英语原文共 11 页

微型柴油机颗粒捕集器的净化效率及压降

摘要：

本文开发了一种评估微型柴油颗粒捕集器（DPFs）的方法。分别对碳化硅（SiC）微型DPF与具有代表性微结构的堇青石微型DPF进行测量以验证仪器和试验设备的性能。本文测量了已催化的和未催化的高级陶瓷材料（ACM）-针状莫来石和常用的商用过滤器的过滤效率（FE）、最大穿透粒径（MPPS）和压降，来确定基质形态、PM层的形成及催化剂涂层对过滤性能的影响。这个试验证明了过滤器的几何结构与微观结构显著地影响了过滤层的初始过滤性能。ACM颗粒捕集器有较高的初始过滤效率，且最大穿透粒径接近200纳米。在不减小孔隙率的情况下减小ACM孔径会使初始FE更加增加，但其对MPPS的影响无法解决。在ACM上的催化剂和活化涂层会增加压降但是也会增加初始过滤效率并且将最大穿透粒径减小到小于100纳米。添加涂层会使得PM层的快速形成，这导致了与未催化的ACM相比，催化ACM的过滤效率增长速率要更快。经过长时间的加载以后，ACM颗粒捕集器与堇青石颗粒捕集器过滤时的PM层形成的相似性与PM层的形成只取决于佩克莱数（Pe数）的理论相吻合，Pe数只由过滤器几何形状和当时的测试环境影响。

简介：

柴油发动机广泛用于汽车，运输，建筑设备，发电机，船用发动机和越野车辆中。2007年，美国环境保护局将用于道路上的重型柴油机的柴油颗粒物排放标准降低至0.0134g/kWh（0.01g/bhp-h），这比以前的标准降低了十倍。所以，柴油机制造商必须要在后处理技术上有明显的突破。为了满足柴油机颗粒物的道路标准和静态标准，制造商们需要使用后处理设备，如柴油机颗粒捕集器。美国环保局（US EPA 2011）和加州环境保护局空气资源委员会（CARB 2011）均对美国使用的废气排放控制设备进行认证。DPF通常是由堇青石或碳化硅（SiC）组成的壁流式过滤器。这类DPF相邻两个通道中，一个通道的出口被堵住，另一个通道的入口被堵住，这就使得排气由入口敞开的通道进入，穿过堇青石或SiC的壁面进入相邻的出口敞开通道，使得颗粒物被过滤在通道壁面上。(Konstandopoulos and Johnson 1989; Konstandopoulos and Papaioannou 2008).积累在壁面上的颗粒物会通过主动再生或者被动再生离开壁面，以防止增加发动机的背压。主动再生需要外部的设施，比如利用燃料后喷射至上游氧化催化剂中，而被动再生需要直接或间接使用催化剂再生技术。其他文献中也有详细的排放控制技术发展回顾。(Johnson 2004, 2008,2010)

DPF的过滤壁面也可以由ACM中的针状莫来石制成。制造ACM的方法机理是利用气体-固体催化反应将低温分解形成莫来石(Pyzik et al. 2008)。该工艺的独特特征是在莫来石中产生高度细长的晶粒结构。晶粒的形成和生长“互锁”微观结构，导致晶粒保持高孔隙率，晶粒稳定在1400-1450℃。为了改变针状尺寸、孔隙率及孔径分布，需要要控制ACM的生产过程。例如，针状长度可以在3到50微米之间，并且纵横比约为20。制造过程的灵活性使得能够生产不同材料的壁流式DPF和具有催化应用所需的高孔隙率的基材。使用ACM为材料的DPF已经证明了其具有高的过滤效率、低压降、高温耐久性且孔隙率为60%及以上时拥有出色的机械完整性。

这篇文章的关注点在对小型过滤器的评估。过去多年的研究致力于通过真实工况的排气和模拟气体/气溶胶的小型装置的实验室评估方法来了解排放控制系统的催化性能。对小规模设备的使用是催化剂工业的标准方法。近年来的研究已经将这种方法使用到对微粒过滤器的性能评估上。但是，相对地，这种方法也需要克服高温系统中颗粒测量的难题。小规模DPF评估的一个方法是使用从整个过滤器中切割出的单一通道。在室温下，对堇青石和SiC DPF的单个通道加载干燥的球形硫酸铵颗粒，结果表明，深度和PM层过滤方式可以通过模型气溶胶再现(Yang et al. 2009)。类似的对单层壁的DPF研究已经将这种技术发展为一种能使颗粒物在微观结构内沉积时可视化的手段。另一方面，ACM的单壁研究得出结论：由于实验误差太大，无法得出关于ACM微观结构对压降的影响的定量结论(Dillon et al. 2007a)。其他研究集中在使用“晶体”进行测量，其中将一片具有25.4mm直径圆形过滤面积的DPF材料切片放置在传统的DPM采样过滤器支架中(Wirojsakunchai et al. 2008)。这些实验使压降模型得以精确验证，因为环境条件易知并且定义明确，比如：面速度曲线。使用该方法严谨地测量速度对压降和PM渗透性的影响，进一步了解PM层形成的性质，这对于DPF设计优化是有用的。

本文的首要目标是开发出一种可供选择的测试方法，以同时评估微型，矩形，壁流式DPF的初始和瞬态过滤效率和压降特性。使用这种几何形状的DPF的合理性是它与商用的DPF有相似性。微型，多通道式矩形整体DPF的使用有助于缩小单壁式DPF研究之间的差距，这些研究对这类DPF的基本过程有深入的研究，但是在实验中是微不足道的。所以现在不能提供真实或精确的过滤和压降信息，也不能像全尺寸排气控制系统那样用传统测试来评估。传统测试的方法可以快速一致地评估过滤器独立控制温度，面速度和发动机运行条件。因此，它对于原型DPF的评估和筛选是有用的。在Swanson的论文中分别阐述了催化性能和过滤在实验中的类似测量(Swanson et al. 2013)。为了验证仪器和测试设备的性能，使用具有代表性微结构的微型SiC和堇青石过滤器进行测量。这个测量对于确保微型过滤器的试验结果正确性是必要的，其结果与全尺寸DPF结果在数量上相似。本文的第二个主要目的是测量微量催化和未催化的ACM，SiC和堇青石过滤器的FE，MPPS和压降，以确定基质形态的影响，PM层的形成，以及催化剂涂层对过滤性能的影响。我们的测量方法要求我们在计算FE之前消除半挥发性颗粒，这些颗粒通常在稀释和冷却过程中形成。这样才能保证表征颗粒是与被过滤的固体颗粒相同。尺寸的测量解决了固体颗粒的过滤效率。需要对已测量尺寸的固体颗粒FE进行测量，以了解微观结构的差异如何影响MPPS，MPPS表示受过滤机制（扩散，撞击和拦截）影响最小的颗粒尺寸及其对FE的总体影响（Hinds 1999）。在短时间扫描下使用运行中的扫描迁移率粒度分析仪（SMPS）进行加载期间的瞬态FE测量。使用SMPS比使用尺寸光谱仪更好，因为尺寸光谱仪需要单极充电，因为尺寸光谱仪倾向于使聚集体尺寸过小（Wang等人，2009），所以提供的MPPS的信息并不可靠。短SMPS扫描时间能够在短暂的初始DPF加载期间确定FE和MPPS的变化。

实验

微型过滤器

图1显示了与ACM（c）和（d）相比，SiC（a）和堇青石（b）的微观结构的显微照片。图1f中展示的不锈钢保持器包含了图1e所展示出的多通道1.91times;1.91times;7.62cm方形棱镜微型过滤器的示例。矩形SS过滤器支架尺寸为287 mmtimes;25 mmtimes;25 mm，包括法兰和连接器。过滤器用膨胀垫包裹并压入支架中以提供气密配合。使用石墨垫圈密封用螺栓固定在出口上的法兰。表1列出了这些过滤器被选定的物理属性。一些过滤器被使用标准配方的NOx捕集催化剂所催化。没有测量涂层对孔径和孔隙率的影响，但两者都会随着涂层而降低（Tsuneyoshi等人，2011）。

表1

微型DPF的物理性质。“催化剂负载”是指稀有金属和修补基面涂层的质量；催化剂涂层1和2的稀有金属质量相似。方程（1）定义了Pe数

ACM B是用已知的方法将ACM A的平均孔隙率降低并降低很小的孔隙率演变而来的。壁厚已知。

商用碳化硅DPF几乎都是由单独挤出的纵向段组成，其尺寸可以缩放，而ACM或堇青石DPF通常被切割成矩形整料以复制小型化的取样装置，因为这类DPF的生产件是圆柱形或椭圆形。这里提及到的ACM过滤器被挤压成矩形过滤器，而不是生产尺寸的DPF的一部分。

测试仪器

本文试验用的发动机是2005年的4缸发动机，型号为John Deere 4045H，排量为4.5升，在2400r/min时达到额定功率129kW。该发动机是经EPA Tier 2认证的非公路发动机，采用涡轮增压和共轨燃油喷射系统和后冷却。该发动机没有使用废气再循环并且使用含有lt;15ppm硫的100％超低硫柴油燃料。全部试验都是在1400rpm，250N·m的恒定条件下进行的。

图2是试验装置的示意图。试验中使用长度约为2m，内径为6mm的传输管道从排气管抽取排气样品。在传输管道中的排气样品保持在200℃。排气流量是由质量流量控制器（MFC）和真空泵控制的。过滤器上的压降是由湿式压差传感器测量的。在通过催化器之前，从过滤器的上流和下流取出过滤器气流的样品以5：1稀释以将浓度降低至可测量的范围。稀释比（DR）定义为样品和稀释空气质量流量之和除以样品质量流量。用多孔管稀释器（Mikkanen 2001; Dekati 2011; Swanson等人2011）稀释排气，其中在轻微压力下通过多孔烧结金属管的壁引入圆柱形SS室，空气被稀释。该技术的一个优点是它允许使用流量控制器来测量和控制稀释比，从而减少对额外气体分析仪的需求。稀释空气和过量流量都由质量流量控制器进行控制，其满量程范围为0至20 L/min，满量程精度为1％，重复度为0.15％。低流量的不确定性很重要因为上流和下流流量的区别被用来确定原位稀释比。对稀释比精确的测量需要计算加载质量。

气体分析仪和压力传感器归零并与美国国家标准与技术研究院（NIST）可追踪校准气体和电子压力计进行对比。流量计经过工厂校准，并经常使用工厂校准的Gilian Gilibrator流量计进行检查。所有的压力、温度、气体浓度和流体数据都一直由National Instruments Lab VIEW的硬件和软件以1Hz的数据采集速率记录。

表1中确认了的每个过滤器以20L/min的标称排气流量和200℃的排气温度为标准进行一式五份的评估。这相当于72000/h的空间速度。实际的流量要比其结果显示的流量要高一点，因为没有对由冷凝水捕集器除去的未知水蒸气部分进行校正。试验结果可表示为质量与时间或负载质量，根据不同情况选择。加载时间根据需要随每个实验和过滤器组成而变化，以能够获取整个范围内的特性响应。例如，例如，所有过滤器在10分钟内达到99%的过滤效率，加载速率为0.14mg/min，相当于1.4mg的负载质量。这说明需要扫描迁移率粒度分析仪的快速扫描来确定过滤效率和最大穿透粒径。另一方面，压降则需要更多的时间进行测量并且持续的时间随着DPF组成的变化而变化，因为因为特征过滤方案需要更多或者更少

资料编号：[4965]