柴油机微粒排放的净化技术及发展趋势设计

1、柴油机微粒排放的净化技术及发展趋势柴油机微粒排放的净化技术及 发展趋势设计摘要2Abstract3第一章绪论41. 柴油车尾气问题2. 全世界的管制动向43. 对使用中车辆尾气对策的必要性44. 对于柴油机微粒控制技术方面4第二章柴油机微粒排放的污染1. 柴油机颗粒物形成机理及危害72. 国内外排放标准73. 柴油机颗粒物分析技术84. 柴油机颗粒物毒性研究10第三章降低柴油机有害排放物的几种控制技术101. 进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统102. 增压及可变气门配气定时113. 全电子优化控制114. 排气后处理技术115. 改进燃料126. 代用燃料12第四章 柴油机微粒捕

2、捉器121. 微粒捕捉器(DPF)的组成和结构及工作原理122. 过滤材料133. 再生164. 广州新力研究成功柴油机微粒捕捉器1820结论参考文献21致谢23介绍了柴油机颗粒排放物的产生机理、组成成分及国内外现有的排放法规。 结合近年来国内外对柴油机颗粒物检测分析方法和毒理学的研究进展，描述了 现有分析方法的特点和尾气颗粒物的危害。综述微粒捕捉器在过滤材料和 再生两大关键技术的研究现状和存在的问题，并浅析微粒捕捉器技术 的发展趋势。还介绍了一种燃媒剂再生微粒捕集器(Fuel Borne Catalyst DieselParticulate Filter, FBC - DPF)的结构及原理，

3、并结合发动机台架试验数据， 分析了该微粒捕集器对柴油机排气微粒的改善效果，同时研究了该微粒捕集器 的强制再生过程，以及对柴油发动机的动力性和燃油经济性的影响。试验结果表 明，该微粒捕集器具有较大的应用前景。关键词：柴油机微粒物捕集器33ABSTRACTDiesel particulate emissions described the generation mechanism, the composition of the existing emissions regulations at home and abroach The recent development of diesel pa

4、rticulate matter and toxicological testing of analytical methods progress, describes the characteristics of existing analysis methods and exhaust particulate matter hazards. Summary of Particulate Filter in the filter material and regeneration status of two key technologies and problems and of parti

5、culate trap technology trends. Also introduced a fuel regeneration particulate filter media agent (Fuel Borne Catalyst DieselParticulate Filter, FBC - DPF) of the structure and principles, combined with engine test data, analysis of the particulate filter to improve the effect of diesel exhaust part

6、icles, and studied the forced particulate filter regeneration process, and diesel engine power and fuel economy impact. The results showed that the particulate filter has a larger prospect.Key words： Property diesel particulate arrest devices series第一章绪论1. 柴油车尾气问题汽车给中国城市交通和物资流通带来了方便的同时也带来了大气 污染等问题。中

7、国大城市的大气污染已成为严重的问题。其中从柴油车中排 出的粒子状物质(PM)给我们的健康带来了很大的危害。柴油车尾气对健康的 影响柴油车尾气中含有的粒子状物质(PM )会导致肺癌及呼吸系统疾病 对人体健康的影响令人担忧。已经有了关于吸入柴油车尾气的老鼠精子生产 能力降低的所谓环境激素影响的研究报告。除能用肉眼看到的黑烟以外 还有有机溶剂可溶物质和硫磺酸为主要成分的微粒子的集合，所以只控制用 肉眼看到的黑烟是不能说明完全控制了 PM。2. 全世界的管制动向美国1988年开始对PM进行管制，以后进行了阶段性的强化。欧洲 共同体管制是从1992年开始进行对PM进行管制的。日本1997年开始长期 管制

8、，2005年实施了新长期管制规定。中国2007年1月1日开始实施欧III 标准。国家环保总局正式规定，中国达欧洲IV、V阶段排放标准分别于2010 年和2012年的1月1日开始执行。并且为强制性。3. 对使用中车辆尾气对策的必要性新车的管制强化，对于大气污染的改善效果也只能通过重新购买新车 的方式渐渐地体现出来。中国尾气超过排放规定值制造的柴油车、仍然排 出大量的PM和NOx,行驶在路面上。要解决严重的大气污染问题，不 但要考虑对新车的对策，也要考虑对使用车辆的对策。4. 对于柴油机微粒控制方面目前降低柴油机微粒的方法主要分为机内净化和机外后处理方面。在机 内净化方面，多采用高压共轨技术、电控

9、技术、燃烧室结构优化、喷射正时优 化、增压、减少机油消耗、排气再循环等。随着排放标准的日益严格，机内净 化是远远不够的。最近的研究结果表明，采用上述方法只能改变微粒的质量排 放量，不能改变其微粒的数量，而且使微粒变得更细，增加了危害性。要想达 到欧洲4号、5号排放标准，微粒后处理技术将成为控制柴油机微粒排放的主要 措施。对于在用车的碳烟微粒排放控制，后处理技术尤为重要。应用较多的柴 油机微粒后处理分为两类：一类是用蜂窝陶瓷作为滤芯，其效率较高。具有代 表性的企业美国的康宁公司生产的后处理排放装置，从1993年至今，在欧美市 场己经投放了 150万个。但是这种应用蜂窝陶瓷作为滤芯的微粒捕捉技术，

10、但 其再生难以实现，通过燃烧器再生、电热再生、微波再生和催化剂再生等方法 都很易使滤芯因为过热或局部过热而破坏。近来，美国和欧洲正在应用的连续 再生过滤器(CRTContinuous Regenerating Trap)虽然能够较好地解决再生 问题，但其需要车辆燃用低硫柴油(含硫量不大于50ppm),这一点不太适合中国 目前的国情。最近美国和欧洲正在应用的连续再生过滤器(CRT-Continuous Regenerating hap)能够较好地解决再生问题。但其需要车辆燃用低硫柴油(含 硫量不大于50ppm),这一点不太适合中国目前的国情。另一类是使用贵金属作 催化剂的催化氧化转换器(OCCO

11、xidation Catalytic Converter ),它可以氧化 柴油机排气中的大部分HC、CO及微粒中的可溶有机成分SOF,但不能氧化固 态的碳颗粒。可使微粒中的SOF降低90%左右，从而使得微粒总排放量相应地 降低2550%。由于OCC不收集固态的碳颗粒，所以它就不需要技术复杂、成 本较高的再生系统，当然，它的效率也远低于微粒过滤系统。其缺点在于它可 能导致硫酸盐排放的增加。因为贵金属催化剂有将SO2转化成硫酸盐微粒的倾 向，这就要求降低燃油中的硫含量。否则，硫酸盐的增加有可能平衡可溶有机 物(SOF)的减少，甚至使总微粒排放增加。目前，美国、欧洲、日本和香港都已 使用低硫的燃油，

12、这使OCC的使用成为一种可能。对于中国的目前柴油中的含 硫量确定了该技术在中国应用存在很大的障碍。中国国内一些大型企业和科研机构近年来一直在对柴油机排放的机外处理 技术进行研究，因为中国依靠国内技术暂时难以在大多数型号的柴油发动机上 仅靠机内净化达到欧洲三号排放标准。中国国内在这方面的研究工作。例如：(1) 3.5吨以上清洁柴油车技术研究与开发(玉柴与清华、吉大、天津运校合作）（2）奇瑞低排放柴油机技术研究与开发（奇瑞汽车公司与天内所合作）上述研究的这些中国国家科技部支持的柴油机后处理总成的开发，都说明 了该技术项目的重要性和技术难度。日本广岛精研工业株式会社依靠自己的专利技术，最近推出了一种

13、新型的 柴油机尾气净化装置，该装置的技术特点：（1）该产品采用0.02mm厚度的不锈钢箔，经过精密特型冲压制成滤芯，可以 完全取代目前通常采用的蜂窝陶瓷滤芯，使得生产出来的碳烟颗粒采集、氧 化催化装置，其流通性远远高于陶瓷过滤器，不会对背压产生大的影响。由 此技术制作的净化装置，尺寸大小不会改变原装消音器装置的大小形状。（2）该产品是通过该公司开发的纳米粒子催化剂，经过超微加工到金属表面, 氧化触媒能够高效促进PM的燃烧，不会像陶瓷过滤器容易产生微粒堵塞等 问题，对PM的净化率可达90%以上。（3）对正在使用中的车辆进行改装十分方便。根据日本国土交通省行驶规定，对在用车辆（五十菱4吨车：199

14、4年管制 车）进行了试验，该车安装了该装置，行驶1万公里后也达到了 93%以上的PM 触媒燃烧。该技术项目在再生方面，大大优于美国的技术产品，颗粒排放物收集的滤芯 生产技术和工艺具有独特性，是日本公司的专利技术。该碳烟颗粒净化装置在日本获得的4项专利【日本专利（DPC项目）】1. 環境浄化的一种新型系统（特願2004-72750）2金属超微粒子的製造以及製造装置（特願200475770）3. 微粒子除去装置（特願2004-129860）4流体的浄化装置（特願2004-71613）第二章柴油机微粒排放的污染1.柴油机颗粒物形成机理及危害1.1形成机理柴油机颗粒排放物是一个复杂的、动态的组成。它由

15、碳烟、来源于 未燃燃料和润滑油的可溶性有机组分、燃料中的硫燃烧后生成的硫酸盐、机油 中的灰分以及添加剂等组成。各成分在微粒中所占的比例会随着发动机的工况 特征、技术水平和燃油品质等因素的不同而发生变化。柴油机排放颗粒物产生 的主要原因是由于燃料燃烧不均匀或不完全，在高温缺氧条件下氧化、裂解而 形成。在发动机运行过程中，外界空气温度、压力、湿度、燃料、工况等都会 影响发动机污染物的形成。12组成及其危害排气微粒(PMBPpart I cu late matter)大致可分为两种组份：种是可溶于有机溶液的可溶性有机组份(SOF即soluble organic fraction), 主要来源于未燃烧

16、的燃料、润滑油及其中间产物；另一种是不溶于有机溶液的 干组份，主要由游离态的碳和硫酸盐组成。由于硫酸盐含量相对较少，一般称之为碳烟(DS即dry soot)。微粒对环境及人类 的危害主要来源于化学成份非常复杂的可溶组份，其中许多多环芳烧具有很强 的“三致”作用和生物舊积性，因此受到广泛关注。1976年美国环保局提出的 129种“优先污染物”中，多环芳炷类化合物有16种。空气中细颗粒物(空气动 力学当量直径2. 5 U m,以PM2. 5表示)是对人体健康最有毒害的污染物之一， 因为它富集了空气中有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒，且 大部分可进入人体的肺部在肺泡沉积。目前许多学者对

17、大气环境中不同粒径颗 粒物的源解析、组分进行了比较深入的研究，并调査显示机动车尾气排放、汽车扬尘是PM2. 5的重要来源，因此严格控制柴油机污染物的排放已成当务之急。2国内外排放标准最近几年，国内外对车用柴油机的排放，尤其是其PM和N0X的排放，提出 了越来越严格的限制。机动车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前已实施若 干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧I、1996年起开始实施欧II、2000年起开 始实施欧皿、2005年起开始实施欧IV。其排放限制逐年降低，见图1。3 5 2 5 1 5 0 2 10 %阳宜=辱旳肛coHONOxPM : 上1 <,I !：Li, Da 甬.NO

18、x1992欧 I1996欧 II2000欧 HI 2005欧 I图I欧洲机列车排函限值.Fig.l European vehicle emission limits3柴油机颗粒物分析技术柴油机排气微粒研究的第一步是把SOF从颗粒物中分离出来，测取SOF和 DS的含量。分离SOF的方法主要有3种：热解质量分析法、萃取法和真空挥 发法等。在前人的研究中，从颗粒物中分离出SOF基本都采取索氏萃取方法。31颗粒物组分的分析随着科技的发展和环境问题的出现，研究人员在对大气污染物中检 测到的有害组分源解析时发现机动车排放贡献不可忽视。在颗粒物组分分析方 面，气相色谱，液相色谱，气质、液质联用等方法较为成熟

19、，为许多学者所应 用，除此之外，宋崇林等采用了热重分析发测定柴油机中有机可溶成分SOF含量。 以下对研究结果做出概述。国外对柴油机颗粒物组分的研究始于20世纪70年代 初。最初I. M. Khan等仅限于对柴油机燃烧产生的碳烟和凝结物的研究。 FrancisW.Karasek等初次利用气质联用技术测定了吸附在柴油机颗粒物上的有 机物，被确定的碳氢化合物有35种之多，其中包括正构烷婭、多环芳婭和酚醛 类含氧化合物。DilipR. Choudhury等于1981年提取柴油机排气颗粒中的多环芳 炷，并用高效液相色谱-紫外光谱法分离13。H. Y. Tong等用GC-FID对柴油机排 气微粒中的含氧多

20、环芳坯，硝基多环芳炷，邻苯二甲酸酯进行了定量分析14。 国内对柴油机颗粒物的研究起步于20世纪80年代，李疏松等分别采用稀释法和 不稀释法进行采样，用过滤收集器将颗粒物采集到玻璃纤维滤膜上，测得颗粒 排放量及其随负荷的变化情况。何元等采用电子显微分析仪对柴油机排放颗粒 物进行观测，得出固体物质包括粉尘颗粒、碳颗粒及金属颗粒，并对其来源进 行了详细分析。张延峰等分析车用柴油机排气颗粒物组分得出有机酸、有机碱、脂肪桂类、芳 香炷类、中极性和高极性有机物6种组分在S0F中的比例。王桂华等在十三工况下采集排气微 粒，分析结果表明：微粒SOF组分中80%左右为正构烷炷和支链烷矩，碳数为 C旷C28,余下

21、组分为多环芳虎及少量其它有机物；同一工况下，随采样温度升 高，微粒排放质量流量、S0F组分种类均呈现减少的趋势。谭丕强等分析了一台 增压中冷直喷式柴油机排气微粒的S0F成分。结果表明，怠速及中低负荷工况下 S0F排放量较低，随着负荷上升排放量增加，在最大扭矩和标定转速工况下达到 最高。32颗粒物中多环芳婭的检测由于多环芳烧具有较强的累积毒性效应，国内外许多学者将研究 重点放在了颗粒物有机可溶性组分中多环芳炷(PAHs)的定性定量上。SarahG. Riddle等从轻型汽油车颗粒排放物中检测出大量多环芳矩20,其中以 分子量为300374的68环芳香炷居多，且研究显示，某些多环芳炷异构体比 苯并

22、a及具有更大的毒性。MoacirTavaresJr等检测了巴西隆德里纳公交车站 柴油机排放的PAHs,发现有10种多环芳香矩，平均浓度范围为(1. 4±0. 3)ng/m3o SandroBrandenberger等研究发现润滑油对有机物排放有着显著贡献，同时也是 PAHs的重要排放源。RuideAbrantes等利用逆流高效液相色谱法，检测到轻型柴 油车排气颗粒中总多环芳婭值介于1.1335. 801mg/kmo潭建军等针对柴油机颗 粒物中PAHs组分提出了预处理和分析方法。文章对比了各种提取和分析方法， 用二氯甲烷作溶剂索式提取，再用高效液相色谱法对荧蔥、苯并a恿、苯并b荧蔥、苯

23、并k荧蔥、苯并a氏、二苯并a, h蔥和苯并ghiJE进行定量分析。蔡智鸣等采集了多种柴油车尾气管(连消声 器)中沉积的碳烟颗粒冷凝物样品，对其中有机污染物的化学组成和含量进行 了研究。结果检出144种有机化合物及其同分异构体，BaP含量为1广27»g/g。4柴油机颗粒物毒性研究前人的研究表明柴油机颗粒物是大气污染的主要来源，且对人体呼 吸系统具有较强的负面效应，故国内外许多学者已对尾气颗粒物的毒性研究做 出报道。柴油机排气微粒已被确定为人体致癌物质，并与呼吸道过敏症，心肺 发病率和死亡率的增加密切相关，然而其致突变性、致癌性分子机制仍然不是 十分清楚。柴油机排气微粒中的多环芳炷一旦沉

24、积于气道粘膜表面，很容易通 过上皮细胞结合为胞质受体从而影响细胞的生长和分化。人体肺泡上皮细胞和 巨噬细胞是肺部的重要靶细胞，它们吞噬柴油机排气微粒，增加促炎症细胞因 子的释放。叶瞬华等采用Ames试验，检测6种国产和进口柴油机排气颗粒物的诱 变性，研究发现：6种柴油机排岀颗粒物均呈阳性，其颗粒提取物和诱变性之间, 存在剂量-反应关系。此外，还有报道指出柴油机颗粒物对生殖系统具有慢性毒 性。长期吸入较高浓度的柴油机排气颗粒，可以影响内分泌功能而改变性激素 平衡和生殖细胞的形态和功能。大量的实验和流行病学调査显示柴油机尾气和 人体器官病变并不是偶然的联系，颗粒物的组分和癌症的发生也有很好的理论

25、上的解释，但目前的研究结果还不能准确地对柴油机尾气的危险度作出定量的 评价，有许多不确定的因素导致实验的结果说服力受到影响，研究方法还有待于进一步改进。第三章降低柴油机有害排放物的几种控制技术1. 进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的 MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点 是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合 适的燃油喷射系统。目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发Ims内完成 一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。

26、喷射压力已提高到 160-180MPa,实验室内已到200 MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等, 可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射规律和喷油压力。2. 增压及可变气门配气定时当今柴油机增压和增压中冷己成为标准特点，随着发动机的轻量化 与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增 压器效率。在进一步提高大负荷区的过量空气系数a时可以减少颗粒排放，同 时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗，随着高增压 和高a化，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的涡 轮几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。目前，在小缸径

27、柴油机上4气门和喷油嘴垂直中置技术得到广泛的应用， 为了减少换气损失，使混合气的形成进一步优化，现正在研究釆用可变气门配 气定时，从而使发动机在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。3. 全电子优化控制如前所述，目前对燃油喷射时间、喷射量、惯性增压、增压器、进气涡 流及废气再循环(EGR)等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少 油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用；但是，这些控制中的多半内容, 如EGR、自动诊断等，还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发，今后还 将继续开发其它方面的电子可变控制机构，尤其是与整车相协调统一的综合化 的全电子控制系统4. 排气后处理技术

28、柴油机能否像汽油机那样使用催化剂大幅度减少排放，尤其是NO x , 这是柴油机研制者一直追求的目标。日美欧现都在对此进行研究，日本有关大 学、研究所和厂家正在对沸石镁及氧化铝的催化剂上用还原剂进行NO x还原试 验,美国福特等公司也正在对催化还原系统(SCR)及DeNO x ,催化器两种NO x 还原系统进行研究。SCR技术是利用氮氧化物有选择地与存在于废气中的或喷入的反应剂反应， 利用一个催化器降低NOx排放，排出生成的氧气。还原反应剂可以是在柴油机 废气中的HC化合物或是由附加油箱直接喷入废气流中的物质，如氨等。与SCR技术相比，DeNOx催化技术系统简单，无有害生成物，目前认为最具 发展

29、潜力。DeNOx催化技术主要是将NOx催化热裂变为N 2和0 2,目前的问题 是废气在催化器中停留时，催化器效率不高，因此带来转化还原效率也受到很 大限制。为减少颗粒排放而研制的各种“柴油机颗粒收集器或称过滤器(DEF)”，虽 然不少产品已在欧洲轿车柴油机上装车使用，但由于DEF的耐久性差且过滤器 的再生问题也没有彻底解决，因此，该项技术也正在进一步改进和发展中。5. 改进燃料燃料性能的改进，对减少排放起到很大作用，日本继美欧之后，从1997年 开始把轻油中的硫含量降到0. 05%以下，以此大幅度减少排放颗粒中的硫酸盐， 同时减少EGR造成的发动机内部的腐蚀磨耗及催化剂中毒；进一步减少硫含量,

30、 提高十六烷值，可进一步降低NOx。减少芳香炷，尤其是减少3环以上的芳香 族成分，可减少排放颗粒中的硫化物、降低90%的蒸馆温度、改进点火性能；通 过使用含氧燃料或添加剂，可降低黑烟颗粒。为了适应低硫化及喷射压力的大 大增加，确保燃油喷射装置的润滑性，人们对燃料的改进开发寄予了很大期望。6. 代用燃料随着世界能源危机和环境污染问题的日趋严重，寻找一种更淸洁的替代石 油的原料已势在必行。经过多年的研究试验，目前公认夭然气是21世纪的首选 替代燃料。美国一些学者认为天然气发动机汽车是与电动车相媲美的清洁能源 动力车。日本研究表明，天然气汽车在环境保护、石油燃料替代及实用性等方 面有着无可比拟的优点

31、。近年来，天然气发动机、包括柴油与天然气的双燃料 发动机发展很快，目前，全世界有几百万辆天然气或双燃料汽车在运行，预 计到2010年，全球将有1/3的国家使用天然气汽车。正如人类本世纪初从固体 燃料向液体燃料过渡一样，如今已开始从液体燃料向气体燃料过渡，从而将提 高整个能源系统的效率和清洁性。第四章柴油机微粒捕捉器1微粒捕捉器(DPF)的组成和结构及工作原理1.1组成微粒捕捉器(DPF)由收集排气微粒的滤芯和各类周期性地把滤芯中集存的 微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成。DPF的过滤机理主要包括：碰撞原理、截 流原理、扩散原理和重力沉降原理等。其两大关键技术是过滤材料和过滤体的 再生。1.2结构

32、试验所用的微粒捕集器，为SiC壁流式微粒捕集器。整套装置为双室结 构，捕集器壳体内的前部设有一个支盖,将壳体分为前后两腔，滤芯和自动燃烧 器分别设在前后腔内，从而过滤与再生分区进行，使得过滤与再生互不干扰，无 论发动机处在何种工况下,系统都能自动工作。该微粒捕集器有着较大的孔隙率 和足够大的孔隙，它既可以负载各种催化剂，也可以过滤、减少微粒的排放。微 粒捕集器的工作主体是滤芯，滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿 命以及再生技术的使用和再生效果。试验所用DPF由丹麦的DNEX公司提供，滤芯 材料为SiC,与堇青石材料相比，孔径更均匀,并且具有流通性能好、过滤效率高、耐高温（超过1600

33、9）和通用性好等特点。 在滤芯的结构设计中,GM公司认为最具发展前途的4种过滤体形式为:壁流式蜂 窝陶瓷体、泡沫陶瓷体、金属丝网和编织陶瓷纤维。其中,壁流式蜂窝陶瓷是目 前综合性能最好的过滤体,但国内尚不能生产。1. 3工作原理柴油机的排放，含有大量碳烟微粒的污染物，通过排气管道进入微粒捕 集器。捕集器内部为蜂窝状结构，其两端一边是敞开，一边是堵塞的通道壁，废气 从敞开的一端进入，穿越多孔的蜂窝壁，然后从相邻的通道排出。大部分碳烟微 粒由于体积过大而无法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上，而不会排放到空气 中。2. 过滤材料DPF对过滤材料的要求有以下几个主要方面：高的微粒过滤效率、低的排 气流动

34、阻力、高的耐温性能、较高的机械强度、优良的耐腐蚀性能和良好的抗 震性。其中过滤效率和流动阻力是一对矛盾，高的微粒过滤效率一般会导致高 的流动阻力。因此，选择过滤材料要综合考虑两方面的性能。国外在过滤材料 的研究方面已经取得了突破性进展，出现了一些商品化的产品，但由于过滤材 料的研究需要高的工艺水平和资金投入等原因，国内在这方面与国外仍然有较 大的差距。目前国内外常用的过滤材料主要有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶 瓷纤维和金属丝网等。其中，壁流式蜂窝陶瓷和陶瓷纤维属于表面过滤，泡沫 陶瓷和金属丝网属于深床过滤。各种过滤材料的过滤效率见表1。表1不同过滤材料的过滤效率比较过滤形式表面过滤深床过滤过滤

35、材料壁流式蜂窝陶瓷陶瓷纤维泡沬陶瓷金属丝网过滤效率65 % 95 %70 % 99 %40% 70 %20 % 50 %2.1壁流式蜂窝陶瓷柴油机微粒排放的净化技术及发展趋势壁流式蜂窝陶瓷试制于20世纪70年代初美国康宁(Corning)公司，它以其良 好的性能逐步取代了早期应用的AbOs球粒载体，占据了催化器载体的主导市场。 目前，世界上最大的两个厂家美国康宁公司和日本的NGK公司生产的壁流式 蜂窝陶瓷分别占世界市场的50%和40%。壁流式蜂窝陶瓷的结构及工作原理见 图2。流入蜂窝陶瓷入口截面的排气必须经过内部多孔薄壁到相邻的通道流出。 多孔薄壁为柴油机排气颗粒过滤的基本作用单元，壁孔结构的

36、大小对排气颗粒 流的作用有两种情况：一是壁孔较大，颗粒流中的所有颗粒物通过，过滤器不 起作用；二是壁孔小于颗粒物粒径，拦截全部颗粒高效捕集，粒径小的颗粒随 气流通过壁孔而排出。可见蜂窝陶瓷多孔薄壁孔的几何尺寸、孔分布的均匀性 及排气颗粒物的粒径是影响过滤器捕集效率的要素。壁流式蜂窝陶瓷壁内小孔 的尺寸都在微米级，过滤效率可达90%以上，且耐高温，机械强度高。其主要 缺点是过滤体的制造工艺复杂，目前国内还不具备生产能力；蜂窝陶瓷材料具 有各向异性的特点，其径向膨胀系数是横向膨胀系数的两倍，且微粒都沉积在 孔道内，因此再生过程中受热不均匀，易发生热应力损坏。另外，微粒在蜂窝 内成板状结构，不利于着

37、火燃烧。2.2泡沫陶瓷泡沫陶瓷是一种耐高温，体积密度小，气流通道曲折和气孔率较高等综合 性能良好的过滤材料。它是将陶瓷原料配制成泥浆，并在聚酯或聚醵泡沬塑料 内浸渍成型，最后经烧制而成的。其内部由许多小孔组成，称为“气室”，小孔 直径一般为0.22mm,如图3所示。每个气室通过窗口与多个邻室相连，在过滤 体内形成许多曲折的通道泗。由于微粒直径小于气室直径，当排气微粒流经这 些曲折通道时，由于气流不断改变方向，微粒由于惯性碰撞拦截、扩散拦截和 几何拦截等多种作用而沉积于过滤体内部。相关研究表明：a. 柴油机用泡沫陶瓷过滤器的过滤机理以惯性碰撞机制为主。b. 随着流速的提高，微粒的惯性碰撞捕集效率

38、逐渐降低。当流速达到一定 值时，大微粒的捕集效率将迅速上升，而小微粒的捕集效率继续降低。c. 微孔直径越大，扩散捕集效率越低。d. 当粒径小于1.0 Um时，惯性捕集效率随微粒粒径的变化不大，当粒径大 于l.OPm时，惯性碰撞捕集效率随微粒粒径的增大而迅速上升。e.柴油机负荷的增加将导致过滤效率的降低。柴油机微粒排放的净化技术及发展趋势图2壁流式蜂窝陶瓷过滤器的构造 图3泡沬陶瓷的微观结构根据生产原料的主要成分不同，泡沬陶瓷材料可分为堇青石泡沬陶瓷、三 氧化二铝泡沬陶瓷、碳化硅泡沫陶瓷等。泡沬陶瓷的优点是制造工艺相对简单, 且成本低，可以根据微粒的过滤及过滤体再生的要求，制成各种形状，以满足

39、不同的需求。另外，泡沫陶瓷的多孔结构，使火焰易于传播，微粒的着火温度 比壁流式陶瓷低50-C,从而使燃烧更加安全，再生更加彻底10。泡沫陶瓷各 向同性，再生时热应力小，不易造成过滤体热损坏。其缺点是结构疏松，强度 低，在排气冲击和机械振动条件下易出现损坏。堇青石泡沫陶瓷和碳化硅泡沫陶瓷是目前应用比较广泛的过滤体材料。堇青 石泡沫陶瓷材料价格便宜，原材料易于取得，且生产工艺简单易行。碳化硅泡 沫陶瓷具有孔隙率大，孔径均匀，机械强度高，高温性能好以及具有较高的导 热系数和微波吸收能力等特点。两者的基本性能比较见表2。表2碳化硅及茧青石泡沬陶瓷材料的基本性能材料耐压强度/(kg/cin2)热膨胀系数

40、(1/C)导热系数/(W/m°C)耐火度/°C化学成分碳化硅1()404.0241600SiC-SiO2-AhO3革青石10 2()1.00.10.21200MgO-A12O3-SiO223编织陶瓷纤维编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的抗高温能力，没有固定尺寸的限 制，为过滤体内孔形状和孔的分布提供了广泛的选择余地，可以通过改变各种 设计参数使应用达到优化。陶瓷纤维能适应催化剂使用的需要。由于编织陶瓷 过滤体内纤维表面全是有效过滤面积，因此过滤效率高，可达90%以上。但是 由于陶瓷纤维是一种脆性材料，在编织和使用过程中较易损坏，生产工艺比较 复杂。2.4金属丝网采用金属丝

41、网成本相对较低，且孔隙大小沿气流方向可以任意组合，使捕获 的微粒在过滤体中沿过滤厚度方向分布均匀，增强了过滤效率及过滤时间；其 次，金属丝网的耐高温及抗震性能好，使用寿命长；金属丝网良好的导电性能, 使其更容易捕集到带电微粒。但单纯金属丝网过滤体的捕集效率较低，为20% 50%。根据国内王宪成、宁智等人的研究表明：利用金属丝网良好的导电性， 在过滤体上游加上电晕荷电装置，使微粒荷电，带电微粒在经过金属丝网时由 于静电映像力的作用吸附在金属丝网上，可以使组合金属丝网的过滤效率达到 50% 75%。3. 再生柴油机微粒捕捉器只能把微粒收集起来，它本身不能清除微粒。如果过滤体 中收集的微粒不能及时清

42、除，就会发生滤芯堵塞以致柴油机背压急剧上升的现 象，影响柴油机的换气和燃烧，降低性能。因此，再生技术是柴油机微粒捕捉 器实用化的关键。再生实际上就是利用热能将沉积在过滤器内的微粒烧掉。国 内外研究的再生方法主要有：强制再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加 热再生、逆向喷气再生和连续再生以及燃油添加剂辅助再生等。这些再生方法 可以分为3类，前4种为加热再生，逆向喷气再生属低温反清洁再生，后两种 属催化再生9。强制再生是出现较早的再生技术，它是在柴油机大负荷的情况下，强制性 地对柴油机进行进气或排气节流，从而提高排气温度，使过滤体得到再生。强 制再生难以在公交车等经常长时间低速行驶的车辆上使用。

43、喷油助燃再生技术发展得较早，因此相对也比较成熟。该再生技术是通过 一套专门的系统，适时地向过滤体上游空间喷人一定量的燃油和供给一定的空 气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使过滤体的温度上升，微粒着火燃烧，以 实现过滤体的再生。喷油助燃再生系统可分为三种形式，即旁通式、部分旁通 式及全流式。在旁通式中，柴油机废气在再生过程中从旁通通道排入大气，因 此再生过程可以不受排气流动的影响，可在柴油机任何工况下实现对过滤体的 再生。旁通式再生系统比较简单，并且易于控制。但研究发现，在喷油助燃再 生中，一定的气流速度是保证安全可靠再生的重要因素。而单纯依靠车用压缩 空气提供所需的空气流动速度难以办到，且能耗也

44、很高。为此，美国通用汽车 公司开发了一种部分旁通式再生系统，即利用柴油机驱动空气泵提供部分新鲜 空气，再利用部分废气来满足流动要求和氧气供给。但这种方法需要一个比较 复杂的废气流动控制装置，它应能保证在任何工况下再生时，流过过滤体的气 流速度满足安全再生的要求。所谓全流式系统，是指过滤器再生时，排气全部 流经过滤器，这种系统比较简单，但对燃烧装置的功率要求比较高，并且再生 过程比较难以控制。电加热再生技术与喷油助燃再生技术相类似，只不过以电能代替喷油燃烧 热能加热空气或废气，以实现对过滤体的再生。这种再生技术对电功率要求比 较高，一般需要1.53 kW,为了有效地利用电能，一般都采用废气旁通装

45、置。 因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对 过滤体进行可靠的再生。尽管电加热再生技术具有一定的优点，但由于是表面 加热，电热丝的能耗效率低，而且一般陶瓷过滤体的导热性很差，不利于火焰 的传播，所以再生效率不高。这种表面加热方式极易造成加热的不均匀性，因 此会造成过滤体的再生不均或因局部过热而引起烧熔或炸裂，并且电加热再生 对车用电源的要求很高，这些都是在实用过程中需要解决的问题。微波加热再生是利用微波能独有的选择加热及体积加热特性，在过滤体内 部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的碳烟颗粒进行加热，使碳烟颗粒 原位加热、着火、燃烧,从而实现过滤体再生。微波加热

46、是指在300MHz300GHz 频率范围内对物体进行加热，它不同于一般的加热方式，是材料在电磁场中由 介质损耗而引起的体加热。其能量是通过空间或媒质以电磁波形式传递，加热 过程与物质内部分子的极化密切相关。微波加热再生的关键技术在于如何在谐 振腔内激励尽可能多的模式及控制腔内碳烟颗粒的燃烧温度，防止过滤体因温 度过高而损坏。另外，微波对于不同的过滤体材质有不同的微波加热及再生特 性，应该根据过滤体的材料性质合理选取加热功率，并设计合适的再生系统内 部结构。逆向喷气再生是利用压缩空气反向清洁过滤体，然后收集从过滤体中吹出 来的微粒，集中进行处理。该技术需要较大量的压缩空气，精心设计气路，并 解决

47、微粒的二次燃烧。这种再生技术最大的特点是能将过滤体与微粒燃烧分开, 因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂或烧熔的问题，另外也 解决了不燃物质在过滤体内累积的问题。但由于需要每5min左右再生一次，因 此高压空气的消耗是一个大问题。用于逆向喷气再生的高压空气源同时用于空 气制动系统，在柴油机低速运转条件下，空气的供给难以同时满足制动和逆向 喷气再生的要求，这都是该技术实用化必须解决的问题。连续再生和燃油添加剂再生都是利用催化剂降低微粒的氧化活化能，使微 粒能在相对校低的温度下进行再生。其中连续再生是利用催化剂将排气中的NO 转化为强氧化性的N02, N02能在正常的排气温度下与微粒发

48、生氧化反应，使过 滤体得到再生。连续再生要求柴油机的含硫量在50X10-6（质量分数）以下。燃油 添加剂再生是利用某些金属氧化物降低微粒的着火温度（约380C）,使其在柴油 机大负荷工作时氧化燃烧。由于柴油机的热效率不断提高，现代柴油机的排气 温度很低，使燃油添加剂的应用受到挑战。4. 广州新力研究成功柴油机微粒捕捉器广州新力金属有限公司新近研制成功了柴油机尾气微粒捕捉器，吸引了国 内外发动机厂家的注意。该产品问世引起了国内有关汽车生产厂家和环保部门 的重视。作为国内自行开发研制的柴油发动机尾气处理新产品，该公司已申请 了国家专利。广州新力金属有限公司董事长张冶先生说，新力金属有限公司长期致力

49、 于汽车零配件的研究和生产，原来主要生产用于汽车摩擦材料的各种钢棉、铜 棉，产品主要供应国外各大汽车生产商。从2002年开始，新力公司自行投资， 利用先进的金属纤维毡研制适合国内柴油机使用的微粒捕捉器。经过近两年的 探索，开发出一套适应中国国情的微粒捕捉器实施技术方案。该产品的基本原 理是，柴油发动机排出的含有碳粒的黑烟，通过专门的管道进入柴油机尾气微 粒捕捉器，在其内部经过密密摆放的过滤网，将碳烟微粒吸附在过滤网上，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 碳烟微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。整套装置设计为双室结构， 过滤与再生分区进行，使得过滤与再生

50、互不干扰，无论发动机处在何种工况下 系统都能自动工作。产品经过检测，90%以上的碳烟微粒可以被过滤掉。据了解，新力公司的柴油发动机尾气微粒捕捉器体积与普通的消声器相 近，采用装配式结构，安装与维修都较为简便。特别适合中国国内的城市车辆, 特别是城市公交车辆的改造和改装。并且，在安装柴油发动机尾气微粒捕捉器 后，还能附带降低柴油机的排气噪声。33结论柴油车排气污染在城市大气污染中的比重逐渐增加，随着人们对环境问题的 重视，排放法规的限制也日趋严格。明确颗粒排放物的来源并有针对性地采取 控制是满足未来排放法规的需要。因此，建立颗粒排放物的组成与来源分析技 术是颗粒排放研究工作的重要一环。目前，这方

51、面的工作仍需要在颗粒采集， SOF色谱图解谱，各组分来源与发动机性能设计的相关性等方面开展更为细致的 研究和积累工作。微粒捕捉器(DPF)是最终实现柴油机微粒排放控制的最简单、最有效的方法。 为了满足严格的排放法规(欧DI以上)，必须采用DPF®术。壁流式蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷是目前应用最为广泛的过滤材料。蜂窝陶瓷当 前的发展趋势是提高单位面积孔数和减少壁厚，以提高载体的催化和其他性能。过滤体的再生方法虽然很多，但目前尚无成熟的实用的方法。再生技术能 够得到广泛的推广必须具备成本低，结构简单，操作可靠及使用寿命长等特点。 连续再生将是今后的发展方向之一，但由于柴油含硫量的限制，国内在相当

52、长 的时期内不会广泛作用。因此，将两种以上的再生方法联合使用，也许才是适 应我国国情的可行方案。参考文献ljToshiakiSakaguchi, AkihideOhgushi, ShogoSuzuki, etdl. De2velopmentofH ighDurab订ityDieselParticulateFilterbyUsingSiCF让erZ SAE, 1999-0 1-0463.2 MayerA. ParticulateTrapsUsedinCity-busesinSwitzerlandJ. SAE, 2000- 01-1927.3 SignerM> CornettiG. Labo

53、ratoryResultsinParticulateTrapsTechnologyZ .SAE, 1989, 890170.4 黄为，高世伦,俞文苗.低温等离子体在柴油机尾气排放控制中的研究J.内 燃机,2007(1):39-4315 田柳青，叶代启.柴油车排气颗粒物的后处理技术J.环境污染治理技术与 设备,2003,4(10):74-7716 朱先磊，张远航，曾立民，等.北京市大气细颗粒物PM2. 5的来源研究J.环 境科学研究,2005, 18 (5) : 1-5.7 郝吉明，傅立新，贺克斌，等.城市机动车排放污染控制M.北京：中国环 境科学出版社，2000.8 刘文彪，董胜璋.机动车尾气

54、慢性毒性效应的研究进展J 环境与健康杂志, 2002, 19 (5) : 413-416.9 邹建国，钟秦.柴油机排放颗粒物组成分析J中国环境监测，2006, 22(3)： 23-26.10 T imothyVJohnson. Dieselemissioncon trol inreview J. SAE2006WorldCon gress, 2006.11 张学敏厦门市大气可吸入颗粒物源解析的研究J.环境科学与技术， 2007, 30 (11) : 51-54.12 国家环境保护总体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方 局，国家质量监督检验总局.GB17961-2005车用压燃式、

55、气法(中国HI、IV、 V阶段)S北京：中国环境出版社，2005.13 SarahGRiddleaChrisAJakoberMichaelARobertetal. LargePAHsdetectedin fineparticulatematteremittedfromlight-dutygasolinevehiclesJ. At mosphericEnvironment, 2007, 41 (38) : 8658-8668.14 廖世勇，蒋德明.柴油机排气后处理技术的研究进展及存在的问题J内 燃机，2002： 3-6.15 李三超.柴油机排气净化系统的研究D.武汉：武汉理工大学，2002.16

56、 Guido Saracco et al. Catalytic Traps for Diesel Particulate Control Chemical Engineering Science, 54(1999). 3035-3041.17 Michael P. Walsh. Global Trends in Diesel Emissions Control A 1998Update. SAE, 980186.18 John PANeeft et al. Diesel Particulate Emission Control. Fuel Processing Technology. 47 (1996). l-69>19 朱天乐，等.柴油机排气后处理技术J.车用发动机，2002.20 龚金科，赖天贵，刘孟祥，等.柴油机微粒捕集器过滤材料与再生方法分 析与研究J内燃机，2004：