颗粒捕集器（DPF）简介

日益严格的排放法规要求柴油机在使用清洁燃料和机内净化的同时，必须采用必要的后处理净化装置，颗粒捕集器(DPF)是处理PM排放最常用的后处理技术。

DPF的主体部分是过滤载体，按材料主要分为陶瓷基和金属基两大类。陶瓷基DPF载体材料有堇青石、碳化硅、莫来石、氧化锆等；金属基DPF载体材料有烧结金属式、泡沫金属、金属丝网等。目前，最常用的过滤体材料为堇青石和碳化硅。

DPF的设计结构有壁流式、流体式等，最常见的是壁流式。该类型DPF通常采用圆柱形陶瓷结构，在轴向上形成许多的细小、平行通道。不同于一般流通式结构的捕集器，壁流式滤芯结构在过滤层相邻的通道中，选择两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面，实现对颗粒物的捕集，其气体流动路线如图1所示。

蜂窝陶瓷颗粒捕集器滤芯的排气流动阻力主要和滤芯表面上沉积的微粒层厚度成正比。单位体积中的过滤面积越大，微粒层厚度增长越慢，流动阻力增长也慢。从这个角度来看，滤芯的蜂窝密度越大越好，通道壁厚越薄越好。但蜂窝密度太大，通道太小，积聚下来的微粒会增加排气流动阻力，甚至堵塞通道。因此，滤芯的通道不能做得太小。

颗粒捕集器的微孔通常是微米级的，这要比碳烟粒子大得多，所以微孔并不能直接起到净化的作用，而是通过其他的机制，主要包括扩散机理、拦截机理、惯性碰撞机理和重力沉积机理四种。

扩散机理是指流场中出现被捕集的颗粒物后，捕集的颗粒物对其余颗粒物有汇聚的作用，造成颗粒物分布的浓度梯度，进而产生颗粒物的扩散输运，最终造成颗粒物的扩散捕集。

拦截机理是指直径大于或等于滤芯微孔直径的颗粒物在接近过滤表面时被捕集。

惯性碰撞机理是指排气流过微孔时，流线弯曲，但由于颗粒物质量远大于气体微团质量，故而撞击滤芯过滤表面，从而被捕集。

重力沉积机理是指颗粒物在重力的作用下靠近过滤表面而被捕集的现象，但

由于颗粒物质量小、排气流速快，因此常忽略重力沉积的影响。

DPF工作过程中，颗粒物的性质、排气流量、温度、DPF的规格和材料特性对DPF的捕集效率有重要影响。

随着颗粒物捕集，DPF中碳载量增加，柴油机排气背压增加，当柴油机排气

背压超过一定限值时，柴油机工作性能明显下降，必须及时清除滤芯内沉积的颗

粒物，也就是DPF再生。其基本原理是微粒发生氧化反应变成CO2，随排气一起排入大气。其再生过程与下列因素有关：总积累的微粒量，微粒储存密度及分布情况，排气流速，捕集器向外传热情况，微粒的活化反应能力。颗粒捕集器的再生可分为主动再生和被动再生两大类。

主动再生指由外界提供附加能源，提高滤芯的温度，使沉积在滤芯中的微粒燃烧，恢复滤芯的洁净状态，包括升温再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波再生等。

(1)升温再生

柴油机可采用进排气节流、缸内后喷等方式快速提升DPF入口温度，吉林大学王丹发现缸内后喷能将DOC出口温度提升至650℃，此温度下大部分PM都将被氧化，再生效果好，然而这种方法会导致油耗上升和二次污染。

(2)喷油助燃再生

喷油助燃再生是在颗粒捕集器入口前增加一套喷油器，喷入少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火花塞或电热塞点燃，高温燃气再点燃微粒，一般经过1～2min后，即可完成再生过程。

这种方法可以在绝大部分情况下再生，再生效果好，但需要额外增加一套燃油供给装置，成本较高，并且喷油助燃再生时不能急加速，否则气流容易吹熄火焰。

(3)电加热再生

电加热再生即采用通电加热方法对颗粒捕集器加热，以促使微粒起燃。电加热再生微粒捕集器有多种型式。一种为捕集器滤芯是在金属电阻加热管上，缠绕着连续的陶瓷纤维。加热管的一端为排气入口，而另一端则是封闭的，迫使排气经过陶瓷纤维后流出，通过电压为12V的直流电源向加热管供电。另一种技术是利用具有高导电性能的结晶SiC作为过滤材料。当需要再生时，将电流直接通过导电的捕集器材料，使其加热温度升高，从而让沉积在上面的微粒温度升高燃烧。

电加热再生温度管理灵活，可提高冷启动和低温性能，但电加热控制系统要求较高，成本高，耗电量也高。此外，加热的不均匀性可能会造成滤芯再生不均匀，果绿体局部过热而损坏。

(4)微波再生

微波加热再生是利用微波能独有的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的PM进行加热，使颗粒着火燃烧。

微波再生处理效果是由微粒捕集器过滤体材料与沉积在其表面的颗粒物的不同介电性能决定的。如果选用的基质材料对微波是透明的，那么选择加热微粒的效果将会很成功；反之，如果采用吸收微波的材料，将导致捕集器和微粒的同时加热。

被动再生是利用化学催化的方法降低微粒的反应活性．能使微粒在柴油机正常运行条件下燃烧，达到再生目的。包括利用NO2再生、催化燃烧再生过滤器(CDPF)再生、燃油添加剂再生。

(1)利用NO2再生

这种方法是DOC和DPF配合使用，当柴油机排气通过DOC时，温度在200-600℃条件下，CO和HC首先几乎全部被氧化成CO2和H2O，NO被转化为NO2。然后NO2氧化DPF中的微粒生成CO2，而NO2又被还原成NO，从而达到再生的目的。

利用NO2再生占用空间小，成本也不高，但这项技术要求NOx与PM的比最小为15：1，且只适用于低硫柴油机，硫含量过高会生成硫酸盐，影响其使用。同时被动再生需要适合的排气温度，温度过高，NO2分解加速，不能形成足够的NO2；温度太低，NO2氧化C的速度太慢。

(2)催化燃烧再生过滤器(CDPF)再生

CDPF是过滤体壁上直接涂覆氧化型催化剂，降低碳烟的着火温度，使其能在正常的柴油机排气温度下燃烧，在特定的温度窗口(T>320-350℃)能完全再生。这项技术对柴油硫含量要求也较高，需要发动机热管理，排气温度低时会导致排放增加。

(3)燃油添加剂再生

燃油添加剂一般为可溶性的金属或金属盐等，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，降低微粒起燃温度，从而在较低的排气温度下不需外部能源，过滤体能自行再生。但燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来。积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命，若沉积过多，将导致背压上升，影响柴油机的动力性和经济性，且排入大气中的金属漂尘又会引起二次污染。