【正文】 能耗效率低， 而且一般陶瓷過濾體的導熱性很差，不利于火焰的傳播，所以再生效率不高。這種再生技術對電功率要求比較高，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)，是指過濾器再生時，排氣全部流經過濾器，這種系統(tǒng)比較簡單，但對燃燒裝置的功率要求比較高，并且再生過程比較難以控制。 為此，美國通用汽車公司開發(fā)了一種部分旁通式再生系統(tǒng)，即利用柴油機驅動空氣泵提供部分新鮮空氣，再利用部分廢氣來滿足流動要求和氧氣供給。 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，柴油機廢氣在再生過程中從旁通通道排入大氣，因此再生過程可以不受排氣流動的影響，可在柴油機任何工況下實現(xiàn)對過濾體的再生。該再生技術是通過一柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 17 套專門的系統(tǒng)，適時地向過濾體上游空間噴人一定量的燃油和供給一定的空氣，由點火系統(tǒng)將噴入的燃油點燃，使過濾體的溫度上升，微粒著火燃燒，以實現(xiàn)過濾體的再生。強制再生難以在公交車等經常長時間低速行駛的車輛上使用。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]。 再生實際上就是利用熱能將沉積在過濾器內的微粒燒掉 。如果過濾體中收集的微粒不能及時清除，就會發(fā)生濾芯堵塞以致柴油機背壓急劇上升的現(xiàn)象，影響柴油機的換氣和燃燒，降低性能。根據(jù)國內王憲成、寧智等人的研究表明：利用金屬絲網良好的導電性，在過濾體上游加上電暈荷電裝置，使微粒荷電，帶電微粒在經過金屬絲網時由于靜電映像力的作用吸附在金屬絲網上，可以使組合金屬絲網的過濾效率達到50％～ 75％。 金屬絲網 采用金屬絲網成本相對較低，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，增強了過濾效率及過濾時間；其次，金屬絲網的耐高溫及抗震性能好，使用壽命長；金屬絲網良好的導電性能，使其更容易捕集到帶 電微粒。由于編織陶瓷過濾體內纖維表面全是有效過濾面積，因此過濾效率高，可達 90％以上。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 16 材料 耐壓強度 / (kg/cm2) 熱膨脹系數(shù) (1/℃ ) 導熱系數(shù) / (W/m℃ ) 耐火度 / ℃ 化學成分 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，沒有固定尺寸的限制，為過濾體 內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計參數(shù)使應用達到優(yōu)化。當流速達到一定值時，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。 柴油機用泡沫陶瓷過濾器的過濾機理以慣性碰撞機制為主。兩者的基本性能比較見表 2。堇青石泡沫陶瓷材料價格便宜，原材料易于取得，且生產工藝簡單易行。其缺點是結構疏松，強度低，在排氣沖擊和機械振動條件下易出現(xiàn)損壞 。另外，泡沫陶瓷的多孔結構，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 壁流式蜂窩陶瓷過濾器的構造 圖 3 泡沫陶瓷的微觀結構 根據(jù)生產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．當粒徑小于 μ m時，慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大，當粒徑大于 m時，慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。當流速達到一定值時，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。相關研究表明： a. 柴油機用泡沫陶瓷過濾器的過濾機理以慣性碰撞機制為主。壁流式蜂窩陶瓷壁內小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達 90％以上，且耐高溫，機械強度高 [7]。由于微粒直徑小于氣室直徑，當排氣微粒流經這些曲折徑小的顆粒隨氣流通過壁孔而排出。其內部由許多小孔組成，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濾材料。 蜂窩陶瓷材料具有各向異性的特點，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，因此再生過程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應力損壞。壁流式蜂窩陶瓷壁內小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達 90％以上 ，且耐高溫，機械強度高 [7]。多孔薄壁為柴油機排氣顆粒過濾的基本作用單元，壁孔結構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。壁流式蜂窩陶瓷的結構及工作原理見圖2。 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 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 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用的 Al203球粒載體，占據(jù)了催化器載體的主導市場。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屬于深床過 濾。國外在過濾材料的研究方面已經取得了突破性進展，出現(xiàn)了一些商品化的產品，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，國內在這方面與國外仍然有較大的差距。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致高的流動阻力。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。 工作原理 柴油機的排放 ,含有大量碳煙微粒的污染物 ,通過排氣管道進入微粒捕集器。在濾芯的結構設計中 ,GM公司認為最具發(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 ,濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術的使用和再生效果。整套裝置為雙室結構 ,捕集器殼體內的前部設有一個支蓋 ,將殼體分為前后兩腔 ,濾芯和自動燃燒器分別設在前后腔內 ,從而 過濾與再生分區(qū)進行 ,使得過濾與再生互不干擾 ,無論發(fā)動機處在何種工況下 ,系統(tǒng)都能自動工作。其兩大關鍵技術是過濾材料和過濾體的再生。 第四章 柴油機微粒捕捉器 1. 微粒捕捉器 (DPF)的組成和結構及工作原理 組成 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 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，天然氣發(fā)動機、包括柴油與天然氣的雙燃料發(fā)動機 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行，預計到 2021年，全球將有 1/3 的國家使用天然氣汽車。美國一些學者認為天然氣發(fā)動機汽車是與電動車相媲美的清潔能源動力車。 6. 代用燃料 隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，尋找一種更清潔 的替代石油的原料已勢在必行。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、改進點火性能；通過使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 12 為減少顆粒排放而研制的各種 “ 柴油機顆粒收集器或稱過濾器 (DEF)” ，雖然不少產品已在歐洲轎車柴油機上裝車使用，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，該項技術也正在進一步改進和發(fā)展中。 與 SCR 技術相比， DeNOx 催化 技術系統(tǒng)簡單，無有害生成物，目前認為最具發(fā)展?jié)摿Α? SCR 技術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劑反應，利用一個催化器降低 NO x 排放，排出生成的氧氣。 3. 全電子優(yōu)化控制 如前所述，目前對燃油噴射時間、噴射量、慣性增壓、增壓器、進氣渦流及廢氣再循環(huán) (EGR)等都能實現(xiàn)電子優(yōu)化的可變控制，從而對降低排放、減少油耗、提高輸出功率和啟動性能等有很大作用；但是，這些控制中的多半內容，如EGR、自動診斷等，還有很多技術不夠完善，有待進一步研究和開發(fā)，今后還將繼續(xù)開發(fā)其它方面的電子可變控制機構，尤其是與整車相協(xié)調統(tǒng)一的綜合化的全電子控制系統(tǒng) 4. 排氣后處理技術 柴油機能否像汽油機那樣使用催化劑大幅度減少排放，尤其是 NO x ，這是柴油機研制者一直追求的目標。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。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 11 2. 增壓及可變氣門配氣定時 當今柴油機增壓和增壓中冷已成為標準特點，隨著發(fā)動機的 輕量化與小型化，為了降低車輛油耗，提高車輛裝載效率，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，實驗室內已到 200 MPa。 第三章 降低柴油機有害排放物的幾種控制技術 1. 進一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，特別重視開發(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，都在試驗開發(fā)階段，其基本特點是由一個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)。長期吸入較高濃度的柴油機排氣顆粒，可以影響內分泌功能而改變 性激素平衡和生殖細胞的形態(tài)和功能。葉瞬華等采用 Ames試驗，檢測 6種國產和進口柴油機排氣顆粒物的誘變性，研究發(fā)現(xiàn)： 6種柴油機排出顆粒物均呈陽性，其顆粒提取物和誘變性之間，存在劑量 反應關系。柴油機排氣微粒中的多環(huán)芳烴一旦沉積于氣道粘膜表面，很容易通過上皮細胞結合為胞質受體從而影響細胞的生長和分化。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 10 4. 柴油機顆粒物毒性研究 前人的研究表明柴油機顆粒物是大氣污染的主要來源，且對人體呼吸系統(tǒng)具有較強的負面效應，故國內外許多學者已對尾氣顆粒物的毒性研究做出報道。蔡智鳴等采集了多種柴油車尾氣管（連消聲器）中沉積的碳煙顆粒冷凝物樣品，對其中有機污染物的化學組成和含量進行了研究。潭建軍等針對柴油機顆粒物中 PAHs組分提出了預處理和分析方法。SandroBrandenberger等研究發(fā)現(xiàn)潤滑油對有機物排放有著顯著貢獻，同時也是PAHs的重要排放源。 MoacirTavaresJr等檢測了巴西隆德里納公交車站柴油機排放的 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)芳烴具有較強的累積毒性效應，國內外許多學者將研究重點放在了顆粒物有機可溶性組分中多環(huán)芳烴（ PAHs）的定性定量上。譚丕強等分析了一臺增壓中冷直噴式柴油機排氣微粒的 SOF成分。 張延峰等分析車用柴油機排氣顆粒物組分得出有機酸、有機堿、脂肪烴類、芳香