柴油机微粒捕集器关键技术研究

摘 要：简述了柴油机排气微粒对大气环境和人体健康的危害，研究、分析了排气微粒捕集器及其再生技术的现状和发展趋势。通过对几种过滤材料进行对比、分析，研究结果表明，壁流式蜂窝陶瓷是理想的过滤体材料。根据目前的发展现状，提出了适合我国国的柴油机微粒捕集器再生技术，对指导柴油机微粒捕集器的研发和降低大气中PM浓度有现实意义。

关键词：柴油机；微粒捕集器；过滤体材料；再生

中图分类号：U464.172 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0006-02

随着电子商务的发展和公路运输网的完善，公路物流运输量不断提升，现代社会必不可少的交通工具机动车的保有量迅猛增长，带来了严重的大气污染问题，对人类赖以生存的环境和人体健康都造成了不利影响。其中，柴油车排放的微粒成为城市PM的重要来源，引起了社会各界的广泛关注。

柴油车排放的污染物主要为微粒，不同的大小、浓度和其在空气中悬浮的时间，对人体的危害程度也是不同的。柴油机排放的微粒直径基本不大于1 μm，漂浮于空气中极易被吸入人体肺部，引发各类疾病。对柴油机排放污染的关注始于20世纪80年代，美国、日本、欧盟等国家和地区先后制订了限制柴油机微粒排放的法律、法规和技术标准，并且通过严格遵守标准来控制污染物的排放量。因此，柴油机排放控制技术己经成为当前相关部门、制造厂和研究部门着力推进和研究的关键技术，其研究成果具有重要的社会意义和经济价值。

1 柴油机排气微粒的危害

研究表明，悬浮颗粒物可直接对人体健康产生负面影响，可对城市大气环境造成间接的影响，尤其当悬浮颗粒物明显增多时，会引起城市大气能见度的降低。颗粒直径的大小、存在的形态与深入人体的部位密切相关。从空气动力学的角度讲，直径大于5 μm的颗粒会被直接阻挡在鼻腔外，小于2.5 μm的颗粒可被吸入体内，引起心、肺功能障碍性疾病。与此同时，由较细小颗粒组成的复合结构体，其表面具有吸附作用，极易吸附一些有害的有机物和致病菌。据欧美国家研究机构的相关研究表明，空气中的PM浓度与哮喘病发病率、入医院治疗的人数比例和死亡率相关，其中与PM2.5的相关性最强。

PM10和PM2.5对光有散射效应，会导致能见度降低。不少研究人员认为，颗粒的散光效应是能见度降低的主要因素；柴油机排放的微粒，尤其是碳烟，对光的吸收是使能见度降低的另一因素。碳烟颗粒的消光系数是透明颗粒的几倍，即使数量较少的碳烟颗粒，也可能会导致该地方的能见度降低50%.

2 排气微粒净化技术

目前，柴油机排气净化技术主要分为机内净化和机外净化。机内净化能有效降低柴油机有害物地排放，但单纯的机内净化技术无法满足日趋严格的排放限值。利用微粒捕集器对排气进行处理，将此技术与机内净化技术共同作用，以此作为突破柴油机微粒排放控制极限的研究方案。

柴油机排气微粒捕集器是用以降低柴油机微粒排放的一种废气处理技术。微粒捕集技术的核心技术是过滤材料和再生技术。微粒捕集技术的过滤材料主要有泡沫陶瓷、单晶体陶瓷、陶瓷纤维和金属丝网等。大多微粒捕集器是通过物理手段降低排气微粒，以起到净化的效果。 随着过滤下来微粒的累积，过滤孔道很容易被堵塞，使发动机排气背压升高，直接导致车辆动力性下降，燃料经济性和排放性能恶化。因此，必须要采用再生技术及时去除微粒，以便疏通排气，恢复过滤性能。我们将去除过滤下来微粒的过程称为过滤体的再生。虽然国内外对过滤体再生技术研究很广泛，但每种再生技术都存在一些问题，都有待进一步完善。

3 过滤材料的种类

3.1 陶瓷基过滤材料

陶瓷基过滤材料是目前研究较多、在排气处理中应用最广泛的一种过滤材料。这种材料通常为氧化物或碳化物组成的多孔式结构，具有耐高温的特点，在700 ℃以上的温度环境中仍能保持很高的热稳定性。在陶瓷基过滤材料的后期发展过程中，研究人员为了提高其吸附能力，将材料的表面积增大到1 m2/g以上。其中，较为典型的结构为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷和陶瓷纤维毡。

3.1.1 蜂窝陶瓷

在蜂窝陶瓷中，应用于微粒捕集器较多的是壁流式蜂窝陶瓷。壁流式蜂窝陶瓷的材料通常为热膨胀系数低、成本较低的堇青石。这种材料的突出特点是机械强度高、高温耐受性好。由这种材料构成的壁流式蜂窝结构对微粒的过滤效率高达90%，孔径可做到微米级。同时，其缺点也较为明显，例如，由材料特点所决定的各向异性，其径向膨胀系数高于轴向膨胀系数；微粒在进气孔道内的累积性沉积，会造成再生过程受热不均匀，易发生热应力引起的损坏；微粒在蜂窝状孔道内容易板结，不宜采用热再生技术。

3.1.2 泡沫陶瓷

泡沫陶瓷的制备方法与蜂窝陶瓷不同，它是将浸渍有堇青石陶瓷浆体的聚氨醋泡沫塑料半成品进行高温锻烧，在塑料气化逸出后，得到最终所需的陶瓷骨架。泡沫陶瓷较蜂窝陶瓷孔隙率大、孔道曲率大，材料的各向同性、可塑性好，高温耐受性好。这种材料的缺点是泡沫陶瓷的结构较为疏松、机械强度较低，在排气冲击和机械振动的情况下，容易受损，且捕集效率较低，仅有50%左右，烟灰吹除难度大。

3.1.3 陶瓷纤维

陶瓷纤维材料过滤体的孔形状和孔分布因其材料不受固定尺寸的限制，可通过改变孔形状和孔分布的设计参数，使其应用效果达到最优。陶瓷纤维毡的特点是进一步增大了过滤体的表面积，使过滤效率高达95%. 陶瓷纤维目前存在的问题是耐热性差、体积较大。生产工艺较复杂、在排气热冲击下易脆化，而且过滤效率与排气背压的矛盾也较为突出。

3.2 复合基过滤材料

陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都有各自的缺陷，为了能够把它们的优点集成起来，一些研究机构开始研制复合基过滤材料，以纤维毡结构居多。采用纤维毡结构的复合基过滤材料，可以有效避免再生过程中由于燃烧引起的局部过热现象，不会出现过滤材料熔融后破裂或者残留的烟灰黏附到过滤材料上影响过滤效果的现象。这种材料应用于微粒捕集器中，可提高捕集器的使用寿命。

通过对比各过滤材料的性能参数，结合生产成本和规模化生产的成熟特征，笔者认为壁流式蜂窝陶瓷是较理想的过滤体材料。

4 微粒捕集器再生技术研究

4.1 微粒捕集器再生技术和原理

微粒捕集器再生技术是捕集器的另一关键技术。柴油机微粒捕捉器把微粒收集起来，如果沉积在过滤体内的微粒不能自动被清除，过滤体内沉积的微粒会不断积累，造成局部堵塞的情况，形成节流效应，致使发动机排气阻力增大、排气不畅。这不仅起不到净化作用，反而会降低发动机的输出功率，增加燃料的消耗。因此，微粒捕集器的再生技术是其应用于柴油机的关键。

微粒捕集器的再生过程与以下因素有关：积累的总微粒量、捕集器的热传导性、排气的流速、微粒的储存密度、微粒的分布情况和微粒的催化能力。微粒捕集器的再生可分为主动再生和被动再生两类。

主动再生分为热再生（利用辅助加热或发动机自身热量） 和非加热式机械再生：热再生技术包括喷油助燃再生、红外加热再生和电加热再生等；非加热式机械再生包括逆向喷气再生和机械振动再生。

被动再生技术是指通过在燃油中或过滤体的表面加入催化剂，利用催化剂降低微粒的起燃温度，使得微粒在排气温度条件下氧化燃烧。目前这方面的技术包括催化再生和连续再生。

4.2 微粒捕集器再生技术的特点

研究表明，微粒捕集器在加热再生过程中产生的热应力容易对过滤体造成损害，影响其使用寿命。当过滤体捕集的微粒量较少时，因温度不够会导致其无法进行再生或发生不完全再生的情况。如果捕集器内捕集到的微粒过多，又会因过滤体的温度过高而造成其局部烧蚀、黏结，功能失效。这类再生方法的关键是微粒在过滤体内燃烧的过程，可将燃烧温度保持在一个合适的范围内，以解决捕集器再生时热损坏的问题。

连续再生和燃油添加剂辅助再生可以有效降低再生过程中过滤体的温度，提高过滤体的可靠性是解决捕集器再生时热损坏的有效途径之一。催化再生技术对柴油机排气温度有要求，一般情况下，连续再生排气温度要达到250～450 ℃，燃油添加剂辅助再生温度需要在380 ℃以上。因为柴油机自然排气的温度范围为200～350 ℃，所以，在未加装辅助加热装置的条件下，达不到连续再生和催化再生的温度。

目前，我国使用的柴油含硫量高，不适宜使用连续再生和催化再生技术。针对这种情况，加热再生法是未来微粒捕集器技术应用中极具发展潜力的一种再生方法。其中，红外加热再生法因为控制辐射通量的空间分布较为方便，利于均匀加热和加热效果的强化、优化，同时，具备可直接对过滤体加热、加热装置简单、使用可靠性高的优点，成为了实际应用前景较好的一种热再生方式。

另外，逆向喷气再生方法的设计原理是将过滤体的再生过程与微粒的燃烧过程分开，大大提高了过滤体的使用寿命。对于使用气压制动的车辆，该再生方法较为实用。

5 结束语

结合目前社会关注的雾霾、PM2.5的危害等热点问题，分析了与之相关的柴油车污染物产生的机理和危害。通过研究控制柴油车污染物排放的微粒捕集器可知，壁流式蜂窝陶瓷是最为理想的过滤体材料。同时，针对我国现阶段的国情，适合我国的柴油机微粒捕集器再生技术的是红外加热再生方法。

参考文献

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〔编辑：白洁〕

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