柴油機DPF微粒捕集器再生

柴油機微粒捕集器再生技術(shù)研究由于柴油機含有低油耗、高熱效率和低排放等特點，又含有良好的經(jīng)濟性、動力性和可靠性，因而被廣泛地用作汽車和工程機械的動力。但其尾氣中含有大量的微粒（PM），約為汽油機的30～80倍，成為都市中的一種重要污染源。柴油機排氣微粒由不可溶炭粒（IDF）、未燃液體碳氫化合物（SOF）和硫酸鹽構(gòu)成，微粒粒徑小，重要為0.01～2μm，質(zhì)量輕，能長時間懸浮在大氣中，容易被人體吸入并沉積在肺泡中，對人體健康造成極大的危害。日益嚴格的汽車排放法規(guī)的實施迫使人們謀求解決汽車排氣污染的有效途徑和技術(shù)。自20世紀70年代以來，人們對柴油機排氣微粒后解決技術(shù)進行了廣泛而進一步地研究。微粒捕集技術(shù)是現(xiàn)在公認的最為有效的微粒凈化技術(shù)，也是現(xiàn)在商用前景最佳的技術(shù)之一。微粒捕集器（DPF）安裝在柴油機排氣管上，過濾技術(shù)的機理重要有：排氣通過時微粒通過擴散、截流、慣性碰撞和重力沉降等原理被過濾體捕集。捕集效率重要受到微粒粒徑、過濾體微孔孔徑、排氣流速及氣流溫度等因素影響。隨著工作時間的增加，過濾體內(nèi)堆積的微粒增多，發(fā)動機的背壓將上升，影響柴油機的正常工作，須用燃燒等辦法將這些微粒除去，即過濾體的再生。DPF的核心技術(shù)是過濾材料及其再生的選擇和研究。一、過濾材料過濾材料的構(gòu)造與性能對整個微粒捕集系統(tǒng)的性能（如壓力降、過濾效率、強度、傳熱和傳質(zhì)特性等）有很大的影響。DPF對過濾材料的規(guī)定是：高的微粒過濾效率，低的排氣阻力，高的機械強度和抗震動性能，并且還須含有抗高溫氧化性的耐熱沖擊性與耐腐蝕性。其中高的過濾效率與低的排氣阻力是互相矛盾的，選擇材料時要綜合考慮這兩方面的性能。國外在過濾材料上的研究已經(jīng)獲得較大的突破，出現(xiàn)了某些商品化的產(chǎn)品?，F(xiàn)在國內(nèi)外研究和應用的過濾材料有陶瓷基、金屬基和復合基三大類。（一）陶瓷基過濾材料現(xiàn)在研究和應用最多的是陶瓷基過濾材料，它們普通由氧化物或碳化物構(gòu)成，含有多孔構(gòu)造，在700℃以上能保持熱穩(wěn)定，比表面積不不大于1m2/g，重要構(gòu)造涉及蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纖維氈。蜂窩陶瓷慣用熱膨脹系數(shù)低、造價低廉的堇青石制成，這種材料開發(fā)最早，使用最廣，有壁流式、泡沫式等多個構(gòu)造?，F(xiàn)在在DPF過濾體上研究和使用較多的是壁流式蜂窩陶瓷。它含有多孔構(gòu)造，相鄰兩個通道中，一種通道進口被堵住，而另一通道的出口被堵住，為確保其機械強度和耐熱強度，孔道密度普通約為16孔/cm2時，孔道截面為2mm×2mm左右，壁厚為0.4mm左右，見圖1，這種構(gòu)造迫使排氣由入口敞開的通道進入，穿過多孔的陶瓷壁面進入相鄰的出口敞開通道，而微粒就被過濾在通道壁面上，這種DPF對微粒的過濾效率可達90%以上。可溶性有機成分SOF也能被部分捕集，近年來在制造技術(shù)上獲得明顯的突破，蜂窩陶瓷壁厚減薄，開口橫截面積增大，從而減少了背壓損失，擴大了使用范疇?，F(xiàn)在應用最廣的美國Corning公司和日本NGK公司生產(chǎn)的DPF采用的就是壁流式蜂窩陶瓷。但這種濾芯受溫度影響較大，排氣溫度較低時沉積在壁面的HC成分將在排溫升高時重新?lián)]發(fā)出來，并排向大氣；發(fā)動機工作的熱循環(huán)引發(fā)過濾體尺寸的交替振動，會造成過濾材料的持續(xù)退化；若采用熱再生，導熱系數(shù)小的堇青石容易受熱不均而局部燒融或破裂。a陶瓷蜂窩載體b陶瓷纖維編織網(wǎng)c金屬纖維編織網(wǎng)圖1微粒捕集器過濾村料泡沫陶瓷是將浸漬堇青石陶瓷漿體的聚氨酯泡沫塑料半成品通過高溫鍛燒，塑料氣化逸出得到的陶瓷骨架。與蜂窩陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增強，孔隙率大（80%～90%）且孔洞波折，材料的熱膨脹系數(shù)各向同性，含有更加好的熱穩(wěn)定性，近年被用作柴油機排氣微粒的過濾材料，但捕集效率較低（50%左右），煙灰吹除困難。陶瓷纖維材料不受固定尺寸的限制，過濾體的孔形狀和孔分布有廣泛的選擇余地，通過變化多個設計參數(shù)可使應用達成優(yōu)化。陶瓷纖維氈含有高度表面積化的特點，過濾體內(nèi)纖維表面全是有效過濾面積，過濾效率可高達95%。但陶瓷纖維是一種脆性的耐高溫材料，生產(chǎn)工藝較復雜且易損壞。（二）金屬基過濾材料金屬在材料的強度、韌性和導熱性等方面有陶瓷無法比擬的優(yōu)勢?，F(xiàn)在研究較多的是泡沫合金和金屬纖維氈。泡沫合金是一種含有三維網(wǎng)絡骨架的材料，日本住友電工公司曾采用泡沫鎳作為過濾材料，但鎳的抗蝕性差，為改善其在高溫環(huán)境和含硫氛圍中的抗蝕性，采用耐熱耐蝕的鎳鉻鋁和鐵鉻鋁高溫合金，合金表面是構(gòu)造牢固的。例如α-Al2O3，可在800℃的高溫下靜置200h基本不受侵蝕。這種泡沫合金含有高的熱導率，可兼作熱再生裝置的輻射加熱器，熱度分布均勻，再生時過濾體不會開裂與熔化。泡沫合金的重要優(yōu)點涉及：含有大孔徑和薄骨架構(gòu)造，泡沫合金表面容易被熔融鋁液浸透并覆蓋，退火解決后得到保護層；由于合金骨架的機械強度高，可大大改善過濾材料的耐振性能；應用粉末冶金技術(shù)制造泡沫合金，能夠減少生產(chǎn)成本。金屬纖維氈與陶瓷纖維氈過濾材料相比，含有強度高、使用壽命長及容塵量高等特點；與金屬絲網(wǎng)過濾材料相比，含有過濾精度高，透氣性好，比表面大和毛細管功效等特點，特別適于高溫、有腐蝕介質(zhì)等惡劣條件下的過濾，因此是一種很有前途的柴油機微粒過濾材料。（三）復合基過濾材料陶瓷基過濾材料和金屬基過濾材料都有不可避免的缺點，因此開始考慮復合基增強過濾材料，現(xiàn)在研究與應用重要集中在纖維氈構(gòu)造上。為理解決在再生過程中燃燒引發(fā)的局部過熱造成過濾材料熔融破裂或殘留煙灰黏附在過濾材料上使DPF失效的問題，NHKSpring公司發(fā)明了一種新型過濾材料，這種過濾體的單元由疊層金屬纖維氈和氧化鋁纖維氈構(gòu)成。金屬纖維氈材料是Fe-18C-3A1，最高耐熱溫度1100℃，氧化鋁纖維氈材料是70A12O3-30SiO2，最高耐熱溫度1400℃。從排氣進口到出口，疊層纖維氈的密度越來越細，確保了微粒的均勻捕獲，過濾效率可達成80%～90%，同時能起到消聲器的作用。二、再生技術(shù)DPF是一種物理性的減少排氣微粒的辦法，在工作過程中，微粒會積存在過濾器內(nèi)，造成柴油機排氣背壓增加，當排氣背壓超出20kPa時，柴油機工作開始明顯惡化，造成發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性等性能減少，必須及時除去沉積的微粒，才干使DPF繼續(xù)正常工作，即DPF的再生，這是DPF能否在柴油機上正常使用的核心。在DPF開發(fā)的早期，曾采用脫機再生的辦法解決再生問題，但只有成功開發(fā)在柴油機上自動實現(xiàn)再生的技術(shù)，才干從根本上解決其實用性問題。實用化再生技術(shù)必須規(guī)定：能在多個工況下正常工作；對柴油機工作特性及燃油經(jīng)濟性含有較小的影響；不應對環(huán)境產(chǎn)生二次污染；含有良好的可靠性和耐久性，耐久性在8萬km以上；便于操作；壽命和價格應能被顧客接受。柴油機排氣微粒普通在560℃以上時開始燃燒，正常的燃燒溫度在800℃以上。而實際柴油機排氣溫度普通低于500℃，某些都市公交車排溫甚至在300℃下列，排氣流速也很高，因而在正常的條件下難以燒掉微粒。近來，國內(nèi)外對柴油機微粒捕集器再生技術(shù)進行了大量細致的研究工作，提出了多個再生技術(shù)，并有不少再生技術(shù)已進入實車使用階段。再生系統(tǒng)根據(jù)原理的不同可分為主動再生系統(tǒng)與被動再生系統(tǒng)兩大類。（一）主動再生系統(tǒng)主動再生是通過外加能量提高氣流溫度到微粒的起燃溫度（500℃～600℃）使微粒燃燒，迄今提出的再生控制辦法諸多，運用背壓判斷再生是最為普遍的一種辦法，實質(zhì)是判斷微粒捕集內(nèi)的微粒量與否滿足再生規(guī)定?，F(xiàn)在研究較多的外加能量再生控制系統(tǒng)有：噴油助燃再生系統(tǒng)、微波加熱再生系統(tǒng)、電加熱再生系統(tǒng)、逆向噴氣再生系統(tǒng)以及紅外加熱再生系統(tǒng)等。1．燃氣再生燃氣再生技術(shù)是在發(fā)動機的排氣不旁通的狀況下，將燃氣通入排氣中，直接運用排氣中剩余的氧氣和燃氣混合燃燒，對沉積在過濾體中的微粒進行加熱，達成著火溫度燃燒實現(xiàn)再生。過濾體在過濾的過程中避免了過濾體再生時旁通排氣造成的污染。這種再生方式與催化再生相比，適合在高硫條件下使用，符合我國燃油含硫量較高的國情，同時，由于采用氣體燃料，與排氣同為氣相，容易形成均勻的混和氣，加熱再生時燃燒比較充足。計算得出排氣中的氧氣完全滿足各工況下燃氣燃燒需要。實驗研究發(fā)現(xiàn)，燃氣流量含有較大的范疇，其再生效率基本不變，可達80％以上。過濾體內(nèi)的微粒沉積量對再生成果沒有明顯的影響，在較小的微粒沉積量下，燃氣再生仍能夠進行，即再生時機的選擇范疇較大。再生時間與再生效率、燃氣流量以及過濾體微粒沉積狀況親密有關，隨著再生時間的增加，排氣背壓下降，而過濾體溫度升高。需要根據(jù)多個因素，選用合理的再生時間。由于氣流速度大，火焰難以形成，容易熄滅。這樣進入的燃氣會造成更大的污染。再生時間控制不當，會造成過濾體的燒壞。燃氣加熱再生系統(tǒng)見圖2。2．電加熱再生電加熱再生是運用置于過濾體前部的電阻絲點燃其周邊的微粒，再靠這部分微粒燃燒的能量引燃其它的微粒，實現(xiàn)再生。由于車用24V蓄電池受電功率的限制，現(xiàn)在采用分區(qū)布置再生，且實驗已證明了其可行性。影響電加熱再生效果的重要因素有再生時機、再生廢氣量、加熱器構(gòu)造和功率、再生方略等因素。再生辦法中補氣節(jié)流再生是成熟的再生辦法，它運用兩個蝶形閥，再生開始時旁通閥完全打開的同時，完全關閉調(diào)節(jié)閥，補充空氣運用調(diào)節(jié)閥上的小孔統(tǒng)入部分排氣，直至再生結(jié)束，補氣節(jié)流再生可在不同轉(zhuǎn)速和負荷的任意工況下，實現(xiàn)過濾器的再生。其難點重要有：首先要消耗大量的電能，增加了油耗和蓄電池的負擔；另首先再生過程影響因素較多，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。因此需要對電器元件的選擇和繞制、電阻絲的布置方案、再生次序、通電加熱時機的研究、微粒積存量的多少、過濾器溫度等方面進行考慮和研究。3．逆向噴氣反吹再生逆向噴氣反吹再生是運用壓縮空氣從與過濾時氣流流動相反的方向清潔過濾體。它將過濾體的再生和微粒的燃燒分開，避免微粒在過濾體中燃燒，使過濾體的使用壽命和可靠性得到確保；另外再生時間短，不可燃物質(zhì)不會在過濾體內(nèi)積存。逆向噴氣反吹再生系統(tǒng)見圖3。逆向噴氣再生要解決下列核心技術(shù)：（1）進一步減少噴氣再生時壓縮空氣的消耗量。（2）開發(fā)針對噴氣再生的專用微粒過濾材料和過濾體構(gòu)造型式。（3）如何優(yōu)化氣路設計是一種核心問題。（4）微粒的二次收集與燃燒。（5）再生控制?，F(xiàn)在需要解決逆向噴氣再生要解決的核心技術(shù)是：進一步減少噴氣再生時壓縮空氣的消耗量；開發(fā)針對噴氣再生的專用微粒過濾材料和過濾體構(gòu)造型式；對整個柴油機微粒過濾再生系統(tǒng)進行構(gòu)造和控制參數(shù)的綜合優(yōu)化。4．紅外加熱再生紅外加熱再生首先由加熱器加熱含有較強輻射能力的紅外涂層，然后由紅外涂層通過輻射方式加熱過濾器中捕獲的微粒，它兼含有電加熱構(gòu)造簡樸和加熱高效能的優(yōu)點。實驗發(fā)現(xiàn)：過濾器再生分為加熱和燃燒兩階段，徑向燃燒不同時，存在溫度梯度。再憤怒流對再生過程有很大的影響，再憤怒流的氧濃度對燃燒的影響和氣流流動對熱量傳輸?shù)挠绊懞艽?。大連理工大學的高希彥等人在對柴油機微粒陶瓷過濾器紅外再生的實驗研究中發(fā)現(xiàn)，柴油機微粒陶瓷過濾器紅外再生辦法的重要影響因素有再生用廢氣量、加熱器的功率及構(gòu)造和再生方略等。再生廢氣量從兩方面影響再生：（1）廢氣提供微粒再生時所需的O2，O2充足時再生速度快，O2缺少時不僅再生速度慢，并且容易生產(chǎn)大量CO；（2）廢氣將產(chǎn)生的熱量帶走，從而影響再生的最高溫度。加熱器功率也從兩方面影響再生。首先，它決定著陶瓷體加熱到微粒著火溫度的時間。圖2燃氣加熱再生系統(tǒng)圖3逆向噴氣反吹再生系統(tǒng)另首先，當廢氣從加熱器流過時，會受到加熱器的加熱。因此，加熱器功率在一定程度上影響再生廢氣的溫度，從而間接影響了最高再生溫度，并在一定程度上限制了廢氣量的變化范疇。再生過程中所用廢氣量的變化決定了過濾器不同部位再生過程中氧氣供應速率和廢氣帶走熱量的速率，從而影響再生過程中過濾器內(nèi)最高溫度出現(xiàn)的位置。5．微波加熱再生在微波加熱再生系統(tǒng)中，微粒能以60%～70%的能量效率吸取，頻率為2～10GHz的微波，因陶瓷的損耗系數(shù)很低，對微波來說事實上是透明的，因此微波不會加熱陶瓷，且DPF的金屬殼體會約束微波，避免微波外逸并把它反射回濾芯上。微波加熱再生運用微波獨具的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，使微粒就地吸熱、著火并燃燒。實驗表明，再生過程中過濾體內(nèi)部溫度梯度小，熱應力引發(fā)的過濾體損壞的可能性減小，再生窗口寬，再生過程易于控制。微波再生效率高，沒有二次污染，是現(xiàn)在研究較多的一種再生技術(shù)。（二）被動再生系統(tǒng)被動再生是運用化學催化的辦法減少微粒的反映活性，能使微粒在柴油機正常運行條件下燃燒，達成再生目的。研究表明，某些貴金屬、金屬鹽、金屬氧化物及稀土復合金屬氧化物等催化劑對減少柴油機碳煙微粒的起燃溫度和轉(zhuǎn)化有害氣體都有很大的作用，但為避免催化劑中毒，必須使用無硫柴油。催化劑的使用辦法有兩種，一種是在過濾體濾芯表面浸漬催化劑，另一種是在燃油中加入添加劑。采用濾芯表面浸漬催化劑，由于固體微粒與催化劑的接觸反映極不均勻，很難進行完全再生。另外，由于柴油機排氣中的微粒含量很大，隨著時間的推移，催化劑的作用會逐步削弱甚至完全消失，即催化劑中毒，從而影響到過濾體的有效再生。在燃油中加入添加劑是現(xiàn)在研究的熱點，添加劑普通為可溶性的金屬或金屬鹽等，燃燒后生成的金屬氧化物對微粒起催化作用，減少微粒起燃溫度，從而在較低的排氣溫度下不需外部能源，過濾體能自行再生。但燃料添加劑的燃燒產(chǎn)物金屬氧化物隨排氣流通過濾器時，有一部分會沉積下來。實驗表明，金屬添加劑在過濾體中的沉積率與濾芯對微粒的捕集效率基本一致。積累在過濾體上的添加劑金屬燃燒產(chǎn)物會堵塞過濾體孔隙，縮短過濾器使用壽命，若沉積過多，將造成背壓上升，影響柴油機的動力性和經(jīng)濟性，且排入大氣中的金屬漂塵又會引發(fā)二次污染。使用催化再生的DPF對微粒的捕集與對過濾體的再生是同時進行的，是一種持續(xù)再生的辦法。這種DPF裝置現(xiàn)在要解決的問題是：在柴油機的多個運轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生碳粒堵塞現(xiàn)象和避免催化劑中毒，以確保碳粒凈化率的長久穩(wěn)定性，提高其使用壽命。SO2是使催化劑中毒的重要因素，它與催化劑載體的重要材料氧化鋁互相作用并封鎖催化劑鉑，使反映區(qū)的質(zhì)量交換條件變壞。俄國汽車研究所在這方面的研究走在世界的前列，他們從兩方面著手：首先開發(fā)一種與氧化硫不發(fā)生作用和