更新时间：2024-10-05 09:51
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。