1、柴油機微粒捕集器再生技術研究由于柴油機具有低油耗、高熱效率和低排放等特點，又具有良好的經濟性、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3080 倍，成為城市中的一個重要污染源。柴油機排氣微粒由不可溶炭粒（IDF）、未燃液體碳氫化合物（SOF）和硫酸鹽組成，微粒粒徑小，主要為0.012m，質量輕，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的實施迫使人們尋求解決汽車排氣污染的有效途徑和技術。自20世紀70年代以來，人們對柴油機排氣微粒后處理技術進行了廣泛而深入地研究。微粒捕集技術是

2、目前公認的最為有效的微粒凈化技術，也是目前商用前景最好的技術之一。微粒捕集器（DPF）安裝在柴油機排氣管上，過濾技術的機理主要有：排氣通過時微粒經過擴散、截流、慣性碰撞和重力沉降等原理被過濾體捕集。捕集效率主要受到微粒粒徑、過濾體微孔孔徑、排氣流速及氣流溫度等因素影響。隨著工作時間的增長，過濾體內堆積的微粒增多，發動機的背壓將上升，影響柴油機的正常工作，須用燃燒等方法將這些微粒除去，即過濾體的再生。DPF 的關鍵技術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結構與性能對整個微粒捕集系統的性能（如壓力降、過濾效率、強度、傳熱和傳質特性等）有很大的影響。DPF 對過濾材料的要求是：高的

3、微粒過濾效率，低的排氣阻力，高的機械強度和抗震動性能，并且還須具備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相互矛盾的，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取得較大的突破，出現了一些商品化的產品。目前國內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）陶瓷基過濾材料目前研究和應用最多的是陶瓷基過濾材料，它們通常由氧化物或碳化物組成，具有多孔結構，在700以上能保持熱穩定，比表面積大于1m2/g，主要結構包括蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纖維氈。蜂窩陶瓷常用熱膨脹系數低、造價低廉的堇青石制成，這種材料開發最早，使用最廣，有壁流式、泡沫式等

4、多種結構。目前在DPF 過濾體上研究和使用較多的是壁流式蜂窩陶瓷。它具有多孔結構，相鄰兩個通道中，一個通道進口被堵住，而另一通道的出口被堵住，為保證其機械強度和耐熱強度，孔道密度一般約為16 孔/cm2 時，孔道截面為2mm×2mm左右，壁厚為0.4mm左右，見圖1，這種結構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，近年來在制造技術上取得明顯的突破，蜂窩陶瓷壁厚減薄，開口橫截面積增大，從而降低了背壓損失，擴大了使用范圍。目前應用最廣的美國Cornin

5、g公司和日本NGK公司生產的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揮發出來，并排向大氣；發動機工作的熱循環引起過濾體尺寸的交替振動，會導致過濾材料的持續退化；若采用熱再生，導熱系數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 c金屬纖維編織網圖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經過高溫鍛燒，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%）且孔洞曲折，材料的熱膨脹系數各向同性，具有更好的熱穩定性，近年被用作柴油機排

6、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，通過改變各種設計參數可使應用達到優化。陶瓷纖維氈具有高度表面積化的特點，過濾體內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勢。目前研究較多的是泡沫合金和金屬纖維氈。泡沫合金是一種具有三維網絡骨架的材料，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，為改善其在高溫環境和含硫氣氛中的抗蝕性，采用耐熱耐蝕的鎳鉻鋁和鐵鉻

7、鋁高溫合金，合金表面是結構牢固的。例如-Al2O3，可在800的高溫下靜置200h 基本不受侵蝕。這種泡沫合金具有高的熱導率，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。泡沫合金的主要優點包括：具有大孔徑和薄骨架結構，泡沫合金表面容易被熔融鋁液浸透并覆蓋，退火處理后得到保護層；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；應用粉末冶金技術制造泡沫合金，可以降低生產成本。金屬纖維氈與陶瓷纖維氈過濾材料相比，具有強度高、使用壽命長及容塵量高等特點；與金屬絲網過濾材料相比，具有過濾精度高，透氣性好，比表面大和毛細管功能等特點，尤其適于高溫、有腐蝕介質等惡劣條件下

8、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陷，因此開始考慮復合基增強過濾材料，目前研究與應用主要集中在纖維氈結構上。為了解決在再生過程中燃燒引起的局部過熱導致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，NHK Spring 公司發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組成。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，保證了微粒的均勻捕獲，過濾效率

9、可達到80%90%，同時能起到消聲器的作用。二、再生技術DPF 是一種物理性的降低排氣微粒的方法，在工作過程中，微粒會積存在過濾器內，導致柴油機排氣背壓增加，當排氣背壓超過20kPa時，柴油機工作開始明顯惡化，導致發動機動力性和經濟性等性能降低，必須及時除去沉積的微粒，才能使DPF繼續正常工作，即DPF的再生，這是DPF能否在柴油機上正常使用的關鍵。在DPF開發的早期，曾采用脫機再生的方法解決再生問題，但只有成功開發在柴油機上自動實現再生的技術，才能從根本上解決其實用性問題。實用化再生技術必須要求：能在各種工況下正常工作；對柴油機工作特性及燃油經濟性具有較小的影響；不應對環境產生二次污染；具有

10、良好的可靠性和耐久性，耐久性在8萬km以上；便于操作；壽命和價格應能被用戶接受。柴油機排氣微粒通常在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一般低于500，一些城市公交車排溫甚至在300以下，排氣流速也很高，因而在正常的條件下難以燒掉微粒。近20年來，國內外對柴油機微粒捕集器再生技術進行了大量細致的研究工作，提出了多種再生技術，并有不少再生技術已進入實車使用階段。再生系統根據原理的不同可分為主動再生系統與被動再生系統兩大類。（一）主動再生系統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（500600）使微粒燃燒， 迄今提出的再生控制方法很多，利用背壓判斷再生

11、是最為普遍的一種方法，實質是判斷微粒捕集內的微粒量是否滿足再生要求。目前研究較多的外加能量再生控制系統有：噴油助燃再生系統、微波加熱再生系統、電加熱再生系統、逆向噴氣再生系統以及紅外加熱再生系統等。1燃氣再生燃氣再生技術是在發動機的排氣不旁通的情況下，將燃氣通入排氣中，直接利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，達到著火溫度燃燒實現再生。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分。計算得出

12、排氣中的氧氣完全滿足各工況下燃氣燃燒需要。試驗研究發現，燃氣流量具有較大的范圍，其再生效率基本不變，可達80以上。過濾體內的微粒沉積量對再生結果沒有顯著的影響，在較小的微粒沉積量下，燃氣再生仍可以進行，即再生時機的選擇范圍較大。再生時間與再生效率、燃氣流量以及過濾體微粒沉積情況密切相關，隨著再生時間的增加，排氣背壓下降，而過濾體溫度升高。需要根據各種因素，選取合理的再生時間。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，會導致過濾體的燒壞。燃氣加熱再生系統見圖2。2電加熱再生電加熱再生是利用置于過濾體前部的電阻絲點燃其周圍的微粒，再靠這部分微粒燃燒的

13、能量引燃其余的微粒，實現再生。由于車用24V蓄電池受電功率的限制，目前采用分區布置再生，且試驗已證明了其可行性。影響電加熱再生效果的主要因素有再生時機、再生廢氣量、加熱器結構和功率、再生策略等因素。再生方法中補氣節流再生是成熟的再生方法，它利用兩個蝶形閥，再生開始時旁通閥完全打開的同時，完全關閉調節閥，補充空氣利用調節閥上的小孔統入部分排氣，直至再生結束，補氣節流再生可在不同轉速和負荷的任意工況下，實現過濾器的再生。其難點主要有：首先要消耗大量的電能，增加了油耗和蓄電池的負擔；其次再生過程影響因素較多，系統穩定性差。因此需要對電器元件的選擇和繞制、電阻絲的布置方案、再生順序、通電加熱時機的研究

14、、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利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保證；另外再生時間短，不可燃物質不會在過濾體內積存。逆向噴氣反吹再生系統見圖3。逆向噴氣再生要解決以下關鍵技術：（1）進一步減少噴氣再生時壓縮空氣的消耗量。（2）開發針對噴氣再生的專用微粒過濾材料和過濾體結構型式。（3）如何優化氣路設計是一個關鍵問題。（4） 微粒的二次收集與燃燒。（5） 再生控制。目前需要解決逆向噴氣再生要解決的關鍵技術是：進一步減少噴氣再生時壓縮空氣

15、的消耗量；開發針對噴氣再生的專用微粒過濾材料和過濾體結構型式；對整個柴油機微粒過濾再生系統進行結構和控制參數的綜合優化。4紅外加熱再生紅外加熱再生首先由加熱器加熱具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捉的微粒，它兼具有電加熱結構簡單和加熱高效能的優點。試驗發現：過濾器再生分為加熱和燃燒兩階段，徑向燃燒不同步，存在溫度梯度。再生氣流對再生過程有很大的影響，再生氣流的氧濃度對燃燒的影響和氣流流動對熱量傳輸的影響很大。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試驗研究中發現，柴油機微粒陶瓷過濾器紅外再生方法的主要影響因素有再生用廢氣量、加熱器的功率及結構

16、和再生策略等。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缺乏時不僅再生速度慢，而且容易生產大量CO；（2）廢氣將產生的熱量帶走，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 燃氣加熱再生系統圖3 逆向噴氣反吹再生系統其次，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圍。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給速率和廢氣帶走熱量的速率，從而影響再生過程中過濾器

17、內最高溫度出現的位置。5微波加熱再生在微波加熱再生系統中，微粒能以60%70%的能量效率吸收，頻率為210GHz的微波，因陶瓷的損耗系數很低，對微波來說實際上是透明的，所以微波不會加熱陶瓷，且DPF 的金屬殼體會約束微波，防止微波外逸并把它反射回濾芯上。微波加熱再生利用微波獨具的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內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部溫度梯度小，熱應力引起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，是目前研究較多的一種再生技術。（二）被動再生系統被動再生是利用化學催化的方法降低微粒的反應活性，能

18、使微粒在柴油機正常運行條件下燃燒，達到再生目的。研究表明，一些貴金屬、金屬鹽、金屬氧化物及稀土復合金屬氧化物等催化劑對降低柴油機碳煙微粒的起燃溫度和轉化有害氣體均有很大的作用，但為防止催化劑中毒，必須使用無硫柴油。催化劑的使用方法有兩種，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應極不均勻，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，催化劑的作用會逐漸減弱甚至完全消失，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目前研究的熱點，添加劑一般為可溶性的金屬或金屬鹽等，燃燒后生成的金

19、屬氧化物對微粒起催化作用，降低微粒起燃溫度，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物金屬氧化物隨排氣流經過濾器時，有一部分會沉積下來。試驗表明，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物會堵塞過濾體孔隙，縮短過濾器使用壽命，若沉積過多，將導致背壓上升，影響柴油機的動力性和經濟性，且排入大氣中的金屬漂塵又會引起二次污染。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，是一種連續再生的方法。這種DPF裝置目前要解決的問題是：在柴油機的各種運轉條件下不發生碳粒堵塞現象和避免催化劑中毒，以確保碳粒凈化率的長期穩定性，提高其使用壽命。SO2是使催化劑中毒的主要因素，它與催化劑載體的主要材料氧化鋁相互作用并封鎖催化劑鉑，使反應區的質量交換條件變壞。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：一方面開發一種與氧化硫不發生作用和