【文章內(nèi)容簡介】 還原系統(tǒng)(SCR)及DeNO x ，催化器兩種NO x 還原系統(tǒng)進(jìn)行研究。 　　SCR技術(shù)是利用氮氧化物有選擇地與存在于廢氣中的或噴入的反應(yīng)劑反應(yīng)，利用一個催化器降低NO x 排放，排出生成的氧氣。還原反應(yīng)劑可以是在柴油機(jī)廢氣中的HC化合物或是由附加油箱直接噴入廢氣流中的物質(zhì)，如氨等。 　　與SCR技術(shù)相比，DeNOx催化技術(shù)系統(tǒng)簡單，無有害生成物，目前認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿?。DeNOx催化技術(shù)主要是將NOx催化熱裂變?yōu)镹 2 和O 2 ,目前的問題是廢氣在催化器中停留時，催化器效率不高，因此帶來轉(zhuǎn)化還原效率也受到很大限制。 　　為減少顆粒排放而研制的各種“柴油機(jī)顆粒收集器或稱過濾器(DEF)”，雖然不少產(chǎn)品已在歐洲轎車柴油機(jī)上裝車使用，但由于DEF的耐久性差且過濾器的再生問題也沒有徹底解決，因此，該項(xiàng)技術(shù)也正在進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展中。 5. 改進(jìn)燃料 燃料性能的改進(jìn)，對減少排放起到很大作用，日本繼美歐之后，%以下，以此大幅度減少排放顆粒中的硫酸鹽，同時減少EGR造成的發(fā)動機(jī)內(nèi)部的腐蝕磨耗及催化劑中毒；進(jìn)一步減少硫含量，提高十六烷值，可進(jìn)一步降低NO x 。減少芳香烴，尤其是減少3環(huán)以上的芳香族成分，可減少排放顆粒中的硫化物、降低90%的蒸餾溫度、改進(jìn)點(diǎn)火性能；通過使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。為了適應(yīng)低硫化及噴射壓力的大大增加，確保燃油噴射裝置的潤滑性，人們對燃料的改進(jìn)開發(fā)寄予了很大期望。 6. 代用燃料 隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，尋找一種更清潔的替代石油的原料已勢在必行。經(jīng)過多年的研究試驗(yàn)，目前公認(rèn)天然氣是21世紀(jì)的首選替代燃料。美國一些學(xué)者認(rèn)為天然氣發(fā)動機(jī)汽車是與電動車相媲美的清潔能源動力車。日本研究表明，天然氣汽車在環(huán)境保護(hù)、石油燃料替代及實(shí)用性等方面有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。近年來，天然氣發(fā)動機(jī)、包括柴油與天然氣的雙燃料發(fā)動機(jī) 發(fā)展 很快，目前，全世界有幾百萬輛天然氣或雙燃料汽車在運(yùn)行，預(yù)計到2010年，全球?qū)⒂?/3的國家使用天然氣汽車。正如人類本世紀(jì)初從固體燃料向液體燃料過渡一樣，如今已開始從液體燃料向氣體燃料過渡，從而將提高整個能源系統(tǒng)的效率和清潔性。 第四章 柴油機(jī)微粒捕捉器1. 微粒捕捉器(DPF)的組成和結(jié)構(gòu)及工作原理 組成 微粒捕捉器(DPF)由收集排氣微粒的濾芯和各類周期性地把濾芯中集存的微粒燒掉或氧化掉的再生系統(tǒng)所組成。DPF的過濾機(jī)理主要包括：碰撞原理、截流原理、擴(kuò)散原理和重力沉降原理等。其兩大關(guān)鍵技術(shù)是過濾材料和過濾體的再生。 結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)所用的微粒捕集器,為SiC壁流式微粒捕集器。整套裝置為雙室結(jié)構(gòu),捕集器殼體內(nèi)的前部設(shè)有一個支蓋,將殼體分為前后兩腔,濾芯和自動燃燒器分別設(shè)在前后腔內(nèi),從而過濾與再生分區(qū)進(jìn)行,使得過濾與再生互不干擾,無論發(fā)動機(jī)處在何種工況下,系統(tǒng)都能自動工作。該微粒捕集器有著較大的孔隙率和足夠大的孔隙,它既可以負(fù)載各種催化劑,也可以過濾、減少微粒的排放。微粒捕集器的工作主體是濾芯,濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術(shù)的使用和再生效果。試驗(yàn)所用DPF由丹麥的DNEX公司提供,濾芯材料為SiC,與堇青石材料相比,孔徑更均勻,并且具有流通性能好、過濾效率高、耐高溫(超過1600℃)和通用性好等特點(diǎn)。在濾芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,GM公司認(rèn)為最具發(fā)展前途的4種過濾體形式為:壁流式蜂窩陶瓷體、泡沫陶瓷體、金屬絲網(wǎng)和編織陶瓷纖維。其中,壁流式蜂窩陶瓷是目前綜合性能最好的過濾體,但國內(nèi)尚不能生產(chǎn)。 工作原理 柴油機(jī)的排放,含有大量碳煙微粒的污染物,通過排氣管道進(jìn)入微粒捕集器。捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu),其兩端一邊是敞開,一邊是堵塞的通道壁,廢氣從敞開的一端進(jìn)入,穿越多孔的蜂窩壁,然后從相鄰的通道排出。大部分碳煙微粒由于體積過大而無法穿越壁孔,因而被吸附在通道壁上,而不會排放到空氣中。2. 過濾材料 DPF對過濾材料的要求有以下幾個主要方面：高的微粒過濾效率、低的排氣流動阻力、高的耐溫性能、較高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的抗震性。其中過濾效率和流動阻力是一對矛盾，高的微粒過濾效率一般會導(dǎo)致高的流動阻力。因此，選擇過濾材料要綜合考慮兩方面的性能。國外在過濾材料的研究方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了一些商品化的產(chǎn)品，但由于過濾材料的研究需要高的工藝水平和資金投入等原因，國內(nèi)在這方面與國外仍然有較大的差距。目前國內(nèi)外常用的過濾材料主要有壁流式蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維和金屬絲網(wǎng)等。其中，壁流式蜂窩陶瓷和陶瓷纖維屬于表面過濾，泡沫陶瓷和金屬絲網(wǎng)屬于深床過濾。各種過濾材料的過濾效率見表1。表1 不同過濾材料的過濾效率比較[5]過濾形式表面過濾深床過濾過濾材料壁流式蜂窩陶瓷陶瓷纖維泡沫陶瓷金屬絲網(wǎng)過濾效率65％～95％70％～99％40％～70％20％～50％ 壁流式蜂窩陶瓷壁流式蜂窩陶瓷試制于20世紀(jì)70年代初美國康寧(Corning)公司，它以其良好的性能逐步取代了早期應(yīng)用的Al203球粒載體，占據(jù)了催化器載體的主導(dǎo)市場。目前，世界上最大的兩個廠家——美國康寧公司和日本的NGK公司生產(chǎn)的壁流式蜂窩陶瓷分別占世界市場的50％和40％。壁流式蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。流入蜂窩陶瓷入口截面的排氣必須經(jīng)過內(nèi)部多孔薄壁到相鄰的通道流出。多孔薄壁為柴油機(jī)排氣顆粒過濾的基本作用單元，壁孔結(jié)構(gòu)的大小對排氣顆粒流的作用有兩種情況：一是壁孔較大，顆粒流中的所有顆粒物通過，過濾器不起作用；二是壁孔小于顆粒物粒徑，攔截全部顆粒高效捕集，粒徑小的顆粒隨氣流通過壁孔而排出?？梢姺涓C陶瓷多孔薄壁孔的幾何尺寸、孔分布的均勻性及排氣顆粒物的粒徑是影響過濾器捕集效率的要素。壁流式蜂窩陶瓷壁內(nèi)小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達(dá)90％以上，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高[7]。其主要缺點(diǎn)是過濾體的制造工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)還不具備生產(chǎn)能力。 蜂窩陶瓷材料具有各向異性的特點(diǎn)，其徑向膨脹系數(shù)是橫向膨脹系數(shù)的兩倍，且微粒都沉積在孔道內(nèi)，因此再生過程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應(yīng)力損壞。另外，微粒在蜂窩內(nèi)成板狀結(jié)構(gòu)，不利于著火燃燒。徑小的顆粒隨氣流通過壁孔而排出。可見蜂窩陶瓷多孔薄壁孔的幾何尺寸、孔分布的均勻性及排氣顆粒物的粒徑是影響過濾器捕集效率的要素。壁流式蜂窩陶瓷壁內(nèi)小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達(dá)90％以上，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高[7]。其主要缺點(diǎn)是過濾體的制造工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)還不具備生產(chǎn)能力泡沫陶瓷 泡沫陶瓷泡沫陶瓷是一種耐高溫，體積密度小，氣流通道曲折和氣孔率較高等綜合性能良好的過濾材料。它是將陶瓷原料配制成泥漿，并在聚酯或聚醚泡沫塑料內(nèi)浸漬成型，最后經(jīng)燒制而成的。其內(nèi)部由許多小孔組成，稱為“氣室”，~2mm, 如圖3所示。每個氣室通過窗口與多個鄰室相連，在過濾體內(nèi)形成許多曲折的通道[10]。由于微粒直徑小于氣室直徑，當(dāng)排氣微粒流經(jīng)這些曲折通道時，由于氣流不斷改變方向，微粒由于慣性碰撞攔截、擴(kuò)散攔截和幾何攔截等多種作用而沉積于過濾體內(nèi)部。相關(guān)研究表明： a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。 b．隨著流速的提高，微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低。當(dāng)流速達(dá)到一定值時，大微粒的捕集效率將迅速上升，而小微粒的捕集效率繼續(xù)降低。 c. 微孔直徑越大，擴(kuò)散捕集效率越低。a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。 b．隨著流速的提高，微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低。當(dāng)流速達(dá)到一定值時，大微粒的捕集效率將迅速上升，而小微粒的捕集效率繼續(xù)降低。 c. 微孔直徑越大，擴(kuò)散捕集效率越低。 d． μm時，慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大，慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。 。圖2 壁流式蜂窩陶瓷過濾器的構(gòu)造 圖3 泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu) 根據(jù)生產(chǎn)原料的主要成分不同，泡沫陶瓷材料可分為堇青石泡沫陶瓷、三氧化二鋁泡沫陶瓷、碳化硅泡沫陶瓷等。泡沫陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝相對簡單，且成本低，可以根據(jù)微粒的過濾及過濾體再生的要求，制成各種形狀，以滿足不同的需求。另外，泡沫陶瓷的多孔結(jié)構(gòu)，使火焰易于傳播，微粒的著火溫度比壁流式陶瓷低50℃，從而使燃燒更加安全，再生更加徹底[10]。泡沫陶瓷各向同性，再生時熱應(yīng)力小，不易造成過濾體熱損壞。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，在排氣沖擊和機(jī)械振動條件下易出現(xiàn)損壞。堇青石泡沫陶瓷和碳化硅泡沫陶瓷是目前應(yīng)用比較廣泛的過濾體材料。堇青石泡沫陶瓷材料價格便宜，原材料易于取得，且生產(chǎn)工藝簡單易行。碳化硅泡沫陶瓷具有孔隙率大，孔徑均勻，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫性能好以及具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和微波吸收能力等特點(diǎn)。兩者的基本性能比較見表2。表2 碳化硅及堇青石泡沫陶瓷材料的基本性能 材料耐壓強(qiáng)度/(kg/cm2)熱膨脹系數(shù)(1/℃)導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m℃)耐火度/℃化學(xué)成分碳化硅10～402～41600SiCSiO2Al2O3堇青石10～20～1200MgOAl2O3SiO2 編織陶瓷纖維 編織陶瓷纖維具有高度表面積化和良好的抗高溫能力，沒有固定尺寸的限制，為過濾體內(nèi)孔形狀和孔的分布提供了廣泛的選擇余地，可以通過改變各種設(shè)計參數(shù)使應(yīng)用達(dá)到優(yōu)化。陶瓷纖維能適應(yīng)催化劑使用的需要。由于編織陶瓷過濾體內(nèi)纖維表面全是有效過濾面積，因此過濾效率高，可達(dá)90％以上。但是由于陶瓷纖維是一種脆性材料，在編織和使用過程中較易損壞，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜。 金屬絲網(wǎng)采用金屬絲網(wǎng)成本相對較低，且孔隙大小沿氣流方向可以任意組合，使捕獲的微粒在過濾體中沿過濾厚度方向分布均勻，增強(qiáng)了過濾效率及過濾時間；其次，金屬絲網(wǎng)的耐高溫及抗震性能好，使用壽命長；金屬絲網(wǎng)良好的導(dǎo)電性能，使其更容易捕集到帶電微粒。但單純金屬絲網(wǎng)過濾體的捕集效率較低，為20％～50％。根據(jù)國內(nèi)王憲成、寧智等人的研究表明：利用金屬絲網(wǎng)