顆粒捕集器

顆粒捕集器是一種安裝在柴油發動機排放系統中的陶瓷過濾器，它可以在微粒排放物質進入大氣之前將其捕捉。

柴油機顆粒捕集器：DPF（Diesel Particulate Filter），汽油機顆粒捕集器：GPF（Gasoline Particulate Filter）。

基本介紹

• 中文名：顆粒捕集器
• 外文名：Particulate
• 作用：有效的減少微粒物的排放
• 再生方法：主動再生和被動再生

簡介

發動機的污染主要來自4個組成部分—— 微粒排放物質（PM）、碳氫化合物（HCx）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒排放物質（菸灰）大部分是由碳或碳化物的微小顆粒（尺寸小於4-20 μ m）所組成的。

顆粒捕集器能夠減少發動機所產生的菸灰達90%以上。捕捉到的微粒排放物質隨後在車輛運轉過程中燃燒殆盡。它的工作基本原理是： 如柴油微粒過濾器噴塗上金屬鉑、銠、鈀，柴油發動機排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進入發動機尾氣微粒捕集器，經過其內部密集設定的袋式過濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈製成的過濾器上； 當微粒的吸附量達到一定程度後，尾端的燃燒器自動點火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對人體無害的二氧化碳排出。為了做到這一點，排氣後處理系統套用了先進的電控系統、催化塗層和燃料添加型催化劑（FBC）。這種燃料添加型催化劑包含諸如鈰、鐵和鉑等金屬。這些材料按比例加入到燃料中，在發動機控制系統的幫助下不僅控制微粒排放物質的數量，而且還控制碳氫化合物和污染氣體等污染物的排放量。 捕捉器的再生或淨化功能必須在可控的基礎上完成，以保持捕集器不被菸灰堵塞。在淨化周期結束以後，任何殘留灰塵或濾渣最終都將在日常維護中被人為地清除。

顆粒捕集器可以有效地減少微粒物的排放，它先捕集廢氣中的微粒物，然後再對捕集的微粒進行氧化，使顆粒捕捉器再生。所謂過濾器的再生是指在長期工作中，捕集器里的顆粒物逐漸增加會引起發動機背壓升高，導致發動機性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復捕集器的過濾性能。捕集器的再生有主動再生和被動再生兩種方法：主動再生指的是利用外界能量來提高捕捉器內的溫度，使微粒著火燃燒。當捕集器中的溫度達到550℃時，沉積的顆粒物就會氧化燃燒，如果溫度達不到550 ℃，過多的沉積物就會堵塞捕捉器，這時就需要利用外加能源（例如電加熱器，燃燒器或發動機操作條件的改變）來提高DPF內的溫度，使顆粒物氧化燃燒。被動再生指的是利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒的著火溫度，使微粒能在正常的發動機排氣溫度下著火燃燒。添加劑（有鈰，鐵和鍶）要以一定的比例加到燃油中，添加劑過多會影響DOC的壽命，但是如果過少，就會導致再生延遲或再生溫度升高。

汽油機顆粒捕集器GPF

顆粒物過濾機理

隨著國六排放法規的逐步實施，為了減少汽油機顆粒物排放，GPF已經成為其後處理系統的標準配置。GPF過濾機理與DPF基本相同，排氣以一定的流速通過多孔性的壁面，這個過程稱為“壁流”（Wall－Flow）。壁流式顆粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成，通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過，顆粒物分別經過擴散、攔截、重力和慣性四種方式被捕集過濾。大量研究表明，壁流式過濾器是目前減少顆粒排放最有效的手段。

GPF結構設計

1、GPF過濾材料選擇

決定汽油機顆粒捕集器性能的關鍵是過濾材料，其過濾能力、機械強度、熱穩定性、散熱能力等物理性能直接影響GPF的結構設計，從而影響GPF的過濾效率、排氣背壓、使用壽命等指標。與DPF過濾材料性能要求相似，GPF過濾材料需具備以下性能：

1） 較高的過濾效率、較低的排氣阻力；

2） 較小的熱膨脹係數、熱穩定性好及能承受較高的熱負荷；

3） 良好的抗高溫性和耐熱衝擊性、耐腐蝕性；

4） 較高的機械強度和抗振動性。

GPF過濾材料主要是堇青石、SIC、AT、合金。

2、裝排比設計

低背壓設計的GPF捕集器長度與直徑的比值（L/D）、安裝位置對壓降有重要影響，L/D從1.1減小到0.6後，壓降將減小52%。綜合考慮碳載能力、效率和空間要求，選擇GPF裝排比為1：1.1，L/D=1：1.1。其中，D=118.4mm，L=127.0mm。

3、結構參數設計

為了滿足效率、碳載和背壓的需求，應合理的設計GPF孔隙率、孔徑及目數/壁厚等結構參數，使其滿足高效率、高碳載量、低背壓及耐熱性高等特性。同時，為了保證再生可靠和避免二次污染，塗敷少量催化劑有助GPF被動再生。目前，GPF商業化產品套用主要有H1和H2兩種技術。其中，H1技術的載體承載低塗敷，為0～50g/L，H2技術的載體承載高塗敷，一般為50～150g/L。顯然，H2技術比H1技術的GPF孔隙率大，在相同的排氣流量/溫度下，背壓減小，但目數/壁厚型譜較多，其壁厚/目數、塗覆量需要根據背壓計算和排放測試結果來確定。

柴油機顆粒捕集器DPF

簡介

具有良好燃油經濟性和動力性的柴油機廣泛套用於各個行業，如機動車、發電機組、船舶等。然而，柴油機的顆粒物 （PM） 排放一直備受關注。PM 能長時間懸浮在空氣中，污染環境並影響到人類的身心健康。隨著柴油機排放標準的日趨嚴格，柴油機顆粒捕集器 （DPF） 成為了柴油車尾氣排放達到標準的必備技術之一。DPF 在設計上必須從功能、性能、維護等方面考慮，即過濾效率、壓差損失、耐高溫、抗灰分腐蝕、清灰里程等。

工作原理

壁流式 DPF 的工作原理見圖。

相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵孔，迫使氣流通過多孔的壁面，而顆粒物被捕集在壁面孔內以及入口壁面上，其捕集效率可達90%以上。自 2000 年法國標緻雪鐵龍公司開始量產裝有 DPF 柴油轎車以來，DPF 商業化套用已有 15 年歷史。各種氧化物和非氧化物材料套用於 DPF，各種結構的 DPF 得到發展。由於DPF 工作在高溫和腐蝕性尾氣中，DPF 材料需要具有抗灰分腐蝕、耐熱衝擊等優良特性。理論上，具有低熱膨脹係數和高導熱係數的材料最適合於 DPF套用，高導熱係數使得 DPF 在再生過程中溫度分布均勻；而低熱膨脹係數有助於降低 DPF 再生時產生溫度梯度而導致的熱應力，從而避免 DPF 產生裂縫。清灰里程是 DPF 設計必須考慮的一個重要指標。為了延長 DPF 清灰里程，DPF 往往採用大的入口過濾體積設計。如日本 Ibiden （揖斐電）公司採用入口為八邊形結構的 DPF，而日本 Sumit-omo（住友）公司則採用非對稱六邊形結構 DPF，法國 Saint-Gobain 公司則採用非對稱波紋結構 DPF 等。各種催化劑塗敷技術套用於 DPF，以降低再生溫度，減少顆粒（PM）排放，以及減少安裝空間尺寸 （SCR on DPF 技術） 等，DPF 的內部結構也在不斷變化，以適應新的催化劑塗敷技術的發展。

DPF 材料

由於 DPF 需要在高溫、腐蝕氛圍中長時間工作，因此 DPF 材料需要具備優良的熱穩定性、高的機械強度、良好的耐熱衝擊等性能。理論上最佳的 DPF 材料應具備高的導熱係數和低的熱膨脹係數。較高的導熱係數使得 DPF 再生時，其內部溫度分布均勻，產生小的最高溫度和溫度梯度。而低的熱膨脹係數能有效地減少 DPF 由於徑向和軸向的溫度梯度產生的壓縮和拉伸應力，避免 DPF 過早產生裂縫，甚至造成 DPF 破裂，使得其由於 PM過濾效率急劇下降而失效。

由於成本低，堇青石 DPF 被廣泛套用於重卡排放控制，同時，還具備熱膨脹係數低的優點，可以做成整體式結構。但是由於其熔點和熱容較低，易與灰分產生共熔，在不可控再生情況下，容易被燒穿。鈦酸鋁 DPF 具有優異的抗熱衝擊性能，儘管其導熱係數低，但是熱容量較大，適合做成整體結構。莫來石 DPF 微觀結構由大量針狀的莫來石晶粒互鎖而成，具有大的孔隙率和平均孔直徑，以及高的比表面積，適合大的催化劑塗敷量套用；但是其具有大的熱膨脹係數，需要做成分割式結構。碳化矽 DPF 具有高的機械強度、不易疲勞、耐酸和灰分的腐蝕，同時還具備大的熱容量和導熱係數，高的熱膨脹係數，使其不能做成整體結構。氮化矽的導熱係數和熱膨脹係數介於堇青石與碳化矽之間，楊氏模量較低，具有優異的抗熱衝擊能力，可以做成一個不需要分割的整體式結構DPF。氮化矽 DPF 的微觀結構具有很多微凸，能有效增加催化劑比表面積，提高碳煙與催化劑的接觸面積，能有效地改善 DPF 再生效率；但是由於其生產成本較高，目前商業化前景尚不明朗。被認為第三代 DPF 材料的鈦酸鎂，具有高的熱穩定性和分布比較窄的孔結構，使得鈦酸鎂 DPF 具有高的過濾效率和低的背壓損失，具有廣泛的套用前景，目前還處於實驗室研究階段。

DPF 結構

DPF 結構設計的主要目標： （1） 通過增大入口孔的過濾體積，增加 DPF 的儲灰能力，同時減少高碳煙負載時的背壓； （2） 通過最佳化 DPF 的孔隙率和平均孔直徑分布，適應不同催化劑塗敷量的要求 （in-wall coating），保持低的壓差損失； （3）通過在壁面上塗敷一層薄薄催化劑 （on-wall coat-ing） 的設計，可以提高 DPF 的初始 PM 過濾效率，以及再生效率，消除深層過濾。

所謂“in-wallcoating”塗敷技術就是把含有催化劑的漿料均勻地分布在 DPF 過濾壁內孔晶粒表面，達到增加碳煙與催化劑接觸面積的效果；而“on-wall coating”技術就是在 DPF 入口過濾壁表面上塗敷一層很薄的含催化劑的漿料，消除 DPF 壁深層過濾。

1、DPF 孔結構演變

傳統壁流式 DPF 孔是方形孔結構，並交叉堵孔，迫使氣流流經過濾壁面，顆粒被捕集在壁內部孔表面上（深層過濾）和壁表面上，形成一層碳煙過濾層。當碳煙負載量較多時，表層過濾將會是影響 DPF壓力損失的主要因素，因而增加 DPF 的有效過濾面積，在同等的碳煙量情況下，累積在 DPF 過濾壁面上的碳煙厚度將減小；另外，提高 DPF 入口的開孔率，能有效提高 DPF 的過濾容積，加強 DPF 的灰分儲存能力，延長清灰里程。為此，不同的 DPF 研究者和生產企業對 DPF 孔結構進行了很多的創新設計。日本揖斐電公司作為全球碳化矽 DPF 市場的領導者，在 DPF 結構設計方面做出了很多創新，其中最具代表性的就是“OS”孔結構的 DPF，入口為八邊形，出口為正方形。“OS”孔結構 DPF 的清灰里程比傳統的對稱孔結構 DPF 的要長 30%。作為 DPF 市場的主要參與者，美國康寧（Corning）公司和日本NGK 公司也開發了類似孔結構的堇青石、鈦酸鋁、複合碳化矽等材料的 DPF。德國清潔柴油陶瓷公司（Clean Diesel Ceramic Gmb H） 開發了三角形孔結構DPF，與方形孔對稱結構 DPF 相比，過濾面積能增加 14%；但是該公司的產品以 200 目為主，主要套用於歐洲在用車改造市場。日本 TYK 公司開發出的六邊形碳化矽 DPF。法國 Saint-Gobain 開發的出波浪形非對稱結構碳化矽 DPF，能有效縮短 DPF 長度。日本住友公司開發的出非對稱六邊形孔結構鈦酸鋁 DPF（AT），有效過濾面積高達14cm²/cm³，已經在波蘭建廠，投入批量生產。為了進一步鞏固市場占有率，揖斐電公司在產品差異性上又做出了創新，採用有效的堵孔技術，並推出了所謂的“VPL”（Val-ued plugging Layout）DPF。其有效過濾面積高達15.5cm²/cm³，而且有效過濾體積也提高了 15%。這種獨特結構能縮小 DPF 體積達 33%，減少 DPF 的使用成本，而且還保持優良的性能。

2、DPF 孔隙率與平均孔直徑

重結晶碳化矽由於在高溫下燒結幾乎不收縮，孔的形成主要取決於具有雙峰粒徑分布的碳化矽粉的結合，因此能形成分布比較均勻的微孔分布。然而採用複合碳化矽、堇青石和鈦酸鋁這 3 種材料的DPF，由於使用了造孔劑，在燒成過程中，收縮率比較大，因而孔的平均直徑分布比較寬。

DPF 對 PM 的初始過濾效率主要取決於微孔結構，孔的平均直徑分布窄，對 PM 的過濾效率更高。當 DPF 捕集到一定量的 PM 時，DPF 微孔結構對 PM 的過濾效率沒有明顯的影響。

很顯然，重結晶碳化矽 DPF 初始的 PM 過濾效率要高於堇青石 DPF，當 PM 捕集到 0.5g/L 時，二者的 PM 過濾效率相當，高達99%。這是由於此時 DPF 從深層過濾過渡到表層過濾。

3、不同 DPF 技術的結構要求

所謂的“二合一 （Two in One）”技術就是把SCR 催化劑塗敷在 DPF 載體內，集 SCR 和 DPF 的功能於一體，這樣能有效降低成本，並減少系統的安裝空間。然而，跟傳統的基於 CDPF 再生技術和基於 FBC 再生技術的 DPF 結構相比，基於“二合一”技術的 DPF 需要更大孔隙率和平均孔直徑。由於基於 FBC 再生技術，放熱速度快，對DPF的熱衝擊比較大。對於這一情況，一般通過減少目數，增加壁厚，以及減少孔隙率和平均孔直徑等設計手段來增加 DPF 的熱容量，從而減少其在“發動機進入怠速運行 （Drop in Idle）”情況下的最高溫度和溫度梯度。CDPF 技術能有效降低 DPF 再生時的溫度，有助於提高燃油經濟性；但是一般催化劑塗敷量不是很大， 5~10g/L。因此套用於CDPF 技術的 DPF 需要適中的孔隙率和平均孔直徑。基於“二合一”技術往往要求高達 90~220g/L，甚至更高的催化劑塗敷量。這勢必導致 DPF的壓差增大，惡化燃油經濟性，因而設計高孔隙率和大平均孔直徑 DPF 滿足高塗敷量、低背壓要求。