柴油機微粒捕集器關鍵技術研究

聶存慶

摘 要：簡述了柴油機排氣微粒對大氣環境和人體健康的危害，研究、分析了排氣微粒捕集器及其再生技術的現狀和發展趨勢。通過對幾種過濾材料進行對比、分析，研究結果表明，壁流式蜂窩陶瓷是理想的過濾體材料。根據目前的發展現狀，提出了適合我國國的柴油機微粒捕集器再生技術，對指導柴油機微粒捕集器的研發和降低大氣中PM濃度有現實意義。

關鍵詞：柴油機；微粒捕集器；過濾體材料；再生

中圖分類號：U464.172 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0006-02

隨著電子商務的發展和公路運輸網的完善，公路物流運輸量不斷提升，現代社會必不可少的交通工具機動車的保有量迅猛增長，帶來了嚴重的大氣污染問題，對人類賴以生存的環境和人體健康都造成了不利影響。其中，柴油車排放的微粒成為城市PM的重要來源，引起了社會各界的廣泛關注。

柴油車排放的污染物主要為微粒，不同的大小、濃度和其在空氣中懸浮的時間，對人體的危害程度也是不同的。柴油機排放的微粒直徑基本不大于1 μm，漂浮于空氣中極易被吸入人體肺部，引發各類疾病。對柴油機排放污染的關注始于20世紀80年代，美國、日本、歐盟等國家和地區先后制訂了限制柴油機微粒排放的法律、法規和技術標準，并且通過嚴格遵守標準來控制污染物的排放量。因此，柴油機排放控制技術己經成為當前相關部門、制造廠和研究部門著力推進和研究的關鍵技術，其研究成果具有重要的社會意義和經濟價值。

1 柴油機排氣微粒的危害

研究表明，懸浮顆粒物可直接對人體健康產生負面影響，可對城市大氣環境造成間接的影響，尤其當懸浮顆粒物明顯增多時，會引起城市大氣能見度的降低。顆粒直徑的大小、存在的形態與深入人體的部位密切相關。從空氣動力學的角度講，直徑大于5 μm的顆粒會被直接阻擋在鼻腔外，小于2.5 μm的顆粒可被吸入體內，引起心、肺功能障礙性疾病。與此同時，由較細小顆粒組成的復合結構體，其表面具有吸附作用，極易吸附一些有害的有機物和致病菌。據歐美國家研究機構的相關研究表明，空氣中的PM濃度與哮喘病發病率、入醫院治療的人數比例和死亡率相關，其中與PM2.5的相關性最強。

PM10和PM2.5對光有散射效應，會導致能見度降低。不少研究人員認為，顆粒的散光效應是能見度降低的主要因素；柴油機排放的微粒，尤其是碳煙，對光的吸收是使能見度降低的另一因素。碳煙顆粒的消光系數是透明顆粒的幾倍，即使數量較少的碳煙顆粒，也可能會導致該地方的能見度降低50%.

2 排氣微粒凈化技術

目前，柴油機排氣凈化技術主要分為機內凈化和機外凈化。機內凈化能有效降低柴油機有害物地排放，但單純的機內凈化技術無法滿足日趨嚴格的排放限值。利用微粒捕集器對排氣進行處理，將此技術與機內凈化技術共同作用，以此作為突破柴油機微粒排放控制極限的研究方案。

柴油機排氣微粒捕集器是用以降低柴油機微粒排放的一種廢氣處理技術。微粒捕集技術的核心技術是過濾材料和再生技術。微粒捕集技術的過濾材料主要有泡沫陶瓷、單晶體陶瓷、陶瓷纖維和金屬絲網等。大多微粒捕集器是通過物理手段降低排氣微粒，以起到凈化的效果。 隨著過濾下來微粒的累積，過濾孔道很容易被堵塞，使發動機排氣背壓升高，直接導致車輛動力性下降，燃料經濟性和排放性能惡化。因此，必須要采用再生技術及時去除微粒，以便疏通排氣，恢復過濾性能。我們將去除過濾下來微粒的過程稱為過濾體的再生。雖然國內外對過濾體再生技術研究很廣泛，但每種再生技術都存在一些問題，都有待進一步完善。

3 過濾材料的種類

3.1 陶瓷基過濾材料

陶瓷基過濾材料是目前研究較多、在排氣處理中應用最廣泛的一種過濾材料。這種材料通常為氧化物或碳化物組成的多孔式結構，具有耐高溫的特點，在700 ℃以上的溫度環境中仍能保持很高的熱穩定性。在陶瓷基過濾材料的后期發展過程中，研究人員為了提高其吸附能力，將材料的表面積增大到1 m2/g以上。其中，較為典型的結構為蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷和陶瓷纖維氈。

3.1.1 蜂窩陶瓷

在蜂窩陶瓷中，應用于微粒捕集器較多的是壁流式蜂窩陶瓷。壁流式蜂窩陶瓷的材料通常為熱膨脹系數低、成本較低的堇青石。這種材料的突出特點是機械強度高、高溫耐受性好。由這種材料構成的壁流式蜂窩結構對微粒的過濾效率高達90%，孔徑可做到微米級。同時，其缺點也較為明顯，例如，由材料特點所決定的各向異性，其徑向膨脹系數高于軸向膨脹系數；微粒在進氣孔道內的累積性沉積，會造成再生過程受熱不均勻，易發生熱應力引起的損壞；微粒在蜂窩狀孔道內容易板結，不宜采用熱再生技術。

3.1.2 泡沫陶瓷

泡沫陶瓷的制備方法與蜂窩陶瓷不同，它是將浸漬有堇青石陶瓷漿體的聚氨醋泡沫塑料半成品進行高溫鍛燒，在塑料氣化逸出后，得到最終所需的陶瓷骨架。泡沫陶瓷較蜂窩陶瓷孔隙率大、孔道曲率大，材料的各向同性、可塑性好，高溫耐受性好。這種材料的缺點是泡沫陶瓷的結構較為疏松、機械強度較低，在排氣沖擊和機械振動的情況下，容易受損，且捕集效率較低，僅有50%左右，煙灰吹除難度大。

3.1.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維材料過濾體的孔形狀和孔分布因其材料不受固定尺寸的限制，可通過改變孔形狀和孔分布的設計參數，使其應用效果達到最優。陶瓷纖維氈的特點是進一步增大了過濾體的表面積，使過濾效率高達95%. 陶瓷纖維目前存在的問題是耐熱性差、體積較大。生產工藝較復雜、在排氣熱沖擊下易脆化，而且過濾效率與排氣背壓的矛盾也較為突出。

3.2 復合基過濾材料

陶瓷基過濾材料和金屬基過濾材料都有各自的缺陷，為了能夠把它們的優點集成起來，一些研究機構開始研制復合基過濾材料，以纖維氈結構居多。采用纖維氈結構的復合基過濾材料，可以有效避免再生過程中由于燃燒引起的局部過熱現象，不會出現過濾材料熔融后破裂或者殘留的煙灰黏附到過濾材料上影響過濾效果的現象。這種材料應用于微粒捕集器中，可提高捕集器的使用壽命。

通過對比各過濾材料的性能參數，結合生產成本和規模化生產的成熟特征，筆者認為壁流式蜂窩陶瓷是較理想的過濾體材料。

4 微粒捕集器再生技術研究

4.1 微粒捕集器再生技術和原理

微粒捕集器再生技術是捕集器的另一關鍵技術。柴油機微粒捕捉器把微粒收集起來，如果沉積在過濾體內的微粒不能自動被清除，過濾體內沉積的微粒會不斷積累，造成局部堵塞的情況，形成節流效應，致使發動機排氣阻力增大、排氣不暢。這不僅起不到凈化作用，反而會降低發動機的輸出功率，增加燃料的消耗。因此，微粒捕集器的再生技術是其應用于柴油機的關鍵。

微粒捕集器的再生過程與以下因素有關：積累的總微粒量、捕集器的熱傳導性、排氣的流速、微粒的儲存密度、微粒的分布情況和微粒的催化能力。微粒捕集器的再生可分為主動再生和被動再生兩類。

主動再生分為熱再生（利用輔助加熱或發動機自身熱量） 和非加熱式機械再生：熱再生技術包括噴油助燃再生、紅外加熱再生和電加熱再生等；非加熱式機械再生包括逆向噴氣再生和機械振動再生。

被動再生技術是指通過在燃油中或過濾體的表面加入催化劑，利用催化劑降低微粒的起燃溫度，使得微粒在排氣溫度條件下氧化燃燒。目前這方面的技術包括催化再生和連續再生。

4.2 微粒捕集器再生技術的特點

研究表明，微粒捕集器在加熱再生過程中產生的熱應力容易對過濾體造成損害，影響其使用壽命。當過濾體捕集的微粒量較少時，因溫度不夠會導致其無法進行再生或發生不完全再生的情況。如果捕集器內捕集到的微粒過多，又會因過濾體的溫度過高而造成其局部燒蝕、黏結，功能失效。這類再生方法的關鍵是微粒在過濾體內燃燒的過程，可將燃燒溫度保持在一個合適的范圍內，以解決捕集器再生時熱損壞的問題。

連續再生和燃油添加劑輔助再生可以有效降低再生過程中過濾體的溫度，提高過濾體的可靠性是解決捕集器再生時熱損壞的有效途徑之一。催化再生技術對柴油機排氣溫度有要求，一般情況下，連續再生排氣溫度要達到250～450 ℃，燃油添加劑輔助再生溫度需要在380 ℃以上。因為柴油機自然排氣的溫度范圍為200～350 ℃，所以，在未加裝輔助加熱裝置的條件下，達不到連續再生和催化再生的溫度。

目前，我國使用的柴油含硫量高，不適宜使用連續再生和催化再生技術。針對這種情況，加熱再生法是未來微粒捕集器技術應用中極具發展潛力的一種再生方法。其中，紅外加熱再生法因為控制輻射通量的空間分布較為方便，利于均勻加熱和加熱效果的強化、優化，同時，具備可直接對過濾體加熱、加熱裝置簡單、使用可靠性高的優點，成為了實際應用前景較好的一種熱再生方式。

另外，逆向噴氣再生方法的設計原理是將過濾體的再生過程與微粒的燃燒過程分開，大大提高了過濾體的使用壽命。對于使用氣壓制動的車輛，該再生方法較為實用。

5 結束語

結合目前社會關注的霧霾、PM2.5的危害等熱點問題，分析了與之相關的柴油車污染物產生的機理和危害。通過研究控制柴油車污染物排放的微粒捕集器可知，壁流式蜂窩陶瓷是最為理想的過濾體材料。同時，針對我國現階段的國情，適合我國的柴油機微粒捕集器再生技術的是紅外加熱再生方法。

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〔編輯：白潔〕