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柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势

来源：测品娱乐

第2期(总第126期)车　用　发　动　机No.2(SerialNo.126)

2000年4月　　　VEHICLEENGINEApr.2000

・综合评述・

柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势

TheCurrentStatus&TrendsinDieselParticulateFilter

资新运　(清华大学)

　　摘要　分析了柴油机微粒排放控制技术面临的挑战,阐明了柴油机微粒捕捉器是内燃机排放控制研究领域的热点问题之一。论述了微粒捕捉器在过滤材料和再生技术两大关键技术的研究现状和存在的问题,以此为基础讨论了微粒捕捉器的发展趋势。

　　关键词:柴油机　排放　微粒捕捉器　　中图分类号:TK421.5

　　柴油机的问世虽然晚于汽油机,但凭借其良好的动力性、经济性和耐久性广泛地应用于各种动力装置、船舶和车辆。尤其是在70年代世界能源危机以来,车用柴油机更受到重视,城市公共汽车、大型客车和载重车基本上都采用了柴油机。目前世界范围内汽车动力装置柴油机化的趋势越来越明显,一汽集团公布的资料表明,该集团1997年生产的中型载重汽车装备柴油机的比例达到72%。近年来,由于柴油机工作粗暴和结构笨重等不足逐渐得到改善,轿车上也开始越来越多地采用柴油机。例如,欧洲已将发展柴油机轿车作为缓解空气污染和降低汽车CO2排放量的策略,目前其柴油轿车的比例已在25%以上。

与汽油机相比,柴油机的有害气体HC、CO排放量相当低,一般只有汽油机的几十分之一,柴油机的NOx排放量和汽油机处于同一数量级,但柴油机微粒排放约为汽油机的30倍～80倍。因此,微粒排放是柴油机的显著特点,已是制约其发展的最主要因素之一。

人们最初认为柴油机排气微粒只是影响能见度,随着研究的不断深入,其更大的危害逐渐被人们了解。一些研究已经证实排气微粒可以引起慢性肺病。美国环保局(EPA)的试验证明,吸附在微粒表面的可溶有机物(SOF)具有诱变作用,其组份的90%以上为致癌物质。绝大多数排气微粒的粒径

车排放的工作方针和目标,其中对重型车用柴油机微粒排放做出了具体规定:2000年车型认证和2001年新生产柴油机的微粒排放控制在0.36g/(kW・h)(相当于欧Ⅰ标准);2004年产品要求与新车型认证要求相同,柴油机微粒排放控制在0.15g/(kW・h)(相当于欧Ⅱ标准)。

1　微粒机内控制面临挑战

发达国家从70年代末就开始重视柴油机的微粒排放控制。经过近20a的发展,柴油机的微粒排放控制技术取得了很大的进展,其中一些技术的采用已经使柴油机微粒排放控制取得阶段性突破,如柴油电控高压喷射技术。在采用多种现代柴油机技术的情况下,微粒的质量浓度排放仅为20a前的10%。

但是,柴油机颗粒物排放问题并没有一劳永逸地解决,相反,在这个领域内所面临的挑战却更加严峻。主要体现在以下3个方面。

首先,从燃烧的角度解决柴油机的微粒物排放已接近极限。目前微粒排放有较大的降低,是在采用了几乎所有的现代柴油机技术的基础上取得的,在没有新技术出现的情况下,仅仅靠对已有技术进行改进和优化来进一步降低柴油机微粒物排放已经没有多大潜力。但是,柴油机的排放法规不断严格化。当柴油机排放标准从欧Ⅲ提高到欧Ⅳ时,即使微粒排放的标准不变,已有机内净化技术也会因冷EGR(降低NOx的有效技术)的使用而无法使微粒排放达标。　　其次,机内净化技术给柴油机的微粒排放控制

在0.01μm～1.0μm之间,能长时间悬浮在大气中,

很容易通过呼吸系统进入肺泡中并沉积下来,较小微粒甚至可以进入血液中,对人体健康的威胁很大。　　1998年7月1日,机械工业总局公布了控制汽

　　收稿日期:1999212207,修改稿收到日期:2000201207

　　作者简介:资新运,男,1971年生,获大连理工大学博士学位,现为清华大学博士后。100084,清华大学汽车工程系。

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带来了新的课题。在采用了现代柴油机技术后,尤其是柴油高压喷射技术,虽然柴油机的微粒总质量大幅度减少,但微粒的数量却反而有所增加。这些微粒体积和质量远小于以前,但其所造成的危害却更大。在经过一番努力后,人们发现面临一个尴尬的问题,机内净化技术虽然使微粒的总量减少,但微粒所造成的危害却增大。这一问题已经引起发达国家的高度重视,未来的法规将对柴油机微粒排放的数量进行。

最后,改进燃油品质来降低微粒排放的前景也被证实与人们所期待的效果相差甚远。为了研究通过改进燃油品质降低微粒的可能性,一些专家使用了一种特殊的柴油(不含S、不含芳香烃,十六烷值92)与瑞典的标准柴油(S含量为400×10-6(质量分数)、芳香烃的质量分数为30%,十六烷值为48)进行对比,微粒的排放只减少了10%。而这种特殊柴油价格相当昂贵,且不能通过石油直接炼制。

以上3个方面的问题加大了柴油机微粒排放机内控制的难度,但这一难题并非没有解决的方法。事实上,多年来人们一直在致力于从另一个角度出发解决微粒的排放问题———柴油机微粒排放后处理技术。目前,柴油机微粒捕捉器是公认有效的后处理技术,它着眼于对已形成的微粒进行处理。原机微粒排放浓度愈低,微粒捕捉器的功能愈容易实现,其有效性受微粒大小的影响不大。前期,由于机内净化的潜力巨大,微粒捕捉器曾被怀疑过。但经过不断探索,人们不得不承认这一技术与柴油高压喷射等机内净化技术一起,将成为解决柴油机微粒排放的有效手段。

流动阻力是一对矛盾,高的微粒过滤效率一般会导致高的流动阻力。因此,选择过滤材料要综合考虑两方面的性能。目前,国内外常用的过滤材料主要有泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、编织陶瓷纤维和多孔金属等。

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两倍,由于微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,微粒在蜂窝孔内成板状结构,不利于着火燃烧。目前国内尚不能生产这种滤体。

泡沫陶瓷的结构与泡沫塑料十分相似,其微粒过滤效率一般在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。

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,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。2.2　过滤体再生技术的研究现状

使用微粒捕捉器时必须适时地清除沉积的微粒,即对捕捉器进行“再生”,以防止排气不畅使柴油机性能恶化。再生技术是目前微粒捕捉器的技术难题,虽然经过了近20a的研究,国内外仍没有成熟的应用装置。

再生一般是利用外界能量提高捕捉器内的温度使微粒着火燃烧,或通过使用某些催化剂使微粒能在正常的柴油机排气温度下进行燃烧。国内外研究过的再生方法主要有:

󰂳强制再生;

󰂳喷油助燃再生;

󰂳电加热再生;󰂳微波加热再生;󰂳逆向喷气再生;󰂳连续再生;

2　微粒捕捉器的研究现状

微粒捕捉器的关键技术包括过滤材料和过滤体再生。国外在过滤材料的研究上取得了较大的突破,出现了一些商业化的产品;但过滤体再生技术的研究有些滞后,至今仍未研究出简单可靠的再生技术。国内在过滤材料的研究上与国外有较大的差距,其主要原因是过滤材料的研究要求较高的工艺水平和较大的资金投入,而这些在国内都是缺少的。但是国内在过滤体的再生技术研究上有较好的研究基础,有多家研究机构对多种过滤体再生技术进行过研究,其中一些技术达到了国际水平。2.1　过滤材料的研究现状

对过滤材料的要求是,高的微粒过滤效率、低的排气流动阻力和较高的机械强度。其中过滤效率和

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󰂳燃油添加剂辅助再生。

以上再生方法可以分为3类,前4种为加热再生,逆向喷气再生属低温反向清洁再生,后两种属催化再生。目前,各种再生方法都存在一定的问题。强制再生是出现较早的再生技术,它是在柴油机大负荷的情况下,强制地对柴油机进行进气或排气节流,从而提高排气温度,使过滤体得到再生。强制再生难以在公交车等经常长时间低速行驶的车辆上使用。喷油助燃再生也是早期的一种再生方法,由于装置复杂,且可靠性、安全性差而逐渐被其它的方法所取代。电加热再生是一种相对简单的再生方法,但陶瓷过滤体导热性能低,因此电阻丝外置式加热方式效率非常低,要消耗较多外界能量,且对过滤体的加热不均匀。为了弥补普通电加热再生的不足,开发了能导电的过滤体,将过滤体两端直接通电进行均匀加热。这种过滤体材料一般为SiC材料,其膨胀系数过大,与实用化有较大距离。微波加热再生是90年代初出现的再生方法,其显著特点是对微粒的加热具有选择性和均匀性,但该方法要达到实用还需进一步深入研究。

逆向喷气再生是利用压缩空气反向清洁过滤体,然后收集从过滤体中吹出来的微粒,集中进行处理。该技术需要较大量的压缩空气,精心设计气路,并解决微粒的二次燃烧。

连续再生和燃油添加剂再生都是利用催化剂降低微粒的氧化活化能,使微粒能在相对较低的温度下进行再生。其中连续再生是利用催化剂将排气中的NO转化为强氧化性的NO2,NO2能在正常的排气温度下与微粒发生氧化反应,使过滤体得到再生。连续再生要求柴油机的含S量在50×10-6(质量分数)以下。燃油添加剂再生是利用某些金属氧化物

),使其在柴油机大降低微粒的着火温度(约380℃

负荷工作时氧化燃烧。由于柴油机的热效率不断提

高,现代柴油机的排气温度很低,使燃油添加剂的应用受到挑战。由于公交车经常低速行驶,不能单独使用燃油添加剂再生过滤体。

综上所述,研究过的过滤体再生技术虽然很多,但目前尚无成熟的应用装置。每种再生技术都存在着以下一个或多个方面的问题:如再生的可靠性差,装置复杂且成本高,车载时再生所需能量的解决,不能满足车辆所有的使用条件等。

广泛推广的再生技术必须具备以下特点:

󰂳结构简单操作可靠;󰂳具有相对较低的成本;

󰂳能在各种使用条件下再生;

󰂳有足够长的使用寿命;

󰂳对驾驶员的要求尽可能少。

其中,简单可靠是再生技术实用化的首要条件。要解决过滤体易损坏的难题,可以通过3个方面的努力:控制燃烧过程,降低再生温度和过滤体内的温度梯度;利用压缩空气反向清洁过滤体,避免微粒在过滤体中燃烧;利用催化剂,降低微粒的着火温度。

目前,大多数再生方法属加热再生。对于这类再生方法,今后的研究工作主要是控制微粒在过滤体内的燃烧过程,改善过滤体的使用环境,以解决捕捉器再生热损坏的难题。微粒的燃烧不可避免地会产生热量,引起微粒捕捉器的温度上升。但是,如果对过滤体采取适当的保温措施并恰当地利用排气将燃烧放热及时带走,过滤体的温度上升可控制在陶瓷过滤体允许的工作温度范围内。

利用压缩空气反向清洁过滤体是今后发展的趋势之一。这种方法的最大优点是将过滤体的再生和微粒的燃烧分开,过滤体使用寿命得到保证。这种方法适用于气压制动的车辆,但不适用于液压制动的车辆。

催化再生由于再生时过滤体温度低,过滤体的可靠性得到保障,也是今后的发展方向之一。但连续再生和燃油添加剂辅助再生对柴油机排气温度仍有要求,连续再生为250℃～450℃,燃油添加剂辅助再生为380℃以上。因此这两种再生方法受柴油机工况的,如连续再生要求柴油机不能长时间工作于高速工况,燃油添加剂辅助再生要求柴油机不能长时间工作于低速工况。这一点非常重要,因为车辆在长距离行驶过程中,经历特殊工况的可能性很大(可能损坏捕捉器)。

将两种以上再生方法联合使用可能是今后的另一研究方向。这种联合有两种可能的方案。一是将两种具有不同再生温度范围的被动再生(利用排气的能量)进行合并,如连续再生和燃油添加剂辅助再生,使再生能在200℃～600℃的宽广范围内进行;另一种方案是将主动再生(强制加入外界能量,如电加热)和被动再生进行联合使用,使主动再生能在较低的温度下进行,避免捕捉器热损坏并降低主动再生的能量消耗。由于中国的柴油含S量在今后相当长的一段时期内不可能降低到50×10-6(质量分

3　微粒捕捉器的发展趋势

国内外对再生技术多年的研究经验表明,能够

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数)以下,因此适合于中国的再生方法可能是第2种方案。在被动再生中,燃油添加剂由于成本低廉,降低微粒着火温度显著,且目前已有商业化产品,因此应该成为首选的被动再生方法。传统的主动再生方法都需要附属装置,不是理想的选择,需寻找新的主动再生方法。目前电控燃油喷射柴油机应用日益广泛,其特点是对燃油喷射的控制十分灵活。燃油电控喷射使通过控制燃油的喷射规律增加柴油机的后燃而提高排气温度成为可能,因此可以利用延长后燃来再生过滤体。

3)连续再生将是今后的发展方向之一,但由于

受柴油含S量的,国内在相当长的时期内不会广泛使用。

4)将两种或两种以上的再生方法合并使用将是发展趋势之一。这种合并能解决目前单一再生方法使用时的不足。

参　考　文　献

1　MichaelPWalsh.GlobalTrendsinDieselParticulateControl-A1998Update.SAE980186,1998

2　MichaelPWalsh.GlobalTrendsinDieselParticulateControl

1993Update.SAE930126,1993

3　PellhamHawker,MyersN,Hüthwohletal.Experiencewitha

NewParticulateTrapTechnologyinEurope.SAE970182,19974　HartmutLüers,PeterStommel,RolfBackesetal.Applications

fortheRegenerationofDieselParticulateTrapsbyCombiningDifferentRegenerationSystems.SAE970470,1997

5　RichardBloom,TheDevelopmentofFiberWoundDieselParti-culateFilterCartridges.SAE950152,1995

6　TatsuklIgarashi,MasatoshiShimoda,TetsuyaOtauletal.Deve-lopmentofDieselParticulateTrapSystemsforcityBuses.SAE910138,1991

7　NikolaiLadegaaard,SpencerCSorenson,JesperSchrammetal.

FuelAdditiveEffectsonParticulateEmissionsfromaDieselEn2gine.SAE970181,1997

(编辑　张玉花)

4　结论

随着柴油机微粒排放法规的不断严格,微粒捕

捉器的使用将会成为一种必然。由于国外已出现商品化的过滤材料,过滤材料不再是微粒捕捉器实用化的难题,但国内在过滤材料上仍需深入研究。

微粒捕捉器的技术难点仍是再生技术。虽然国内外对再生技术的研究已近20a,目前仍未出现成熟的技术。分析现有的再生技术,可以得出以下几种趋势;

1)加热再生今后的研究工作将主要集中于降低过滤体再生时的温度,并进一步降低再生所消耗的能量。

2)对于使用气压制动的车辆,逆向喷气再生技术可能是今后的发展方向之一。

　下　期　要　目　预　告　

󰂳　发动机系统热力学模拟的现状　　　　　　󰂳　车用高速柴油机增压配合的数值模拟　　　󰂳　高性能陶瓷材料在汽车发动机中的应用　　󰂳　柴油机缸盖垫模拟试验研究　　　　　　　󰂳　Al—Si合金旋转喷吹精炼工艺的试验研究　󰂳　WD615系列柴油机功率下降的原因及排除　

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