[科普中国]-颗粒捕集器

颗粒捕集器是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。

柴油机颗粒捕集器：DPF（Diesel Particulate Filter），汽油机颗粒捕集器：GPF（Gasoline Particulate Filter）。

简介发动机的污染主要来自4个组成部分—— 微粒排放物质（PM）、碳氢化合物（HCx）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒排放物质（烟灰）大部分是由碳或碳化物的微小颗粒（尺寸小于4-20 μ m）所组成的。

颗粒捕集器能够减少发动机所产生的烟灰达90%以上。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。它的工作基本原理是： 如柴油微粒过滤器喷涂上金属铂、铑、钯，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟，通过专门的管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将炭烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上； 当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。为了做到这一点，排气后处理系统应用了先进的电控系统、催化涂层和燃料添加型催化剂（FBC）。这种燃料添加型催化剂包含诸如铈、铁和铂等金属。这些材料按比例加入到燃料中，在发动机控制系统的帮助下不仅控制微粒排放物质的数量，而且还控制碳氢化合物和污染气体等污染物的排放量。 捕捉器的再生或净化功能必须在可控的基础上完成，以保持捕集器不被烟灰堵塞。在净化周期结束以后，任何残留灰尘或滤渣最终都将在日常维护中被人为地清除。

颗粒捕集器可以有效地减少微粒物的排放，它先捕集废气中的微粒物，然后再对捕集的微粒进行氧化，使颗粒捕捉器再生。所谓过滤器的再生是指在长期工作中，捕集器里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复捕集器的过滤性能。捕集器的再生有主动再生和被动再生两种方法：主动再生指的是利用外界能量来提高捕捉器内的温度，使微粒着火燃烧。当捕集器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧，如果温度达不到550 ℃，过多的沉积物就会堵塞捕捉器，这时就需要利用外加能源（例如电加热器，燃烧器或发动机操作条件的改变）来提高DPF内的温度，使颗粒物氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的发动机排气温度下着火燃烧。添加剂（有铈，铁和锶）要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响DOC的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。1

汽油机颗粒捕集器GPF颗粒物过滤机理随着国六排放法规的逐步实施，为了减少汽油机颗粒物排放，GPF已经成为其后处理系统的标准配置。GPF过滤机理与DPF基本相同，排气以一定的流速通过多孔性的壁面，这个过程称为“壁流”（Wall－Flow）。壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成，通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道壁面通过，颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性四种方式被捕集过滤。大量研究表明，壁流式过滤器是目前减少颗粒排放最有效的手段。2

GPF结构设计1、GPF过滤材料选择

决定汽油机颗粒捕集器性能的关键是过滤材料，其过滤能力、机械强度、热稳定性、散热能力等物理性能直接影响GPF的结构设计，从而影响GPF的过滤效率、排气背压、使用寿命等指标。与DPF过滤材料性能要求相似，GPF过滤材料需具备以下性能：

1） 较高的过滤效率、较低的排气阻力；

2） 较小的热膨胀系数、热稳定性好及能承受较高的热负荷；

3） 良好的抗高温性和耐热冲击性、耐腐蚀性；

4） 较高的机械强度和抗振动性。

GPF过滤材料主要是堇青石、SIC、AT、合金。

2、装排比设计

低背压设计的GPF捕集器长度与直径的比值（L/D）、安装位置对压降有重要影响，L/D从1.1减小到0.6后，压降将减小52%。综合考虑碳载能力、效率和空间要求，选择GPF装排比为1：1.1，L/D=1：1.1。其中，D=118.4mm，L=127.0mm。

3、结构参数设计

为了满足效率、碳载和背压的需求，应合理的设计GPF孔隙率、孔径及目数/壁厚等结构参数，使其满足高效率、高碳载量、低背压及耐热性高等特性。同时，为了保证再生可靠和避免二次污染，涂敷少量催化剂有助GPF被动再生。目前，GPF商业化产品应用主要有H1和H2两种技术。其中，H1技术的载体承载低涂敷，为0～50g/L，H2技术的载体承载高涂敷，一般为50～150g/L。显然，H2技术比H1技术的GPF孔隙率大，在相同的排气流量/温度下，背压减小，但目数/壁厚型谱较多，其壁厚/目数、涂覆量需要根据背压计算和排放测试结果来确定。2

柴油机颗粒捕集器DPF简介具有良好燃油经济性和动力性的柴油机广泛应用于各个行业，如机动车、发电机组、船舶等。然而，柴油机的颗粒物 （PM） 排放一直备受关注。PM 能长时间悬浮在空气中，污染环境并影响到人类的身心健康。随着柴油机排放标准的日趋严格，柴油机颗粒捕集器 （DPF） 成为了柴油车尾气排放达到标准的必备技术之一。DPF 在设计上必须从功能、性能、维护等方面考虑，即过滤效率、压差损失、耐高温、抗灰分腐蚀、清灰里程等。

工作原理壁流式 DPF 的工作原理见图。

相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，迫使气流通过多孔的壁面，而颗粒物被捕集在壁面孔内以及入口壁面上，其捕集效率可达90%以上。自 2000 年法国标致雪铁龙公司开始量产装有 DPF 柴油轿车以来，DPF 商业化应用已有 15 年历史。各种氧化物和非氧化物材料应用于 DPF，各种结构的 DPF 得到发展。由于DPF 工作在高温和腐蚀性尾气中，DPF 材料需要具有抗灰分腐蚀、耐热冲击等优良特性。理论上，具有低热膨胀系数和高导热系数的材料最适合于 DPF应用，高导热系数使得 DPF 在再生过程中温度分布均匀；而低热膨胀系数有助于降低 DPF 再生时产生温度梯度而导致的热应力，从而避免 DPF 产生裂缝。清灰里程是 DPF 设计必须考虑的一个重要指标。为了延长 DPF 清灰里程，DPF 往往采用大的入口过滤体积设计。如日本 Ibiden （揖斐电）公司采用入口为八边形结构的 DPF，而日本 Sumit-omo（住友）公司则采用非对称六边形结构 DPF，法国 Saint-Gobain 公司则采用非对称波纹结构 DPF 等。各种催化剂涂敷技术应用于 DPF，以降低再生温度，减少颗粒（PM）排放，以及减少安装空间尺寸 （SCR on DPF 技术） 等，DPF 的内部结构也在不断变化，以适应新的催化剂涂敷技术的发展。1

DPF 材料由于 DPF 需要在高温、腐蚀氛围中长时间工作，因此 DPF 材料需要具备优良的热稳定性、高的机械强度、良好的耐热冲击等性能。理论上最佳的 DPF 材料应具备高的导热系数和低的热膨胀系数。较高的导热系数使得 DPF 再生时，其内部温度分布均匀，产生小的最高温度和温度梯度。而低的热膨胀系数能有效地减少 DPF 由于径向和轴向的温度梯度产生的压缩和拉伸应力，避免 DPF 过早产生裂缝，甚至造成 DPF 破裂，使得其由于 PM过滤效率急剧下降而失效。

由于成本低，堇青石 DPF 被广泛应用于重卡排放控制，同时，还具备热膨胀系数低的优点，可以做成整体式结构。但是由于其熔点和热容较低，易与灰分产生共熔，在不可控再生情况下，容易被烧穿。钛酸铝 DPF 具有优异的抗热冲击性能，尽管其导热系数低，但是热容量较大，适合做成整体结构。莫来石 DPF 微观结构由大量针状的莫来石晶粒互锁而成，具有大的孔隙率和平均孔直径，以及高的比表面积，适合大的催化剂涂敷量应用；但是其具有大的热膨胀系数，需要做成分割式结构。碳化硅 DPF 具有高的机械强度、不易疲劳、耐酸和灰分的腐蚀，同时还具备大的热容量和导热系数，高的热膨胀系数，使其不能做成整体结构。氮化硅的导热系数和热膨胀系数介于堇青石与碳化硅之间，杨氏模量较低，具有优异的抗热冲击能力，可以做成一个不需要分割的整体式结构DPF。氮化硅 DPF 的微观结构具有很多微凸，能有效增加催化剂比表面积，提高碳烟与催化剂的接触面积，能有效地改善 DPF 再生效率；但是由于其生产成本较高，目前商业化前景尚不明朗。被认为第三代 DPF 材料的钛酸镁，具有高的热稳定性和分布比较窄的孔结构，使得钛酸镁 DPF 具有高的过滤效率和低的背压损失，具有广泛的应用前景，目前还处于实验室研究阶段。1

DPF 结构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，以及再生效率，消除深层过滤。

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，消除 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 的有效过滤面积，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，能有效提高 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。日本揖斐电公司作为全球碳化硅 DPF 市场的领导者，在 DPF 结构设计方面做出了很多创新，其中最具代表性的就是“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 公司也开发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） 开发了三角形孔结构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 公司开发出的六边形碳化硅 DPF。法国 Saint-Gobain 开发的出波浪形非对称结构碳化硅 DPF，能有效缩短 DPF 长度。日本住友公司开发的出非对称六边形孔结构钛酸铝 DPF（AT），有效过滤面积高达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，采用有效的堵孔技术，并推出了所谓的“VPL”（Val-ued plugging Layout）DPF。其有效过滤面积高达15.5cm2/cm3，而且有效过滤体积也提高了 15%。这种独特结构能缩小 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 的过滤效率更高。当 DPF 捕集到一定量的 PM 时，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99%。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，这样能有效降低成本，并减少系统的安装空间。然而，跟传统的基于 CDPF 再生技术和基于 FBC 再生技术的 DPF 结构相比，基于“二合一”技术的 DPF 需要更大孔隙率和平均孔直径。由于基于 FBC 再生技术，放热速度快，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）”情况下的最高温度和温度梯度。CDPF 技术能有效降低 DPF 再生时的温度，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，甚至更高的催化剂涂敷量。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。31

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学