【正文】 能耗效率低， 而且一般陶瓷過(guò)濾體的導(dǎo)熱性很差，不利于火焰的傳播，所以再生效率不高。這種再生技術(shù)對(duì)電功率要求比較高，一般需要 ～ 3 kW， 為了有效地利用電能，一般都采用廢氣旁通裝置。所謂全流式系統(tǒng)，是指過(guò)濾器再生時(shí)，排氣全部流經(jīng)過(guò)濾器，這種系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)燃燒裝置的功率要求比較高，并且再生過(guò)程比較難以控制。 為此，美國(guó)通用汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了一種部分旁通式再生系統(tǒng)，即利用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣泵提供部分新鮮空氣，再利用部分廢氣來(lái)滿足流動(dòng)要求和氧氣供給。 但研究發(fā)現(xiàn)，在噴油助燃再生中，一定的氣流速度是保證安全可靠再生的重要因素。在旁通式中，柴油機(jī)廢氣在再生過(guò)程中從旁通通道排入大氣，因此再生過(guò)程可以不受排氣流動(dòng)的影響，可在柴油機(jī)任何工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾體的再生。該再生技術(shù)是通過(guò)一柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 17 套專門(mén)的系統(tǒng)，適時(shí)地向過(guò)濾體上游空間噴人一定量的燃油和供給一定的空氣，由點(diǎn)火系統(tǒng)將噴入的燃油點(diǎn)燃，使過(guò)濾體的溫度上升，微粒著火燃燒，以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾體的再生。強(qiáng)制再生難以在公交車(chē)等經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間低速行駛的車(chē)輛上使用。這些再生方法可以分為 3類，前 4 種為加熱再生，逆向噴氣再生屬低溫反清潔再生，后兩種屬催化再生 [9]。 再生實(shí)際上就是利用熱能將沉積在過(guò)濾器內(nèi)的微粒燒掉 。如果過(guò)濾體中收集的微粒不能及時(shí)清除，就會(huì)發(fā)生濾芯堵塞以致柴油機(jī)背壓急劇上升的現(xiàn)象，影響柴油機(jī)的換氣和燃燒，降低性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)王憲成、寧智等人的研究表明：利用金屬絲網(wǎng)良好的導(dǎo)電性，在過(guò)濾體上游加上電暈荷電裝置，使微粒荷電，帶電微粒在經(jīng)過(guò)金屬絲網(wǎng)時(shí)由于靜電映像力的作用吸附在金屬絲網(wǎng)上，可以使組合金屬絲網(wǎng)的過(guò)濾效率達(dá)到50％～ 75％。 金屬絲網(wǎng) 采用金屬絲網(wǎng)成本相對(duì)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(guò)濾體中沿過(guò)濾厚度方向分布均勻，增強(qiáng)了過(guò)濾效率及過(guò)濾時(shí)間；其次，金屬絲網(wǎng)的耐高溫及抗震性能好，使用壽命長(zhǎng)；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。由于編織陶瓷過(guò)濾體內(nèi)纖維表面全是有效過(guò)濾面積，因此過(guò)濾效率高，可達(dá) 90％以上。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 16 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～ 40 2～ 4 1600 SiCSiO2Al2O3 堇青石 10～ 20 ～ 1200 MgOAl2O3SiO2 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(méi)有固定尺寸的限制，為過(guò)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(guò)改變各種設(shè)計(jì)參數(shù)使應(yīng)用達(dá)到優(yōu)化。當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，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。 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。兩者的基本性能比較見(jiàn)表 2。堇青石泡沫陶瓷材料價(jià)格便宜，原材料易于取得，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行。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(dòng)條件下易出現(xiàn)損壞 。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]。 圖 2 壁流式蜂窩陶瓷過(guò)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。 d．當(dāng)粒徑小于 μ m時(shí)，慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大，當(dāng)粒徑大于 m時(shí)，慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，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。相關(guān)研究表明： a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。壁流式蜂窩陶瓷壁內(nèi)小孔的尺寸都在微米級(jí)，過(guò)濾效率可達(dá) 90％以上，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高 [7]。由于微粒直徑小于氣室直徑，當(dāng)排氣微粒流經(jīng)這些曲折徑小的顆粒隨氣流通過(guò)壁孔而排出。其內(nèi)部由許多小孔組成，稱為“氣室”，小孔直徑一般為 ~2mm, 如圖 3所示。 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(guò)濾材料。 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(guò)程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應(yīng)力損壞。壁流式蜂窩陶瓷壁內(nèi)小孔的尺寸都在微米級(jí)，過(guò)濾效率可達(dá) 90％以上 ，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高 [7]。多孔薄壁為柴油機(jī)排氣顆粒過(guò)濾的基本作用單元，壁孔結(jié)構(gòu)的大小對(duì)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(guò)，過(guò)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(guò)壁孔而排出。壁流式蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖2。 表 1 不同過(guò)濾材料的過(guò)濾效率比較 [5] 過(guò)濾形式 表面過(guò)濾 深床過(guò)濾 過(guò)濾材料 壁流式蜂窩陶瓷 陶瓷纖維 泡沫陶瓷 金屬絲網(wǎng) 過(guò)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(guó)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(chǎng)。其中，壁流式蜂窩陶瓷和陶瓷纖維屬于表面過(guò)濾，泡沫陶瓷和金屬絲網(wǎng)屬于深床過(guò) 濾。國(guó)外在過(guò)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(guò)濾材料的研究需要高的工藝水平和資金投入等原因，國(guó)內(nèi)在這方面與國(guó)外仍然有較大的差距。其中過(guò)濾效率和流動(dòng)阻力是一對(duì)矛盾，高的微粒過(guò)濾效率一般會(huì)導(dǎo)致高的流動(dòng)阻力。大部分碳煙微粒由于體積過(guò)大而無(wú)法穿越壁孔 ,因而被吸附在通道壁上 ,而不會(huì)排放到空氣中。 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(guò)排氣管道進(jìn)入微粒捕集器。在濾芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 ,GM公司認(rèn)為最具發(fā)展前途的 4種過(guò)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。微粒捕集器的工作主體是濾芯 ,濾芯決定過(guò)濾器的過(guò)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。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(gè)支蓋 ,將殼體分為前后兩腔 ,濾芯和自動(dòng)燃燒器分別設(shè)在前后腔內(nèi) ,從而 過(guò)濾與再生分區(qū)進(jìn)行 ,使得過(guò)濾與再生互不干擾 ,無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)處在何種工況下 ,系統(tǒng)都能自動(dòng)工作。其兩大關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料和過(guò)濾體的再生。 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 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 13 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。近年來(lái)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、包括柴油與天然氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)展 很快，目前，全世界有幾百萬(wàn)輛天然氣或雙燃料汽車(chē)在運(yùn)行，預(yù)計(jì)到 2021年，全球?qū)⒂?1/3 的國(guó)家使用天然氣汽車(chē)。美國(guó)一些學(xué)者認(rèn)為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)是與電動(dòng)車(chē)相媲美的清潔能源動(dòng)力車(chē)。 6. 代用燃料 隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，尋找一種更清潔 的替代石油的原料已勢(shì)在必行。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(guò)使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 12 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(guò)濾器 (DEF)” ，雖然不少產(chǎn)品已在歐洲轎車(chē)柴油機(jī)上裝車(chē)使用，但由于 DEF 的耐久性差且過(guò)濾器的再生問(wèn)題也沒(méi)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。 與 SCR 技術(shù)相比， DeNOx 催化 技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)有害生成物，目前認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿Α? 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(gè)催化器降低 NO x 排放，排出生成的氧氣。 3. 全電子優(yōu)化控制 如前所述，目前對(duì)燃油噴射時(shí)間、噴射量、慣性增壓、增壓器、進(jìn)氣渦流及廢氣再循環(huán) (EGR)等都能實(shí)現(xiàn)電子優(yōu)化的可變控制，從而對(duì)降低排放、減少油耗、提高輸出功率和啟動(dòng)性能等有很大作用；但是，這些控制中的多半內(nèi)容，如EGR、自動(dòng)診斷等，還有很多技術(shù)不夠完善，有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，今后還將繼續(xù)開(kāi)發(fā)其它方面的電子可變控制機(jī)構(gòu)，尤其是與整車(chē)相協(xié)調(diào)統(tǒng)一的綜合化的全電子控制系統(tǒng) 4. 排氣后處理技術(shù) 柴油機(jī)能否像汽油機(jī)那樣使用催化劑大幅度減少排放，尤其是 NO x ，這是柴油機(jī)研制者一直追求的目標(biāo)。另外，增壓器固定的渦輪幾何形狀也將由可用于多用途的電控可變幾何形狀所取代。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 11 2. 增壓及可變氣門(mén)配氣定時(shí) 當(dāng)今柴油機(jī)增壓和增壓中冷已成為標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的 輕量化與小型化，為了降低車(chē)輛油耗，提高車(chē)輛裝載效率，必須繼續(xù)提高增壓比及增壓器效率。噴射壓力已提高到160— 180MPa，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已到 200 MPa。 第三章 降低柴油機(jī)有害排放物的幾種控制技術(shù) 1. 進(jìn)一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，特別重視開(kāi)發(fā)和選擇噴射系統(tǒng) Perkins 公司的 Ouadram 燃燒室、日野公司的 HMMS 燃燒室，小松公司的MTEC 燃燒室及五十鈴公司 的四角形燃燒室等，都在試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，其基本特點(diǎn)是由一個(gè)中央渦流及四周的微渦流使空氣燃料快速而充分地混合，并配合以合適的燃油噴射系統(tǒng)。長(zhǎng)期吸入較高濃度的柴油機(jī)排氣顆粒，可以影響內(nèi)分泌功能而改變 性激素平衡和生殖細(xì)胞的形態(tài)和功能。葉瞬華等采用 Ames試驗(yàn)，檢測(cè) 6種國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口柴油機(jī)排氣顆粒物的誘變性，研究發(fā)現(xiàn)： 6種柴油機(jī)排出顆粒物均呈陽(yáng)性，其顆粒提取物和誘變性之間，存在劑量 反應(yīng)關(guān)系。柴油機(jī)排氣微粒中的多環(huán)芳烴一旦沉積于氣道粘膜表面，很容易通過(guò)上皮細(xì)胞結(jié)合為胞質(zhì)受體從而影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 10 4. 柴油機(jī)顆粒物毒性研究 前人的研究表明柴油機(jī)顆粒物是大氣污染的主要來(lái)源，且對(duì)人體呼吸系統(tǒng)具有較強(qiáng)的負(fù)面效應(yīng)，故國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)尾氣顆粒物的毒性研究做出報(bào)道。蔡智鳴等采集了多種柴油車(chē)尾氣管（連消聲器）中沉積的碳煙顆粒冷凝物樣品，對(duì)其中有機(jī)污染物的化學(xué)組成和含量進(jìn)行了研究。潭建軍等針對(duì)柴油機(jī)顆粒物中 PAHs組分提出了預(yù)處理和分析方法。SandroBrandenberger等研究發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油對(duì)有機(jī)物排放有著顯著貢獻(xiàn)，同時(shí)也是PAHs的重要排放源。 MoacirTavaresJr等檢測(cè)了巴西隆德里納公交車(chē)站柴油機(jī)排放的 PAHs，發(fā)現(xiàn)有 10種多環(huán)芳香烴，平均濃度范圍為（ 177。 由于多環(huán)芳烴具有較強(qiáng)的累積毒性效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了顆粒物有機(jī)可溶性組分中多環(huán)芳烴（ PAHs）的定性定量上。譚丕強(qiáng)等分析了一臺(tái)增壓中冷直噴式柴油機(jī)排氣微粒的 SOF成分。 張延峰等分析車(chē)用柴油機(jī)排氣顆粒物組分得出有機(jī)酸、有機(jī)堿、脂肪烴類、芳香