柴油机排气颗粒物捕集器的发展.doc

柴油机排气颗粒物捕集器的发展田彤 陈令华 刘晶（上汽通用五菱汽车股份有限公司）摘要：柴油机在轻型车辆上使用的日趋普遍，使得柴油机排放气体中的颗粒物后处理成为研究热点。颗粒物捕集器是解决柴油机排气颗粒污染最有效的后处理技术。针对目前国内颗粒物捕集器的使用情况，论述了柴油机排气颗 粒物捕集器过滤材料和过滤体再生技术近年来的研究现状，介绍了近年来过滤材料和过滤体再生技术结合良好的 几种颗粒物捕集器，提出了颗粒物捕集器今后的研究方向。关键词：柴油机；颗粒物捕集器；再生技术The Development of Diesel Engine Exhaust Particulate FilterAbstract: The diesel engine is widely used in light vehicle; after-treatment of par ticulate of diesel exhaust gas is becoming research hot spot. Particulate Filter is the most effective after-treatment method solving the diesel exhaust particulate pollution. Aimed at the current situation of DPF in domestic, the research status of filter material and the regeneration technologies of filter in recent years are discussed, and some favorable diesel exhaust particulate filters are introduced, which is combined with filter material and regeneration technologies. The research direction of DPF in the future is put forward.Key words: Diesel engine; Diesel Particulate Filter (DPF); Regeneration柴油机由于其较高的热效率、动力性和经济性等优点，不仅是绝大多数重型车辆的动力来源，而 且越来越多的成为轻型车辆的动力选择，轿车柴油 机化已成为发展趋势，可以预见在不久的将来，柴 油机将成为车辆的主要动力来源 1。从排放的角度 来看，柴油机相比于汽油机的主要劣势就是颗粒物（PM）的排放水平大大高于汽油机，约为汽油机的30 70 倍 2。PM 主要由 2 大部分组成：一部分是 由碳颗粒物、硫酸盐和灰颗粒组成的不溶性颗粒，它 们由粒径为 0.1 10 m 的多孔碳粒群组成，这种超 细颗粒物具有很强的吸附力，常黏附有致癌物质，尤 其是 0.1 0.5 m 的碳烟，还会被直接吸入人体内， 引发肺气肿、皮肤病等多种慢性病 3；另一部分是未 完全燃烧的燃料、机油及其中间产物或悬浮颗粒组成 的可溶性颗粒，也含有致癌和促癌的多环芳香性化合 物。因此，柴油机 PM 排放引起了各国政府的普遍重 视，制定了相应的柴油机排放法规，并且要求越来越 严格，净化柴油机 PM 已成为国内外解决车辆排放问 题的重要课题。目 前， 颗 粒 物 捕 集 器（Diesel Particulate Filter,DPF）是解决柴油机排气颗粒污染最有效的后处理技 术 4。颗粒物捕集器的 2 大关键技术是过滤材料和过 滤体再生技术。对过滤材料的要求是：高的颗粒过滤 效率、低的排气流动阻力和较高的机械强度。使用颗 粒物捕集器时必须适时地清除沉积的颗粒，即对捕集 器进行“再生”，以防止排气不畅使柴油机性能恶化。 国内外目前已有一些将两者结合的较好的颗粒物捕集 器产品。1过滤材料的发展国内外常用的过滤材料主要有：泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、编织陶瓷纤维及烧结金属丝网过滤体。1.1 壁流式蜂窝陶瓷壁流式蜂窝陶瓷是目前综合性能较好的过滤体， 其壁内小孔的直径均在微米级，过滤效率可达 90% 以上，且耐高温、机械强度高；其主要缺点是物理参 数的各向异性，径向膨胀系数是轴向膨胀系数的 2 倍， 由于颗粒都沉积在进气孔道内，因此再生过程中受热 不均匀，易发生热应力损坏。另外，颗粒在蜂窝孔内Auto Engineer行业观察 OVERVIEW2011 年 8 月成板状结构，不利于着火燃烧 5。1.2 泡沫陶瓷泡沫陶瓷的结构与泡沫塑料十分相似，其颗粒过 滤效率一般在 40% 70% 之间。泡沫陶瓷过滤体的 优点是多孔结构使火焰易于传播，从而有利于再生， 而且泡沫陶瓷各向同性，再生时产生的热应力较小， 不易造成过滤体热应力损坏；其主要缺点是结构疏 松、强度较低，在排气冲击和机械振动条件下易出现 损坏。1.3 编织陶瓷纤维编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的耐高温 性，没有固定尺寸的限制，为过滤腔内孔的形状和孔 的分布提供了广泛的选择余地，也允许改变各种设计 参数以使应用达到优化。陶瓷纤维能适应催化剂使用 的需要。由于在编织陶瓷纤维过滤体内纤维表面都是 有效过滤面积，其过滤效率可达 90% 以上。但由于 陶瓷纤维是一种脆性材料，在编织和使用过程中较易 损坏，生产工艺较复杂。1.4 烧结金属丝网过滤体传统金属丝网过滤体采用的金属丝网微孔孔径较 大，虽然结构简单，但网孔在使用过程中容易变形，结构强度也很低。为此已有研究者开发了一种新型烧结金属丝网过滤材料，其特点是过滤层采用小微孔孔 径的金属网丝，网丝的等效微孔径为 56 m，采用 一定烧结工艺将不同微孔孔径的丝网烧结成具有一定 刚度的金属丝网板，便于加工成各种形状的过滤体。 这种烧结金属丝网过滤体的机械强度和加工能力远优 于陶瓷过滤体，但其耐高温性能不如陶瓷材料，因此 主要适合于压缩空气反吹再生 6。活化能，使 PM 在柴油机正常排气温度下燃烧，实现再生。该方式过滤体受到的热负荷较小，寿命和可靠 性高。催化再生技术的研究重点在于寻找更为有效的 催化剂，以使 PM 在尽可能低的温度下起燃，同时兼 顾降低其他有害气体的排放。当前该领域研究十分活 跃的是开发能同时除掉柴油机废气中 PM 和 NOx 的新型高效催化剂。常用的催化剂有铂、钯、铜、铅、铈及锰等金属化合物，实施方法有 3 种：第 1 种是在 滤芯材料表面涂催化剂；第 2 种是在燃油中加入添加 剂；第 3 种与氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）结合起来的连续再生。由于燃油中的硫易使催 化剂触酶中毒，直接导致效果降低甚至损坏设备，因 此该类技术要求燃油的含硫量一般在 5010-6 以下。 催化再生主要有以下几种实现方式。1）在滤芯材料表面涂催化剂。在过滤材料上涂 氧化型催化剂，其起燃温度可降低到 520 620 K。 不但大多数碳烟可在排气温度下烧掉，而且可避免再 生过程中大量碳烟燃烧而导致过滤材料局部过热融化 或破裂。但由于固态 PM 与催化剂接触极不均匀，只 有与催化剂表面接触的颗粒，才能在较低温度下氧化 燃烧，因此再生不完全；另外，柴油机排气中的颗粒 物含量很大，随着时间的推移，催化剂的作用将会逐 渐减弱甚至完全消失，从而影响到过滤体的有效再生 和对其它有害气体的催化净化效果。2）在燃油中加入添加剂。在燃油中加入锗、铜 和铂等金属基添加剂，燃烧后生成的金属氧化物对 PM 起催化作用，降低其着火温度，从而达到在正常 排气温度下过滤体的自行再生。但是，燃烧后产生的 金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下 来，堵塞过滤体空隙，缩短其使用寿命。排入大气中 的金属飘尘又会引起二次污染。3）连续再生。连续再生系统由陶瓷颗粒过滤器 和装在其前面的氧化催化器组成。氧化催化器首先将 排气中的 NO 氧化为 NO2，NO2 具有强氧化性，在催 化剂的作用下，大约从 520 K 起，柴油机颗粒便开始 被 NO2 氧化，随后颗粒物一边被过滤沉积，一边被 氧化烧尽，保持动态平衡，实现在允许的低背压下长 期连续再生。该技术对脱除颗粒中的可溶性有机成分 具有良好的效果，脱除率达 80%，同时还可除去尾气 中的 HC 和 CO 等有害物质。但仅能脱除 20% 30% 的碳颗粒物，并有生成硫酸盐颗粒的趋向，尤其是温 度较高时硫酸盐生成速率增大。因此，要求燃油的硫 含量在 5010-6 以下。2过滤体再生技术的发展再 生 技 术 是 目 前 颗 粒 物 捕 集 器 的 难 题。 在 柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在520 770 K，而颗粒的燃点高达 825 875 K，依 靠柴油机的排气很难使捕集器再生，因此必须用物理 或化学的方法将颗粒物从捕集器上清除 7。根据是否 降低颗粒物燃点可以将再生技术分为主动再生和被动 再生。2.1 被动再生通过向燃油加入添加剂或在过滤材料表面涂催化 层，降低颗粒的燃点，使颗粒能在较低的温度下燃烧 的再生技术称被动再生。2.1.1 催化再生催化再生是利用化学催化的方法降低 PM 的反应- 14 -Auto Engineer第 8 期OVERVIEW 行业观察讲，当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时，被辐射物将吸收大量红外能而改变和加剧分子 运动发热升温。沉积物 PM 中的主要成分碳对辐射能 的吸收能力较强，根据这一特性，通过加热具有较强 辐射能力的红外材料，产生一定波长的红外线，PM 在被红外线辐射的同时发热升温并燃烧。该再生装置 结构简单、可靠、 成本低、红外辐射加热沿过滤体 径向分布均匀、再生过程容易优化控制，达到再生效 率、温度分布、时间及能耗等指标综合优化，其装置 如图 3 所示。2.2 主动再生利用外部能源或发动机热能加热，提高排气或过 滤体温度，使颗粒燃烧，或利用逆向喷气再生和机械 振动等方式，使 PM 燃烧与过滤体分离，以上再生方 式称为主动再生。2.2.1 提高过滤体温度再生目前，提高过滤体温度的再生技术已经相对成熟， 进一步的工作是提高系统的可靠性和降低系统的成 本。当前实现方式主要有以下几种。1）喷油或喷气助燃再生。喷油或喷燃气助燃再 生技术需要通过一套专门的燃料喷射和点火系统，适 时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油或燃气，将 其点燃从而使捕集到的 PM 着火。其原理如图 1 所示。 该技术需利用微机准确把握再生时颗粒的聚集量、入 口的气体温度及再生时间，系统结构复杂、造价昂贵 且增加油耗。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上， 造成二次沉积和污染，容易引起爆燃。图 3 红外加热再生装置图4）微波加热再生。图 4 是微波加热再生的原理图。微波加热其本质是利用过滤体及颗粒物这 2 种 物质介电性能的不同，对微波的吸收和能量转换能力 的差异实现再生。陶瓷过滤体对微波的吸收能力差， PM 对微波的吸收能力很强 （是陶瓷的 100 倍以上）。 在微波加热时，PM 是主要的被加热对象，能量利用 率高，再生效率高。由于微波能量在过滤体中是空间 分布的，再生时是对整个过滤体进行体积加热，故加 热迅速、均匀，但放热速率快，再生过程难以控制。 另外，存在微波泄漏的安全问题。图 1 喷油助燃原理图2）电加热再生。图 2 是电加热再生的装置示意图，该技术是在过滤体上游安装一个电加热装置，需 要再生时，启动该装置，从而提高过滤体表面温度， 实现再生。该方法简单，可控性好。但在车用过程中 需要解决耗电量高的问题，中小功率柴油机不易满足 电量需求。此外，加热的不均匀性造成过滤体再生不 均匀，过滤体易局部过热而损坏。若采用高导电性能 的结晶 SiC 作为过滤材料，将过滤体作为电加热组件 直接对其通电加热，则可改善再生不均匀的现象。图 4 微波加热再生原理图2.2.2 提高排气温度再生提高排气温度的方法很多，但一般都会产生油耗 增加等新问题。目前实现方式主要有以下几种。1）燃油后喷射或推迟燃料喷射再生。近年来， 随着柴油机电控喷油技术的发展，燃油可以实现多次 喷射。当需要再生时，通过后喷射或者增加后喷射量 提高排气温度，从而实现过滤体再生。日产柴油机采 用辅助喷射与主喷射配合，在膨胀行程增加喷油，提 高排气温度，实现过滤体的再生。该方法可能产生二 次污染物，而且燃烧的灰烬不能彻底消除，要定期清 洗颗粒物捕集器。- 15 -图 2 电加热再生装置3）红外加热再生。从红外辐射加热的机理上来%0$%0$%1Auto Engineer行业观察 OVERVIEW2011 年 8 月2）节流再生。通过进气节流或者排气节流控制柴油机的气流量，以提高排气温度，使过滤体中的 PM 着火燃烧，称为节流再生。部分负荷时，通过节流， 降低柴油机进、排气量，排气温度将升到较高水平， 满足过滤器再生的需要。但过分节流，氧浓度会降低 过大，反而使排气颗粒增多，动力性及经济性也将下 降。而且由节流状态回到不节流状态时，捕集器中过 热的颗粒会迅速氧化燃烧，释放出大量的热，滤芯材 料容易因温度骤升而损坏。节流也将使气缸盖、气门 和活塞等部件热负荷增加，对柴油机的寿命不利。如 柴油机在高速大负荷时，其排气温度可以达到 870 K， 沉积在过滤体内的 PM 可自行燃烧，则不需要任何再 生措施。2.2.3 将 PM 燃烧与过滤体分离方式将 PM 燃烧与过滤体分离的再生方式主要有逆向 喷气再生和机械振动再生，目前对逆向喷气再生研究 较多。当需要逆向喷气再生时，具有一定压力的压缩 空气从过滤体出口高速喷入，方向与排气方向相反， 沉积的 PM 从过滤体表面清除进入专门的收集器，再通过电加热或者其他燃烧装置将 PM 烧掉，它的最大特点是能将过滤体与颗粒燃烧分开，因此不存在过滤 体由于颗粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，但其 高压气源是一个很大的问题，并且反吹有时会不彻底， 从而使排气背压上升过多，直接导致柴油机动力性和 经济性的恶化。开发了采用壁流式蜂窝陶瓷作为过滤材料，利用红外辐射及柴油机废气进行再生的新的柴油机排放颗 粒后处理系统。该系统具有结构简单、可靠性高、实 用性好的特点。在 6110A 柴油机台架上对系统的样 机进行了碳烟过滤特性及再生特性的试验研究。试验 结果表明：系统的碳烟过滤效率高达 95%，排气背压 低，再生效率超过 89%，工况适应性好。后处理系统 通过废气流量及再生点背压对红外再生过程进行控制 的方法是有效的 8。4.2 金属丝网反吹再生颗粒物捕集系统开发了一种新型烧结金属丝网过滤体，及与过滤 体再生相配套的压缩空气反吹再生系统。研究结果表 明：烧结金属丝网过滤体的排气阻力与国外先进的壁 流式蜂窝陶瓷过滤体基本相当，且具有较高的颗粒物 捕集效率，这种烧结金属丝网过滤体强度高、可加工 性好，便于根据需要加工成所需要的形状。初步的再 生试验结果表明，烧结金属丝网过滤体的压缩空气反 吹再生是可行的，再生后排气阻力基本都能够恢复到 初始值水平，没有出现颗粒逐渐累积的情况 9。4.3 催化涂层式的颗粒物捕集器系统该颗粒物捕集器由用碳化硅（SiC）制作的蜂窝 状的陶瓷载体组成。陶瓷载体由许多平行布置的、小 的、封闭的气道分隔开来。气道两端面的进、排气孔 间隔地用陶瓷塞堵住。陶瓷载体的外面布置有金属外 壳。在两者之间，装有具有弹性的陶瓷衬套。由碳化 硅构成的气道壁是多孔的。碳化硅载体上又涂了由氧 化铝和氧化铈组成的混合物作为催化剂涂层。催化剂 涂层上再涂上作为催化剂的贵金属铂。由于气道相互 间在进气和排气气流方向是封闭的，含有颗粒的废气 必须要通过由碳化硅做成的气道壁流过，由此，气态 的废气流过，而颗粒却被截留下来。为了保证颗粒物 捕集器不被堵死和功能不受侵害，颗粒物捕集器必须要定期清除颗粒，这就是再生现象。在再生过程中，颗粒物捕集器收集的颗粒会被燃烧掉。再生分主动和 被动 2 种方式。前者通过提升排气温度实现，后者通 过催化涂层实现 10。4.4 低温等离子体再生近几年，国外出现了一种新兴的物理与化学相结 合的废气处理技术低温等离子体技术（NTP）。 NTP 技术是在常压下通过电晕或介质阻挡放电产生低 温等离子体，利用等离子体中含有大量的高能电子、 激发态粒子、原子氧以及由此产生的氧化性极强的自 由基（如臭氧等），引发一系列的物理和化学反应，3主动再生和被动再生的对比1）被动再生策略设计原则是颗粒物的总燃烧速度一定大于颗粒物的总累积速度，被动再生效率跟发动机的原始颗粒物排放值、负载工况和尾气温度都有 关系，再生过程完全依赖于发动机的负载工况。因此 该技术通常应用于在用车改造，而不被建议用于要达 到更高排放标准的新发动机的开发。2）主动再生的设计原则是要实时监控捕集器的 颗粒物累计量，当达到设计量时通过喷油等方法来完 成再生。主动再生要保证发动机在低负载、低温的情 况下也能再生，通常是利用前置高贵金属（Pt）涂附 量的 DOC 使燃油燃烧以产生再生过程所需要的热量。 主动再生标定技术要求很复杂，往往需要很长的再生 标定时间，国内的发动机制造商应结合国内的经济水 平和国 IV 标准的执行时间表充分评估其成本及开发 周期。4 几种典型的颗粒物捕集系统4.1 柴油机红外再生颗粒物捕集系统- 16 -第 8 期OVERVIEW 行业观察Auto Engineer从而净化排放颗粒物。NTP 不仅对 PM 产生很好的净发展趋势之一。这种合并能解决目前单一再生方法使 化效果，而且能对 NOx、HC 和 CO 等有害物同步净化， 用时的不足。 具有净化效率高、能耗低以及无二次污染等特点，发为满足日趋严格的排放法规，开发高性能、低成 展前景广阔。国外内燃机权威已将 NTP 确立为未来本、简单、可靠的过滤材料和再生技术，是当前柴油 全面、有效解决柴油机排气污染问题的最具希望的一机颗粒物捕集器的研究热点，也是产业化的关键问题。 项技术。参考文献5总结1 李疏松柴油机排气微粒 J国外内燃机，1982（2）：10-13文章论述了柴油机排气颗粒物捕集器过滤材料和2 黄飞，肖福明车用柴油机微粒排放控制综述 J山东交通学院学报，2006（4）：1-5过滤体再生技术近年来的研究现状和存在问题，对几3 应贤平纳米颗粒对大气环境和人类健康的影响 J环境与职业种过滤材料和过滤体再生技术结合良好，同时已经进医学，2006，23（1）：68-70入实车使用阶段的颗粒物捕集器系统作了简单介绍。4 宁智，资新运车用柴油机微粒捕捉器的系统模拟 J内燃机工程，颗粒物捕集器的技术难点仍是再生技术。虽然国2001，22（3）：161内外对再生技术的研究已近 20 年，目前仍未出现成5 资新运柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势 J车用发动机，熟的技术。分析现有的再生技术，可以得出以下几种2000（2）：1-4趋势：6 傅昕，魏众，李佩珩用于柴油机排放控制的颗粒物捕集器技术 J.北京工业大学学报，2002，28（2）：163-1671）加热