柴油機(jī)DPF微粒捕集器再生

1、柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)研究由于柴油機(jī)具有低油耗、高熱效率和低排放等特點(diǎn)，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力 性和可靠性，因而被廣泛地用作汽車(chē)和工程機(jī)械的動(dòng)力。但其尾氣中含有大量的微粒（PM，約為汽油機(jī)的3080倍，成為城市中的一個(gè)重要污染源。柴油機(jī)排氣微粒 由不可溶炭粒（IDF）、未燃液體碳?xì)浠衔铮⊿OF和硫酸鹽組成，微粒粒徑小，主 要為0.012 口 m質(zhì)量輕，能長(zhǎng)時(shí)間懸浮在大氣中，容易被人體吸入并沉積在肺泡 中，對(duì)人體健康造成極大的危害。日益嚴(yán)格的汽車(chē)排放法規(guī)的實(shí)施迫使人們尋求解決汽車(chē)排氣污染的有效途徑和技 術(shù)。自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，人們對(duì)柴油機(jī)排氣微粒后處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入地 研

2、究。微粒捕集技術(shù)是目前公認(rèn)的最為有效的微粒凈化技術(shù)，也是目前商用前景最好的 技術(shù)之一。微粒捕集器（DPF安裝在柴油機(jī)排氣管上，過(guò)濾技術(shù)的機(jī)理主要有：排氣 通過(guò)時(shí)微粒經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、截流、慣性碰撞和重力沉降等原理被過(guò)濾體捕集。捕集效率主 要受到微粒粒徑、過(guò)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(shí)間 的增長(zhǎng)，過(guò)濾體內(nèi)堆積的微粒增多，發(fā)動(dòng)機(jī)的背壓將上升，影響柴油機(jī)的正常工作， 須用燃燒等方法將這些微粒除去，即過(guò)濾體的再生。 DPF 的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料及其 再生的選擇和研究。一、過(guò)濾材料過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)整個(gè)微粒捕集系統(tǒng)的性能（如壓力降、過(guò)濾效率、強(qiáng) 度、傳熱和傳質(zhì)特性等）有很大的影響。

3、 DPF 對(duì)過(guò)濾材料的要求是：高的微粒過(guò)濾效 率，低的排氣阻力，高的機(jī)械強(qiáng)度和抗震動(dòng)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(guò)濾效率與低的排氣阻力是相互矛盾的，選擇材料時(shí)要 綜合考慮這兩方面的性能。國(guó)外在過(guò)濾材料上的研究已經(jīng)取得較大的突破，出現(xiàn)了一 些商品化的產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的過(guò)濾材料有陶瓷基、金屬基和復(fù)合基三大 類(lèi)。（一）陶瓷基過(guò)濾材料目前研究和應(yīng)用最多的是陶瓷基過(guò)濾材料，它們通常由氧化物或碳化物組成，具 有多孔結(jié)構(gòu)，在700C以上能保持熱穩(wěn)定，比表面積大于im/g，主要結(jié)構(gòu)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(shù)低、造價(jià)低廉的堇青石制成，

4、這種材料開(kāi)發(fā)最早，使用 最廣，有壁流式、泡沫式等多種結(jié)構(gòu)。目前在DPF過(guò)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(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)通道中，一個(gè)通道進(jìn)口被堵住，而另一通道 的出口被堵住，為保證其機(jī)械強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度，孔道密度一般約為16孔/cm2時(shí)，孔道截面為2mnX2mm左右，壁厚為0.4mm左右，見(jiàn)圖1，這種結(jié)構(gòu)迫使排氣由入口敞開(kāi) 的通道進(jìn)入，穿過(guò)多孔的陶瓷壁面進(jìn)入相鄰的出口敞開(kāi)通道，而微粒就被過(guò)濾在通道 壁面上，這種DPFM微粒的過(guò)濾效率可達(dá)90%以上?？扇苄杂袡C(jī)成分SOF也能被部分 捕集，近年來(lái)在制造技術(shù)上取得明顯的突破，蜂窩陶瓷壁厚減薄，開(kāi)口橫截面積增 大，從而降低了背壓損失，擴(kuò)大

5、了使用范圍。目前應(yīng)用最廣的美國(guó)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(shí)沉積在壁面的 HC成分將在排溫升高時(shí)重新?lián)]發(fā)出來(lái)，并排向大氣；發(fā)動(dòng) 機(jī)工作的熱循環(huán)引起過(guò)濾體尺寸的交替振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾材料的持續(xù)退化；若采用熱 再生，導(dǎo)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(guò)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(jīng)過(guò)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(qiáng)，孔隙率大（80%-90%且孔洞曲折，材料的熱膨脹系數(shù)各向

6、同性，具有更好的熱穩(wěn)定性，近年 被用作柴油機(jī)排氣微粒的過(guò)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(guò)濾體的孔形狀和孔分布有廣泛的選擇余地，通 過(guò)改變各種設(shè)計(jì)參數(shù)可使應(yīng)用達(dá)到優(yōu)化。陶瓷纖維氈具有高度表面積化的特點(diǎn)，過(guò)濾 體內(nèi)纖維表面全是有效過(guò)濾面積，過(guò)濾效率可高達(dá) 95%。但陶瓷纖維是一種脆性的耐 高溫材料，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜且易損壞。（二）金屬基過(guò)濾材料金屬在材料的強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱性等方面有陶瓷無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。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(wǎng)絡(luò)骨架的材料，日本住友電工公司曾采用泡沫鎳作為 過(guò)濾材料，但鎳的抗蝕性差，為改善其

7、在高溫環(huán)境和含硫氣氛中的抗蝕性，采用耐熱 耐蝕的鎳鉻鋁和鐵鉻鋁高溫合金，合金表面是結(jié)構(gòu)牢固的。例如a-Al 2Q,可在800C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(dǎo)率，可兼作熱再生裝 置的輻射加熱器，熱度分布均勻，再生時(shí)過(guò)濾體不會(huì)開(kāi)裂與熔化。泡沫合金的主要優(yōu) 點(diǎn)包括：具有大孔徑和薄骨架結(jié)構(gòu)，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(hù)層；由于合金骨架的機(jī)械強(qiáng)度高，可大大改善過(guò)濾材料的耐振性能； 應(yīng)用粉末冶金技術(shù)制造泡沫合金，可以降低生產(chǎn)成本。金屬纖維氈與陶瓷纖維氈過(guò)濾材料相比，具有強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)及容塵量高等特 點(diǎn)；與金屬絲網(wǎng)過(guò)濾材料相比，具有過(guò)濾精度高

8、，透氣性好，比表面大和毛細(xì)管功能 等特點(diǎn)，尤其適于高溫、有腐蝕介質(zhì)等惡劣條件下的過(guò)濾，因此是一種很有前途的柴 油機(jī)微粒過(guò)濾材料。（三）復(fù)合基過(guò)濾材料陶瓷基過(guò)濾材料和金屬基過(guò)濾材料都有不可避免的缺陷，因此開(kāi)始考慮復(fù)合基增 強(qiáng)過(guò)濾材料，目前研究與應(yīng)用主要集中在纖維氈結(jié)構(gòu)上。為了解決在再生過(guò)程中燃燒引起的局部過(guò)熱導(dǎo)致過(guò)濾材料熔融破裂或殘留煙灰黏附在過(guò)濾材料上使 DPF 失效的問(wèn) 題，NHK Spring公司發(fā)明了一種新型過(guò)濾材料，這種過(guò)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1100C，氧化鋁纖維氈材料是70A12Q-30SQ2，最高耐熱溫度

9、1400C。從排氣進(jìn)口到出口，疊層纖維 氈的密度越來(lái)越細(xì)，保證了微粒的均勻捕獲，過(guò)濾效率可達(dá)到80%-90%同時(shí)能起到消聲器的作用。二、再生技術(shù)DPF 是一種物理性的降低排氣微粒的方法，在工作過(guò)程中，微粒會(huì)積存在過(guò)濾器內(nèi)，導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓增加，當(dāng)排氣背壓超過(guò)20kPa時(shí)，柴油機(jī)工作開(kāi)始明顯惡化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能降低，必須及時(shí)除去沉積的微粒，才能使 DPF 繼續(xù)正常工作，即DPF的再生，這是DPF能否在柴油機(jī)上正常使用的關(guān)鍵。在 DPF開(kāi) 發(fā)的早期，曾采用脫機(jī)再生的方法解決再生問(wèn)題，但只有成功開(kāi)發(fā)在柴油機(jī)上自動(dòng)實(shí) 現(xiàn)再生的技術(shù)，才能從根本上解決其實(shí)用性問(wèn)題。實(shí)用化再生技術(shù)必須要求

10、：能在各 種工況下正常工作；對(duì)柴油機(jī)工作特性及燃油經(jīng)濟(jì)性具有較小的影響；不應(yīng)對(duì)環(huán)境產(chǎn) 生二次污染；具有良好的可靠性和耐久性，耐久性在8萬(wàn)km以上；便于操作；壽命和價(jià)格應(yīng)能被用戶(hù)接受。柴油機(jī)排氣微粒通常在560C以上時(shí)開(kāi)始燃燒，正常的燃燒溫度在800C以上。而實(shí)際柴油機(jī)排氣溫度一般低于 500 °C，些城市公交車(chē)排溫甚至在 300 C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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)微粒捕集 器再生技術(shù)進(jìn)行了大量細(xì)致的研究工作，提出了多種再生技術(shù)，并有不少再生技術(shù)已 進(jìn)入實(shí)車(chē)使用階段。再生系統(tǒng)根據(jù)原理的不同可分為主動(dòng)再生系統(tǒng)與被動(dòng)再生系統(tǒng)兩 大類(lèi)。（

11、一）主動(dòng)再生系統(tǒng)主動(dòng)再生是通過(guò)外加能量提高氣流溫度到微粒的起燃溫度（500C600C）使微粒燃燒， 迄今提出的再生控制方法很多，利用背壓判斷再生是最為普遍的一種方法， 實(shí)質(zhì)是判斷微粒捕集內(nèi)的微粒量是否滿(mǎn)足再生要求。目前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?xì)庠偕細(xì)庠偕夹g(shù)是在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣不旁通的情況下，將燃?xì)馔ㄈ肱艢庵?，直接利?排氣中剩余的氧氣和燃?xì)饣旌先紵?，?duì)沉積在過(guò)濾體中的微粒進(jìn)行加熱，達(dá)到著火溫 度燃燒實(shí)現(xiàn)再生。過(guò)濾體在過(guò)濾的過(guò)程中避免了過(guò)濾體再生時(shí)旁通排氣造成的污染。 這種再生方式與催化

12、再生相比，適合在高硫條件下使用，符合我國(guó)燃油含硫量較高的 國(guó)情，同時(shí)，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(shí)燃燒比較充分。計(jì)算得出排氣中的氧氣完全滿(mǎn)足各工況下燃?xì)馊紵枰?。試?yàn)研 究發(fā)現(xiàn)，燃?xì)饬髁烤哂休^大的范圍，其再生效率基本不變，可達(dá)80以上。過(guò)濾體內(nèi)的微粒沉積量對(duì)再生結(jié)果沒(méi)有顯著的影響，在較小的微粒沉積量下，燃?xì)庠偕钥梢?進(jìn)行，即再生時(shí)機(jī)的選擇范圍較大。再生時(shí)間與再生效率、燃?xì)饬髁恳约斑^(guò)濾體微粒 沉積情況密切相關(guān)，隨著再生時(shí)間的增加，排氣背壓下降，而過(guò)濾體溫度升高。需要 根據(jù)各種因素，選取合理的再生時(shí)間。由于氣流速度大，火焰難以形成，容易熄滅。 這樣進(jìn)入的燃

13、氣會(huì)造成更大的污染。再生時(shí)間控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾體的燒壞。燃?xì)饧訜嵩偕到y(tǒng)見(jiàn)圖2。2電加熱再生電加熱再生是利用置于過(guò)濾體前部的電阻絲點(diǎn)燃其周?chē)奈⒘?，再靠這部分微粒 燃燒的能量引燃其余的微粒，實(shí)現(xiàn)再生。由于車(chē)用24V 蓄電池受電功率的限制，目前采用分區(qū)布置再生，且試驗(yàn)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(shí)機(jī)、再生廢氣量、加熱器結(jié)構(gòu)和功率、 再生策略等因素。再生方法中補(bǔ)氣節(jié)流再生是成熟的再生方法，它利用兩個(gè)蝶形閥， 再生開(kāi)始時(shí)旁通閥完全打開(kāi)的同時(shí)，完全關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，補(bǔ)充空氣利用調(diào)節(jié)閥上的小孔 統(tǒng)入部分排氣，直至再生結(jié)束，補(bǔ)氣節(jié)流再生可在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的任意工況下，實(shí) 現(xiàn)過(guò)濾器的再生

14、。其難點(diǎn)主要有：首先要消耗大量的電能，增加了油耗和蓄電池的負(fù) 擔(dān)；其次再生過(guò)程影響因素較多，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。因此需要對(duì)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(shí)機(jī)的研究、微粒積存量的多少、過(guò)濾 器溫度等方面進(jìn)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(guò)濾時(shí)氣流流動(dòng)相反的方向清潔過(guò)濾體。 它將過(guò)濾體的再生和微粒的燃燒分開(kāi)，避免微粒在過(guò)濾體中燃燒，使過(guò)濾體的使用壽 命和可靠性得到保證；另外再生時(shí)間短，不可燃物質(zhì)不會(huì)在過(guò)濾體內(nèi)積存。逆向噴氣 反吹再生系統(tǒng)見(jiàn)圖 3。逆向噴氣再生要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：（1）進(jìn)一步減少?lài)姎庠偕鷷r(shí)壓縮空氣的消耗量。（2）開(kāi)發(fā)針對(duì)噴氣再

15、生的專(zhuān)用微粒過(guò)濾材料和過(guò)濾體結(jié)構(gòu)型式。（3）如何優(yōu)化氣路設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(guān)鍵技術(shù)是：進(jìn)一步減少?lài)姎庠偕鷷r(shí)壓縮空 氣的消耗量；開(kāi)發(fā)針對(duì)噴氣再生的專(zhuān)用微粒過(guò)濾材料和過(guò)濾體結(jié)構(gòu)型式；對(duì)整個(gè)柴油 機(jī)微粒過(guò)濾再生系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)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具有較強(qiáng)輻射能力的紅外涂層，然后由紅外涂層 通過(guò)輻射方式加熱過(guò)濾器中捕捉的微粒，它兼具有電加熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和加熱高效能的優(yōu) 點(diǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：過(guò)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(duì)再生過(guò)程有很大的影響，再生氣流的氧濃

16、度對(duì)燃燒的影響和氣流流動(dòng) 對(duì)熱量傳輸?shù)挠绊懞艽?。大連理工大學(xué)的高希彥等人在對(duì)柴油機(jī)微粒陶瓷過(guò)濾器紅外 再生的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)微粒陶瓷過(guò)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(jié)構(gòu)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(shí)所需的 02, Q充足時(shí)再生速度快，O缺乏時(shí)不僅再生速 度慢，而且容易生產(chǎn)大量CQ（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(shí)間。圖2燃?xì)饧訜嵩偕到y(tǒng)圖3逆向噴氣反吹再生系統(tǒng)其次，當(dāng)廢氣從加熱器流過(guò)時(shí)，會(huì)受到加熱器的加熱。因此，加熱器功率在一定 程

17、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(guò)程中所用廢氣量的變化決定了過(guò)濾器不同部位再生過(guò)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(guò)程中過(guò)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%勺能量效率吸收，頻率為 210GHz的微波，因陶瓷的損耗系數(shù)很低，對(duì)微波來(lái)說(shuō)實(shí)際上是透明的，所以微波不會(huì)加熱陶 瓷，且 DPF 勺金屬殼體會(huì)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(dú)具勺選擇加熱及體積加熱特性，在過(guò)濾體內(nèi)部形成空間 分布勺熱源，使微粒就地吸熱、著火并燃燒。實(shí)驗(yàn)表明，再

18、生過(guò)程中過(guò)濾體內(nèi)部溫度 梯度小，熱應(yīng)力引起勺過(guò)濾體損壞勺可能性減小，再生窗口寬，再生過(guò)程易于控制。 微波再生效率高，沒(méi)有二次污染，是目前研究較多勺一種再生技術(shù)。（二）被動(dòng)再生系統(tǒng)被動(dòng)再生是利用化學(xué)催化勺方法降低微粒勺反應(yīng)活性，能使微粒在柴油機(jī)正常運(yùn) 行條件下燃燒，達(dá)到再生目勺。研究表明，一些貴金屬、金屬鹽、金屬氧化物及稀土 復(fù)合金屬氧化物等催化劑對(duì)降低柴油機(jī)碳煙微粒勺起燃溫度和轉(zhuǎn)化有害氣體均有很大 勺作用，但為防止催化劑中毒，必須使用無(wú)硫柴油。催化劑勺使用方法有兩種，一種 是在過(guò)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勺接觸反應(yīng)極不均勻，

19、很難進(jìn) 行完全再生。另外，由于柴油機(jī)排氣中勺微粒含量很大，隨著時(shí)間勺推移，催化劑勺 作用會(huì)逐漸減弱甚至完全消失，即催化劑中毒，從而影響到過(guò)濾體勺有效再生。在燃油中加入添加劑是目前研究勺熱點(diǎn)，添加劑一般為可溶性勺金屬或金屬鹽 等，燃燒后生成勺金屬氧化物對(duì)微粒起催化作用，降低微粒起燃溫度，從而在較低勺 排氣溫度下不需外部能源，過(guò)濾體能自行再生。但燃料添加劑勺燃燒產(chǎn)物金屬氧化物 隨排氣流經(jīng)過(guò)濾器時(shí)，有一部分會(huì)沉積下來(lái)。試驗(yàn)表明，金屬添加劑在過(guò)濾體中勺沉 積率與濾芯對(duì)微粒勺捕集效率基本一致。積累在過(guò)濾體上勺添加劑金屬燃燒產(chǎn)物會(huì)堵塞過(guò)濾體孔隙，縮短過(guò)濾器使用壽命，若沉積過(guò)多，將導(dǎo)致背壓上升，影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，且排入大氣中的金屬漂塵又會(huì)引起二次污染。使用催化再生的DPF對(duì)微粒的捕集與對(duì)過(guò)濾體的再生是同時(shí)進(jìn)行的，是一種連續(xù) 再生的方法。這種DPF裝置目前要解決的問(wèn)題是：在柴油機(jī)的各種運(yùn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，提高其使用壽 命。SO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(yīng)區(qū)的質(zhì)量交換條件變壞。俄國(guó)汽車(chē)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(kāi)發(fā)一種與氧化硫不發(fā)生作用和催化載體