：再生顆粒物排放主要由粒徑小于100 nm 的顆粒物構(gòu)成，且大多數(shù)顆粒物的粒徑小于50 nm，強制主動再生可減少顆粒物質(zhì)量排放，但不會減少顆粒物數(shù)量排放；被動再生過程中，實時PM 排放率較低，這表明被動再生技術(shù)可以減少道路顆粒物和超細顆粒物的總排放量．Rothe 等[16]利用帶碳氫燃料噴射系統(tǒng)的重型柴油機研究了DPF 的主動再生對顆粒物排放的影響，結(jié)果表明：無催化劑涂層的DPF 在主動再生時，出口顆粒物數(shù)量濃度增幅并不明顯，但CO 和HC 濃度非常高．

以上研究為探索DPF 和CDPF 的主動再生排放特性奠定了良好的基礎，但上述研究未對DPF 和CDPF 在實際應用中的優(yōu)缺點進行分析，也沒有對二者主動再生時的顆粒物排放特性進行對比，此外二者再生時排放顆粒物來源也尚不明確，有必要深入研究有/無催化條件時(DPF 和CDPF)再生的顆粒排放特性，揭示再生顆粒排放機理，為厘清再生排放顆粒來源奠定基礎．因此，筆者通過顆粒物加載裝置和外加熱源再生臺架，在無來流顆粒物條件下，綜合探究DPF 和CDPF 主動再生時的排放特性差異，分析了兩者主動再生時的顆粒物排放特性和氣體排放特性，揭示主動再生時的顆粒排放來源．同時深度剖析兩種載體再生的優(yōu)缺點，為后處理系統(tǒng)的優(yōu)化和進一步控制DPF 主動再生時的顆粒排放進而實現(xiàn)柴油機“近零排放”提供試驗參考．

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗材料

試驗采用商用碳黑(PU)顆粒模擬真實柴油機顆粒，PU 具有較高的碳元素含量(≥98%)，是一種常用的模擬柴油機排放顆粒的商用碳黑[17]，其物性主要參數(shù)如表1 所示．

表1 PU主要參數(shù)Tab.1 Physical properties of PU

試驗用DPF 和CDPF 載體材質(zhì)均為堇青石，其長度為151.2 mm，直徑為144.1 mm，CDPF 所涂催化劑為鉑(Pt)，主要詳細參數(shù)如表2 所示．

表2 DPF和CDPF主要參數(shù)Tab.2 Physical properties of DPF and CDPF

1.2 顆粒物加載裝置

圖1 所示顆粒物加載裝置由顆粒物發(fā)生器、主體段和吸塵器構(gòu)成．經(jīng)空氣壓縮機壓縮后的高壓空氣通過調(diào)壓閥進入顆粒物發(fā)生器，將預先放置在顆粒物發(fā)生器內(nèi)的顆粒物揚起，形成氣溶膠．在工業(yè)吸塵器的抽吸作用下，氣溶膠進入顆粒物加載裝置主體段，氣溶膠通過DPF 載體的同時顆粒物在DPF 內(nèi)沉積，實現(xiàn)顆粒物的加載，圖2 為DPF 加載前、后對比．

圖1 顆粒物加載裝置示意Fig.1 Schematic diagram of particle loading device

圖2 DPF加載前、后對比Fig.2 Comparison of DPF before and after loading

1.3 外加熱源再生臺架

圖3 為外加熱源再生臺架示意，主要由流量控制器(萊峰 LF400)、電加熱器(Leister 10000 DF)、壓力傳感器(Omega PX409)、再生主體段和數(shù)據(jù)采集裝置組成．

圖3 外加熱源再生臺架示意Fig.3 Schematic of external heating source regeneration bench

空壓機產(chǎn)生的高壓空氣經(jīng)過濾器過濾后通過流量控制器，在流量控制器的控制下以試驗設定流量進入電加熱器被加熱至溫控儀設定的再生溫度，加熱器后端插有熱電偶對再生溫度實時監(jiān)測并反饋給溫控儀，進而維持再生溫度的穩(wěn)定．隨后高溫氣體進入再生主體段加熱DPF，使DPF 內(nèi)沉積的碳黑顆粒氧化燃燒，實現(xiàn)DPF 的再生．DPF 再生時的溫度場和壓降變化數(shù)據(jù)通過K 型熱電偶和壓力傳感器測量，由LabVIEW 采集程序進行采集和控制，并實時顯示和存儲．采用發(fā)動機排氣顆粒物粒徑譜儀(EEPS—美國TSI)和氣體分析儀(FGA10—德國SENSORS AMBⅡ)分別測量排氣出口處的顆粒物排放數(shù)據(jù)和氣體排放數(shù)據(jù)．

1.4 數(shù)據(jù)處理

在載體內(nèi)部共設置了14 個溫度測點，其中直徑為35 mm 處沿軸向均勻分布有5 個測點，直徑為72、95 和120 mm 分別有3 個軸向均勻分布的測點，具體分布如圖4 所示．

圖4 DPF內(nèi)部溫度測點分布Fig.4 Temperature measuring points inside DPF

Tmax為再生過程中載體內(nèi)部出現(xiàn)的最高溫度，通過K 型熱電偶測量得到，(dT/dx)max為載體內(nèi)部最大溫度梯度，由不同位置溫度測點所測得溫度數(shù)據(jù)計算得出．通過再生效率衡量再生的完成情況，若DPF完全再生，則再生效率為100%，用η表示再生過程的再生效率，則

式中：M0、M1和M2分別表示DPF 載體加載前、加載后和再生后的質(zhì)量．

試驗選取的試驗工況如表3 所示．選取了再生溫度分別為475、525 和575 ℃、碳載量分別為5.0、7.5 和10.0 g/L 進行試驗．

表3 再生試驗工況Tab.3 Experimental conditions for regeneration tests

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 DPF/CDPF主動再生時的氣體排放特性

2.1.1 再生溫度對DPF/CDPF 氣體排放特性的影響

在不同再生溫度下對DPF 進行再生，其碳載量和來流流量分別為7.5 g/L 和16.8 g/s，利用K 型熱電偶和氣體分析儀分別記錄DPF 再生過程中的溫度場數(shù)據(jù)和氣體排放數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5a 所示．隨著再生溫度的升高，DPF 出口CO 和CO2體積分數(shù)均升高．當再生溫度為575 ℃時，DPF 內(nèi)部出現(xiàn)溫度波峰，峰值溫度超過700 ℃，與此同時CO 體積分數(shù)先迅速升高至4.5×10-3左右后又迅速降低至2.0×10-3左右；而當溫度波峰出現(xiàn)時，CO2體積分數(shù)僅為1.674×10-3，遠低于CO 體積分數(shù)．

圖5 不同再生溫度下DPF和CDPF氣體排放特性Fig.5 Gas emissions characteristics of DPF and CDPF at different regeneration temperatures

這是因為DPF 再生時，再生溫度越高，PU 氧化速率也越快，釋放的能量也越多．當短時間內(nèi)PU 氧化量超過一定量時，氣流無法及時將這部分熱量帶走，此時DPF 內(nèi)部容易形成局部熱點(通常出現(xiàn)在DPF 中心末端)，而熱點區(qū)域溫度通常遠高于其他區(qū)域，導致該區(qū)域碳黑氧化速率更快、氧含量迅速降低，進而產(chǎn)生大量的CO．

在不同再生溫度下對CDPF 進行再生，其催化劑Pt 涂敷量為0.177 g/L，碳載量和來流流量分別為7.5 g/L 和16.8 g/s，CDPF 內(nèi)部最高溫度和出口氣體排放數(shù)據(jù)如圖5b 所示．和DPF 再生時一樣，CDPF在475 ℃下再生也沒有溫度波峰產(chǎn)生，但當再生溫度為525 ℃和575 ℃時，再生過程中出現(xiàn)明顯的溫度波峰，其峰值溫度分別為916 ℃和1 100 ℃．觀察其氣體體積分數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，無論再生溫度如何變化，再生過程中均無CO 釋放，所有的CO 均在催化劑的作用下被氧化成了CO2，因而其CO2峰值濃度最高可達9.447×10-3(575 ℃)．

由圖5 可知，未涂敷催化劑時，DPF 再生時很難形成溫度波峰，僅在再生溫度為575 ℃時出現(xiàn)一個較小的溫度波峰．而當DPF 載體涂敷上0.177 g/L 的催化劑Pt 時，不僅在525 ℃時便出現(xiàn)溫度波峰，且峰值溫度遠高于未涂敷時．除此之外，高體積分數(shù)的CO排放一直是DPF 主動再生過程中的一個難以避免的問題，但在CDPF 中，CO 在催化劑的作用下被繼續(xù)氧化成CO2，整個再生過程幾乎無CO 排放．這是因為Pt 有利于降低PU 和CO 氧化所需活化能，使其在更低的溫度下反應，有利于熱量的累積．同時，根據(jù)碳黑氧化的熱化學方程式為

式中： ΔH 為反應焓值差．顯然CO 氧化成CO2時釋放的能量遠高于C 氧化成CO 時釋放的能量．因此，CO 在催化劑Pt 的作用下氧化生成CO2的同時，熱量迅速在CDPF 內(nèi)部累積，形成溫度波峰．

不同再生溫度下DPF 和CDPF 的再生效率和最大溫度梯度如圖6 所示．當再生溫度為475 ℃時，DPF 和CDPF 再生效率非常接近，均不超過15%．當再生溫度為525 ℃時，CDPF 再生效率為54.08%，而此溫度下DPF 再生效率僅為38.07%．當再生溫度為575 ℃時，DPF 和CDPF 再生效率差距減小，此時ηCDPF僅比ηDPF高7.3%．以上結(jié)果表明，催化劑Pt 在溫度較低(475 ℃)且無NOx的情況下，對碳黑顆粒氧化的促進作用并不明顯，當再生溫度升高至525 ℃時，由于催化劑的促進作用，使熱量在CDPF 內(nèi)部迅速累積，形成溫度波峰，更多的碳黑顆粒在溫度波峰的作用下氧化，再生效率高于DPF．當再生溫度為575 ℃時，即使在沒有催化劑的情況下，DPF 內(nèi)部也出現(xiàn)了溫度波峰，這導致CDPF 原本的優(yōu)勢減弱，且此溫度下CDPF 再生效率已經(jīng)非常接近100%，難以繼續(xù)提升，而DPF 再生效率離100%尚有一段距離，還有提升的空間．因此，二者在575 ℃下再生效率差距相對525 ℃縮小，此時剩余碳黑主要分布在DPF 邊緣溫度較低的區(qū)域．

圖6 不同再生溫度下DPF和CDPF的再生性能Fig.6 Regeneration performance of DPF and CDPF at different regeneration temperatures

從圖6 中還可以發(fā)現(xiàn)，當再生溫度為525 ℃和575 ℃時，CDPF 內(nèi)部最大溫度梯度遠大于DPF．575℃時，CDPF 內(nèi)部最大溫度梯度超過142.2 ℃/cm，而此時DPF 內(nèi)部最大溫度梯度僅為41.7 ℃/cm，這是因為載體內(nèi)部溫度波峰僅在載體中心末端出現(xiàn)，此時載體內(nèi)部溫度分布不均勻，峰值溫度越高，其局部熱點處與其他位置溫差越大，溫度梯度也越大．由此可見，主動再生時，催化劑的涂敷雖然在一定程度上可以提高再生效率，但同時也會導致CDPF 內(nèi)部出現(xiàn)劇烈的溫度波峰，使CDPF 內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，載體有損壞的風險．相對于CDPF，DPF 可在相同碳載量條件下采用更高的再生溫度進行再生，以獲得更高的再生效率．

2.1.2 碳載量對DPF/CDPF 氣體排放特性的影響

在不同碳載量下對DPF 進行再生，其再生溫度和來流流量分別為525 ℃ 和16.8 g/s，DPF 內(nèi)部最高溫度和出口氣體排放數(shù)據(jù)如圖7a 所示．隨著碳載量的增加，CO 和CO2體積分數(shù)均有所增加，但即使是碳載量為10.0 g/L 時，CO 和CO2最大體積分數(shù)也不到1.3×10-3．3 種碳載量條件下，DPF 內(nèi)部均無溫度波峰出現(xiàn)，說明在無催化劑的情況下，碳載量的增加(低于10.0 g/L 時)不會使DPF 內(nèi)部形成局部熱點．觀察其最高溫度曲線發(fā)現(xiàn)，3 種碳載量條件下的溫度曲線幾乎完全重合，說明碳載量的增加對DPF載體升溫速率的影響較小．3 種碳載量下，碳黑氧化速率相同但絕對氧化量不同，因而碳黑氧化所釋放的熱量也不相同，但均被來流完全帶走，未對其溫度曲線造成影響．

圖7 不同碳載量下DPF和CDPF氣體排放特性Fig.7 Gas emissions characteristics of DPF and CDPF at different PU loading

在不同碳載量下對CDPF 進行再生，其再生溫度和來流流量分別為525 ℃和16.8 g/s，CDPF 內(nèi)部最高溫度和出口氣體排放數(shù)據(jù)如圖7b 所示．當碳載量為5.0 g/L 時，其最高溫度曲線出現(xiàn)了一個600 ℃左右的溫度波峰，當碳載量達到7.5 g/L 和10.0 g/L 時，CDPF 內(nèi)部最高溫度迅速升高，分別為916.4 ℃和1 080.2 ℃．同樣地，溫度波峰的出現(xiàn)伴隨著高體積分數(shù)CO2的釋放，碳載量越大其CO2峰值濃度越大，且3 種碳載量條件下均無CO 產(chǎn)生．由此可見，CDPF再生時的能量來源除了加熱器外，還可以有效利用CDPF 內(nèi)部碳黑顆粒氧化燃燒放熱，使熱量在載體內(nèi)部累積，形成溫度波峰，進而促進再生．而DPF 再生時，由于沒有催化劑的作用，內(nèi)部碳黑氧化速率過慢和氧化不完全都使熱量不能在DPF 內(nèi)部有效累積，無法形成溫度波峰．

不同碳載量下DPF 和CDPF 的再生效率和最大溫度梯度如圖8 所示．隨著碳載量的增加，DPF 的再生效率和內(nèi)部最大溫度梯度幾乎沒有變化，CDPF 的再生效率隨著碳載量的增加有小幅升高，但同時CDPF 內(nèi)部最大溫度梯度隨著碳載量的增加急劇增大，當碳載量為10.0 g/L 時，其內(nèi)部最大溫度梯度高達140.6 ℃/cm．碳載量為5.0 g/L 時，DPF 和CDPF的再生效率分別為37.4%和49.8%，而當碳載量為10.0 g/L 時，兩者再生效率分別為36.7%和66.0%．由此可見，催化劑的涂敷在高碳載量條件下對DPF 再生的促進作用更強．原因是在催化劑的作用下，CO完全氧化生成CO2，使CDPF 內(nèi)部溫度高于DPF，有利于溫度波峰的產(chǎn)生，在短時間內(nèi)大量熱量累積在CDPF 內(nèi)部，有利于碳黑顆粒的氧化燃燒．同時，過高的碳載量也會使CDPF 在再生時有損壞的風險，而碳載量的增加雖然不能使DPF 的再生效率明顯提升，但其內(nèi)部溫度梯度也相對較低，因而DPF 的抗風險能力強于CDPF，更適合在高再生溫度和高碳載量條件下再生．換句話說，在不考慮CDPF 的被動再生時，DPF 的主動再生周期可以更長一些．

圖8 不同碳載量下DPF和CDPF再生性能Fig.8 Regeneration performance of DPF and CDPF under different PU loading

2.2 DPF/CDPF主動再生時的顆粒物排放特性

2.2.1 再生溫度對DPF/CDPF 顆粒物排放特性的影響

在不同再生溫度條件下對DPF 進行再生，碳載量和來流流量分別為7.5 g/L 和16.8 g/s，采用發(fā)動機排放顆粒物粒徑譜儀(EEPS)記錄再生過程顆粒物排放數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9 所示．在DPF 升溫階段，所有溫度條件下均出現(xiàn)一個30 nm 以下的小顆粒釋放窗口，顆粒物數(shù)量濃度約為5×106個/cm3，持續(xù)30～50 s，結(jié)合圖5a 可知，此時DPF 溫度約為400 ℃．當再生溫度為475 ℃和525 ℃時，再生階段幾乎無顆粒物釋放(小于5×104個/cm3)，當再生溫度為575 ℃時，440 s 時出現(xiàn)一個非常短暫的顆粒物釋放窗口，持續(xù)時間不超過10 s．

圖9 不同再生溫度下DPF出口的顆粒物排放Fig.9 Particulate emissions of DPF at different regeneration temperatures

出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是因為試驗所用的PU 碳黑含有5%的揮發(fā)物成分，主要為碳氫化合物，溫度較低時吸附在碳黑顆粒表面，當溫度升高時轉(zhuǎn)化為氣態(tài)逃逸出DPF[18]．當EEPS 采樣時，氣態(tài)的揮發(fā)物成分在采樣管道中再次冷凝形成小液滴，帶上電荷后被EEPS 誤識別為小顆粒物．當再生溫度為575 ℃時，440 s 左右出現(xiàn)顆粒物釋放窗口的原因是：此時DPF內(nèi)部出現(xiàn)了一個較低的溫度波峰，而這時DPF 內(nèi)部溫度場突變，使再生產(chǎn)生的部分小顆粒物穿透DPF，溫度波峰消失后，DPF 內(nèi)部溫度場趨于穩(wěn)定，該窗口也隨之消失．

在不同再生溫度條件下對CDPF 進行再生，碳載量和來流流量分別為7.5 g/L 和16.8 g/s，結(jié)果如圖10所示．當再生溫度為475 ℃，整個再生過程中均未出現(xiàn)顆粒物釋放窗口．當再生溫度為525 ℃、再生進行至350 s 左右時，CDPF 出口開始出現(xiàn)較高濃度的核模態(tài)顆粒(小于30 nm)，顆粒物數(shù)量濃度逐漸升高至5×108個/cm3以上．隨后，其顆粒物數(shù)量濃度先降低至8×107個/cm3后隨著再生的進行而緩慢升高，1 300 s 左右關閉加熱器后，顆粒物濃度逐漸降低．當再生溫度為575 ℃時，在400 s 后CDPF 出口均有較高濃度的核膜態(tài)顆粒物釋放．對比圖9 發(fā)現(xiàn)，CDPF再生時升溫階段未出現(xiàn)顆粒窗口，其顆粒物釋放主要在溫度波峰出現(xiàn)后，且一直持續(xù)至再生過程結(jié)束．

圖10 不同再生溫度下CDPF出口的顆粒物排放Fig.10 Particulate emissions of CDPF at different regeneration temperatures

導致上述結(jié)果的原因是：當CDPF 溫度升高至400 ℃左右時，吸附在碳黑顆粒表面的揮發(fā)物成分蒸發(fā)為氣態(tài)，與壁面上涂敷的Pt 接觸，在較低的溫度下即被氧化，因而升溫階段不再出現(xiàn)顆粒物釋放窗口．當再生溫度為475 ℃時，即使是涂有催化劑的CDPF，其再生效率也非常低，因而幾乎沒有顆粒物釋放．當再生溫度達到525 ℃及以上時，溫度波峰的出現(xiàn)使CDPF 內(nèi)部的碳黑顆粒層劇烈氧化、破裂，產(chǎn)生大量的核模態(tài)顆粒，且在CDPF 再生時，碳黑顆粒層的氧化過程是“上下同時(top and bottom)[19]”進行的，產(chǎn)生的核模態(tài)顆粒容易穿透CDPF 壁面，而DPF再生時，碳黑顆粒層的氧化過程是“自上而下(top to bottom)[19]”進行的，生成的核模態(tài)顆粒大部分在穿過碳黑顆粒層時被攔截，因而CDPF 再生時出口顆粒物濃度遠高于DPF．

2.2.2 碳載量對DPF/CDPF 顆粒物排放特性的影響

在不同碳載量條件下對DPF 進行再生，再生溫度和來流流量分別為525 ℃和16.8 g/s，如圖11 所示．與不同再生溫度條件下試驗結(jié)果基本一致，3 種碳載量條件下在升溫階段均出現(xiàn)低濃度的核模態(tài)顆粒物釋放窗口，且在后續(xù)的再生過程中幾乎無顆粒物釋放．當碳載量為10.0 g/L 時，再生即將結(jié)束時DPF出口再次出現(xiàn)低濃度小粒徑顆粒物，顆粒物數(shù)量濃度約為5×105個/cm3，粒徑均小于10 nm，可能是長時間的高溫使DPF 內(nèi)部少量碳黑起燃，形成小范圍的高溫區(qū)，使少量核模態(tài)顆粒物穿透DPF 載體．結(jié)果表明，碳載量低于10.0 g/L 時，碳載量的變化幾乎不會影響DPF 再生時出口顆粒物排放特性，除了升溫階段出現(xiàn)的顆粒物釋放窗口，大部分時間DPF 出口的顆粒物數(shù)量濃度均低于5×104個/cm3．

圖11 不同碳載量下DPF出口的顆粒物排放Fig.11 Particulate emissions of DPF at different PU loading

在不同碳載量條件下對CDPF 進行再生，再生溫度和來流流量分別為525 ℃和16.8 g/s，結(jié)果如圖12所示．當碳載量為5.0 g/L 時，在400 s 左右時開始出現(xiàn)較高濃度的核模態(tài)顆粒，隨后顆粒物數(shù)量濃度也是先降低后又逐漸升高，且由于其碳載量較低，整體濃度略低于碳載量為7.5 g/L 時．當碳載量為10.0 g/L時，300 s 開始釋放高濃度顆粒物，且其最大粒徑超過50 nm，其顆粒物數(shù)量濃度等高圖呈兩頭大中間小的“啞鈴型”．結(jié)合圖10 發(fā)現(xiàn)，碳載量的增加主要影響“啞鈴”前端的顆粒物排放，即CDPF 再生時溫度波峰出現(xiàn)時刻的顆粒物數(shù)量濃度隨碳載量的增加而增大，而“啞鈴”后端的顆粒物濃度主要受再生溫度的影響，即使是5.0 g/L 時，其最大顆粒物數(shù)量濃度也接近5×108個/cm3．

圖12 不同碳載量下CDPF出口的顆粒物排放Fig.12 Particulate emissions of CDPF at different PU loading

2.3 CDPF出口顆粒物來源分析

CDPF 出口顆粒物質(zhì)量濃度如圖13 所示，當再生溫度為475 ℃時，再生過程所釋放的顆粒物質(zhì)量幾乎可以忽略不計．隨著再生溫度和碳載量的增加，CDPF 再生過程顆粒物質(zhì)量濃度均增加，尤其是當碳載量為10.0 g/L、再生溫度為525 ℃時，其顆粒物質(zhì)量濃度可達1 700μg/m3以上，遠高于其他試驗條件，這是因為在碳載量為10.0 g/L 時，其400 s 左右時釋放的顆粒物粒徑向大粒徑偏移，導致顆粒物質(zhì)量排放陡增．當再生溫度為575 ℃、碳載量為7.5 g/L 時，CDPF 出口顆粒物質(zhì)量濃度均保持在較高水平(200μg/m3左右)，僅在溫度波峰結(jié)束后略微降低后又迅速回升．顆粒物質(zhì)量濃度曲線在再生開始和結(jié)束時各出現(xiàn)一個顆粒物質(zhì)量濃度波峰，這與圖10 和圖12 中的顆粒物數(shù)量濃度“啞鈴型”分布相吻合．

圖13 CDPF出口顆粒物質(zhì)量濃度Fig.13 Mass concentration of particulate matter at CDPF outlet

根據(jù)DPF 和CDPF 特點，建立碳黑顆粒層氧化模型，如圖14 所示．CDPF 再生時，接觸到催化劑的PU 顆粒首先被氧化、破碎，顆粒層上、下表面均有大量核模態(tài)顆粒物生成，而顆粒層下表面產(chǎn)生的顆粒物可直接進入CDPF 壁面微孔，并在氣流的吹掃作用下被吹出孔道；DPF 再生時，碳黑顆粒層的上表面在高溫來流的加熱下優(yōu)先氧化燃燒，燃燒時同樣會生成大量核模態(tài)顆粒物，但這部分顆粒物大部分被顆粒層所攔截，無法穿透DPF 載體．綜上所述，CDPF 主動再生時的顆粒物主要來源于顆粒層的破碎重組產(chǎn)生的游離碳黑顆粒，而DPF 由于顆粒層的攔截作用，其再生時顆粒物排放較低．

圖14 碳黑顆粒層氧化示意Fig.14 Schematic diagram of PU particle layer oxidation

3 結(jié) 論

基于外加熱源再生臺架，探究了催化劑對DPF出口氣體和顆粒物排放特性的影響，結(jié)論如下：

(1) 催化劑Pt 的涂敷有利于PU 的氧化，在相同碳載量條件下，CDPF 更易產(chǎn)生溫度波峰，再生效率略高于DPF，但同時也會產(chǎn)生較大的溫度梯度，使載體有損壞的風險．

(2) CDPF 再生時幾乎沒有CO 生成，而DPF 再生總是伴隨著CO 的生成，且CO 體積分數(shù)隨著再生溫度和碳載量的升高而增加，當再生溫度為575 ℃時，DPF 出口最高CO 體積分數(shù)超過4.0×10-3．

(3) DPF 在升溫階段總會出現(xiàn)一個核模態(tài)顆粒物釋放窗口，顆粒物數(shù)量濃度約為5×106個/cm3，可能是PU 中的揮發(fā)性成分在采樣管中冷凝成小粒徑顆粒所致，而CDPF 在升溫階段沒有該窗口出現(xiàn)．

(4) 當再生溫度高于475 ℃時，CDPF 再生階段會釋放大量30 nm 以下的核模態(tài)顆粒物，這是由于再生時PU 顆粒層被氧化破碎，產(chǎn)生二次顆粒物穿透壁面；且顆粒濃度隨再生溫度和碳載量的升高而增加．

(5) 在研究條件下，CDPF 再生時再生溫度和碳載量優(yōu)化窗口分別為525～575 ℃和5.0～7.5 g/L；而DPF 可以在較高的再生溫度(575 ℃)和碳載量(10.0 g/L)下進行再生，且高碳載量再生有利于延長其再生周期、降低再生頻率．