宋广舒 刘世通 苏东超 李旭

摘要：随着全球内燃机技术的不断提升，柴油机的排放法规日趋严格，而柴油机颗粒物捕集器（DPF）可以减少排气中85-95%的颗粒物排放，成为了汽车达到国六法规要求必备的一个关键部件。本文主要介绍了柴油机DPF系统的国内外研究现状，通过对近年来DPF关键技术的总结，展望了DPF的发展趋势，为其后续的优化设计提供参考，以期促进今后该技术的发展。

Abstract： With the continuous improvement of global internal combustion engine technology， diesel engine emission regulations are becoming increasingly strict， and diesel particulate catcher （DPF） can reduce the emission of 85-95% particulate matter in the exhaust， becoming a key component required by the sixth national regulations.This paper mainly introduces the research status of diesel engine DPF system at home and abroad， summarizes the key technologies of DPF in recent years， forecasts the development trend of DPF， provides reference for its subsequent optimization design， and hopes to promote the development of this technology in the future.

关键词：柴油机;颗粒捕集器;关键技术

Key words： diesel engine;particle filter;key technology

0  引言

目前，汽车排放是大气环境中颗粒物污染及雾霾形成的一个主要原因，而这些颗粒物特别是细微颗粒物的主要来源便是柴油发动机。研究表明，DPF是当前应对柴油机尾气中颗粒物排放最为有效的后处理技术。DPF安装在柴油车排气系统中，依靠交替封堵载体孔进出口强迫气流通过多孔壁面实现排气中颗粒物的捕集，对PM（细颗粒物重量）的过滤效率可达95%，对PN（细颗粒物数量）的过滤效率可达99%，从而满足国六法规对柴油机废气中颗粒物的限值要求。本文对DPF关键技术的国内外研究现状进行了整理，对指导今后颗粒捕集器的研发具有现实意义。

1  DPF捕集机理的研究

国内外学者针对DPF捕集过程中的各种问题，通过软件模拟和试验的方法对DPF的捕集机理展开了研究，对降低DPF的压降，提高其捕集效率有重要作用，为DPF的设计提供理论支持。

Alfredo Soldati[1]建立了DPF孔道的一维模型，预测了DPF通道上纳米级颗粒物的沉积，结果表明DPF中颗粒物沿通道的沉积取决于捕集器的设计参数，对这些参数优化选择可以最小化颗粒物的不均匀分布。Sanui R和 Hanamura K[2]利用扫描电子显微镜对DPF壁面上的颗粒物捕集过程进行了微观上的动态观察，发现表面孔隙中捕集的颗粒物主要取决于通道内捕集的颗粒物。

Mokhri[3]通过分析废气的流型和流速，研究了DPF捕集过程中颗粒物的流速、颗粒物大小及压降，结果表明碳烟滤饼的存在可以提高DPF过滤效率，但会增大压降。楼狄明[4]通过GT-Power软件建立了DPF的仿真模型，并利用该模型对DPF进行了仿真计算，研究了DPF的结构参数对其捕集效率与压降的影响，结果表明通道密度、孔隙率、微孔直径和壁厚是影响DPF捕集效率的主要结构参数，壁面渗透率、通道密度、孔隙率和壁厚是影响DPF压降的主要结构参数。 李志军[5]通过模拟计算对称孔道和非对称孔道DPF的压降，来降低排气背压对柴油机性能的影响，进而降低DPF载体的压降，研究了DPF中碳烟和灰分的不均匀分布对其压降产生的影响。

Ramskilla[6]利用磁共振速度成像技术研究了DPF内的气体流动状况，结果表明气体平均速度沿捕集器长度的变化是气体流量和捕集器基片结构特性相互作用的结果，沿DPF孔道的轴向，不同位置的速度图像如图1中所示。

2  DPF再生技术的研究

根据再生系统的原理，DPF再生技术分为主动再生和被动再生两大类。主动再生指对微粒直接加热燃烧，被动再生指利用催化剂减小颗粒物的活化能，通过柴油机的排气温度来燃烧颗粒物。DPF的再生技术决定了DPF能否在柴油机上正常使用，所以对它的深入研究是必不可少的。

刘宏威[7]对缸内后喷与排气管喷油相结合的DPF再生系统进行了台架试验，研究了缸内后喷对发动机性能的影响，结果表明在发动机的大部分工况下，缸内后喷与排气管喷油相结合的DPF再生系统可以达到再生条件。Hyunjun Lee[8]研究出使用气缸压力的多次喷射控制方法可以促进DPF的再生，它是通过发动机平均指示压力、过量空气系数以及DPF上游温度的反馈来实现精准喷油。

臧志成[9]研究了不同工况下柴油机的DPF再生控制策略，并进行标定匹配试验，结果表明DPF系统可以实现颗粒捕集算法、颗粒再生控制、再生温度管理、DPF系统故障诊断等的正常进行。孟忠伟[10]利用GT-Power软件对DPF的再生性能進行模拟，研究了在流量、碳载量改变时DPF的再生性能，特别是它的过滤压降、载体温度、温度梯度和再生效率的变化情况，结果表明DPF再生时的最高温度和最大温度梯度出现在DPF的后端;当流量增加时，最高温度、最大温度梯度和再生效率先增后减;当碳载量增加时，最高温度和最大温度梯度也会提高，但再生效率先增后减。NGK公司的研究人员[11]通过建立DPF模型，分析了其主动再生过程中的温度分布（图2），优化了DPF的结构参数。

Chen[12]建立了积灰层热再生模型，研究了再生过程中积灰层对排气流量和对流换热的影响，结果表明在DPF再生过程中，沉积的灰层会降低排气流速，增加热传导阻力。Magín Lapuerta[13]通过Fluent软件建立了DPF捕集再生模型，并对该模型进行了验证，研究了DPF中碳烟的分布状况和碳烟的氧化反应情况，以及二者对DPF中碳烟沉积过程的影响。Yamamoto[14]利用格子玻尔兹曼方法模拟了CDPF（催化型柴油机颗粒物捕集器）连续再生系统，以期来减少柴油机废气中的颗粒物，结果表明在CDPF连续再生系统中，颗粒物的氧化率大大提高，沉积在DPF内的颗粒物在催化剂的作用下会立即被氧化，滤层反压的增加得到了及时阻止。姜大海[15]研究了机动车柴油机DPF喷油助燃复合再生技术，通过分析各种喷油助燃再生技术的特点和典型柴油机的排气特性，提出了喷油助燃主动再生和FBC（燃油催化再生添加剂）被动再生的复合再生方法;通过研究颗粒物的沉积对发动机性能和捕集器再生性能的影响，提出了以捕集器中颗粒物沉积量为再生时机的判断方法。

3  DPF碳载量估算的研究

精确估算DPF碳载量对DPF的再生是十分关键的，它有助于DPF掌握最佳再生时刻，保证DPF的安全可靠工作。如果碳载量的预测值与实际值差别过大，DPF载体会有烧毁、烧裂的风险，缩短DPF的寿命。因此，精确判断DPF中的碳载量具有重要意义。

Naohisa Ohyama[16]为了更好地利用DPF的压降来估算碳载量，提出了一种堇青石基颗粒物过滤器的新概念。经过对常规CDPF的分析，得出DPF碳载量与压降之间存在非线性关系。为了使堇青石基质具有催化功能，对原来的堇青石基质成分进行了修改，使其具有足够的热耐久性。通过对发动机在不同工况下的测试，确保了发动机的线性性能。Takashi Yamakawa[17]结合过滤层（FLs）技术和快速傅里叶变换技术（FFT）的新算法，提出了DPF碳载量的精确估算方法。新算法通过消除废气温度和流量的波动以及发动机的脉动，提高了所测压降的精确度。通过发动机台架试验验证了这些技术，结果表明DPF碳载量估算的离散度得到了很大的改善。

闫明星[18]建立了适合电脑实时计算的DPF碳烟加载模型，对该模型进行了碳烟加载量的估算研究，结果表明该模型提高了碳烟加载量的估计精度，实现了碳烟加载量和压降特性的实时跟踪，该模型的建立，有助于下一步对DPF再生控制策略的研究。王丹[19]为了准确判断DPF的再生时机，进行了DPF加载试验与压降特性试验，研究了DPF的加载过程和不同碳载量下的压降特性，通过压降和碳载量的线性关系，得到了一种利用压降数据来估算DPF碳载量的方法，并对方法进行了验证。

4  DPF结构参数的研究

目前，国内外学者们对DPF结构优化相关方面的研究也颇为丰富，重点围绕对非对称孔道边长比、孔密度和过滤壁厚等设计参数的研究。研究表明，优化DPF的结构参数可以在保证捕集效率的前提下降低其压降，有利于DPF性能的发挥。

Basu[20]建立了一个具有对称和非对称孔道的一维颗粒物捕集器模型，分析了孔密度、孔道不对称和壁面渗透率对DPF压降和过滤性能的影响，结果表明加大孔密度、提升壁面滲透率、使用非对称孔道都可以提高DPF的过滤性能，减小孔道内的压降。Zhang[21]研究了DPF结构参数和排气特性参数对其捕集效率的影响，结果表明增大捕集器体积、孔密度、壁厚和减少尾气流量都可以提高DPF捕集效率，但当颗粒物尺寸超过一定的临界值时，捕集效果会减弱。

林俊彦[22]通过对DPF孔道流场速度与压降的研究，改善了孔道结构参数，以期达到降低DPF压降的目的，结果表明对DPF非对称孔道的边长比、孔密度和过滤壁厚的优化，可以在保证捕集效率的前提下，减小DPF的压降。沈颖刚[23]通过搭建DPF的模型，研究了非对称孔道结构对DPF压降特性及柴油机性能的影响，结果表明当适当提高进出口孔道比时，DPF对碳烟的容纳能力提升，进而减小DPF的压降;当DPF进出口孔道比达到1.3时，对柴油机综合性能的发挥最有利。

5  总结

本文对近年来柴油机颗粒物捕集器的研究现状进行了总结，主要介绍了有关于DPF捕集机理、DPF再生技术、DPF碳载量估算和DPF结构参数的研究，对后续DPF系统的优化设计具有重要意义。基于目前学者们对DPF系统的研究，可以得出以下几种DPF的发展趋势：①要进一步优化DPF碳载量估算模型，从发动机实际运行过程中的多种因素来考虑其对碳载量估算的影响，比如燃油品质、道路状况和各种传感器精度等;②对柴油机排气进行热管理控制可以提高DPF的入口温度，以达到DPF再生所需要的温度，但还需要深入研究DPF再生时的热保护，防止高温对DPF的再生性能产生不利影响;③在DPF主动再生控制策略方面，柴油的喷雾特性是影响DPF再生性能的关键因素，可以基于排气管柴油喷雾进行变参数分析。

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