柴油发电机组颗粒捕捉器结构设计与要求

一、柴油发电机组颗粒捕捉器结构设计的主要目标：

（1）通过增大入口孔的过滤体积，增加柴油发电机组颗粒捕捉器的储灰能力，同时减少高碳烟负载时的背压；

（2）通过优化柴油发电机组颗粒捕捉器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，可以提高柴油发电机组颗粒捕捉器的初始PM过滤效率，以及再生效率，消除深层过滤。

（4）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柴油发电机组颗粒捕捉器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”技术就是在柴油发电机组颗粒捕捉器入口过滤壁表面上涂敷一层很薄的含催化剂的浆料，消除柴油发电机组颗粒捕捉器壁深层过滤。

二、柴油发电机组颗粒捕捉器孔结构演变

传统壁流式柴油发电机组颗粒捕捉器孔是方形孔结构，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柴油发电机组颗粒捕捉器压力损失的主要因素，因而增加柴油发电机组颗粒捕捉器的有效过滤面积，在同等的碳烟量情况下，累积在柴油发电机组颗粒捕捉器过滤壁面上的碳烟厚度将减小；另外，提高柴油发电机组颗粒捕捉器入口的开孔率，能有效提高柴油发电机组颗粒捕捉器的过滤容积，加强柴油发电机组颗粒捕捉器的灰分储存能力，延长清灰里程。为此，不同的柴油发电机组颗粒捕捉器研究者和生产企业对柴油发电机组颗粒捕捉器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柴油发电机组颗粒捕捉器市场的领导者，在柴油发电机组颗粒捕捉器结构设计方面做出了很多创新，其中最具代表性的就是“OS”孔结构的柴油发电机组颗粒捕捉器，入口为八边形，出口为正方形。“OS”孔结构柴油发电机组颗粒捕捉器的清灰里程比传统的对称孔结构柴油发电机组颗粒捕捉器的要长30%。作为柴油发电机组颗粒捕捉器市场的主要参与者，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柴油发电机组颗粒捕捉器。德国清洁柴油陶瓷公司（Clean Diesel Ceramic Gmb H）开发了三角形孔结构柴油发电机组颗粒捕捉器，与方形孔对称结构柴油发电机组颗粒捕捉器相比，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柴油发电机组颗粒捕捉器。法国Saint-Gobain开发的出波浪形非对称结构碳化硅柴油发电机组颗粒捕捉器，能有效缩短柴油发电机组颗粒捕捉器长度。日本住友公司开发的出非对称六边形孔结构钛酸铝柴油发电机组颗粒捕捉器（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）柴油发电机组颗粒捕捉器。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柴油发电机组颗粒捕捉器体积达33%，减少柴油发电机组颗粒捕捉器的使用成本，而且还保持优良的性能。

三、柴油发电机组颗粒捕捉器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种材料的柴油发电机组颗粒捕捉器，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。

柴油发电机组颗粒捕捉器对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。当柴油发电机组颗粒捕捉器捕集到一定量的PM时，柴油发电机组颗粒捕捉器微孔结构对PM的过滤效率没有明显的影响。

很显然，重结晶碳化硅柴油发电机组颗粒捕捉器初始的PM过滤效率要高于堇青石柴油发电机组颗粒捕捉器，当PM捕集到0.5g/L时，二者的PM过滤效率相当，高达99%。这是由于此时柴油发电机组颗粒捕捉器从深层过滤过渡到表层过滤。

四、不同柴油发电机组颗粒捕捉器技术的结构要求

所谓的“二合一（Two in One）”技术就是把SCR催化剂涂敷在柴油发电机组颗粒捕捉器载体内，集SCR和柴油发电机组颗粒捕捉器的功能于一体，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C柴油发电机组颗粒捕捉器再生技术和基于FBC再生技术的柴油发电机组颗粒捕捉器结构相比，基于“二合一”技术的柴油发电机组颗粒捕捉器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，对柴油发电机组颗粒捕捉器的热冲击比较大。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柴油发电机组颗粒捕捉器的热容量，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。C柴油发电机组颗粒捕捉器技术能有效降低柴油发电机组颗粒捕捉器再生时的温度，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C柴油发电机组颗粒捕捉器技术的柴油发电机组颗粒捕捉器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。这势必导致柴油发电机组颗粒捕捉器的压差增大，恶化燃油经济性，因而设计高孔隙率和大平均孔直径柴油发电机组颗粒捕捉器满足高涂敷量、低背压要求