柴油机微粒排放的净化技术及发展趋势设计.doc

精选资料目 录摘要2Abstract3第一章 绪 论41. 柴油车尾气问题2. 全世界的管制动向43. 对使用中车辆尾气对策的必要性44. 对于柴油机微粒控制技术方面4第二章 柴油机微粒排放的污染71. 柴油机颗粒物形成机理及危害72. 国内外排放标准73. 柴油机颗粒物分析技术84. 柴油机颗粒物毒性研究10第三章 降低柴油机有害排放物的几种控制技术101. 进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统102. 增压及可变气门配气定时113. 全电子优化控制114. 排气后处理技术115. 改进燃料126. 代用燃料12第四章 柴油机微粒捕捉器121. 微粒捕捉器(DPF)的组成和结构及工作原理122. 过滤材料133. 再生164. 广州新力研究成功柴油机微粒捕捉器18结论20参考文献21致谢语23摘 要介绍了柴油机颗粒排放物的产生机理、组成成分及国内外现有的排放法规。结合近年来国内外对柴油机颗粒物检测分析方法和毒理学的研究进展，描述了现有分析方法的特点和尾气颗粒物的危害。综述微粒捕捉器在过滤材料和再生两大关键技术的研究现状和存在的问题，并浅析微粒捕捉器技术的发展趋势。还介绍了一种燃媒剂再生微粒捕集器( Fuel Borne Catalyst DieselParticulate Filter, FBC - DPF)的结构及原理,并结合发动机台架试验数据,分析了该微粒捕集器对柴油机排气微粒的改善效果,同时研究了该微粒捕集器的强制再生过程,以及对柴油发动机的动力性和燃油经济性的影响。试验结果表明,该微粒捕集器具有较大的应用前景。关键词：柴油机 微粒物 捕集器ABSTRACTDiesel particulate emissions described the generation mechanism, the composition of the existing emissions regulations at home and abroad. The recent development of diesel particulate matter and toxicological testing of analytical methods progress, describes the characteristics of existing analysis methods and exhaust particulate matter hazards. Summary of Particulate Filter in the filter material and regeneration status of two key technologies and problems and of particulate trap technology trends. Also introduced a fuel regeneration particulate filter media agent (Fuel Borne Catalyst DieselParticulate Filter, FBC - DPF) of the structure and principles, combined with engine test data, analysis of the particulate filter to improve the effect of diesel exhaust particles, and studied the forced particulate filter regeneration process, and diesel engine power and fuel economy impact. The results showed that the particulate filter has a larger prospect.Key words：Property diesel particulate arrest devices series第一章 绪 论1. 柴油车尾气问题 汽车给中国城市交通和物资流通带来了方便的同时也带来了大气污染等问题。中国大城市的大气污染已成为严重的问题。其中从柴油车中排出的粒子状物质(PM)给我们的健康带来了很大的危害。柴油车尾气对健康的影响 柴油车尾气中含有的粒子状物质（ PM ）会导致肺癌及呼吸系统疾病对人体健康的影响令人担忧。已经有了关于吸入柴油车尾气的老鼠精子生产能力降低的所谓环境激素影响的研究报告。除能用肉眼看到的黑烟以外还有有机溶剂可溶物质和硫磺酸为主要成分的微粒子的集合，所以只控制用肉眼看到的黑烟是不能说明完全控制了PM。2. 全世界的管制动向 美国1988年开始对PM进行管制，以后进行了阶段性的强化。欧洲共同体管制是从1992年开始进行对PM进行管制的。日本1997年开始长期管制，2005年实施了新长期管制规定。中国2007年1月1日开始实施欧III标准 。国家环保总局正式规定，中国达欧洲IV、V阶段排放标准分别于2010年和2012年的1月1日开始执行。并且为强制性。3. 对使用中车辆尾气对策的必要性新车的管制强化，对于大气污染的改善效果也只能通过重新购买新车的方式渐渐地体现出来。中国尾气超过排放规定值制造的柴油车、仍然排出大量的PM和NOx，行驶在路面上。要解决严重的大气污染问题，不但要考虑对新车的对策，也要考虑对使用车辆的对策。4. 对于柴油机微粒控制方面 目前降低柴油机微粒的方法主要分为机内净化和机外后处理方面。在机内净化方面，多采用高压共轨技术、电控技术、燃烧室结构优化、喷射正时优化、增压、减少机油消耗、排气再循环等。随着排放标准的日益严格，机内净化是远远不够的。最近的研究结果表明，采用上述方法只能改变微粒的质量排放量，不能改变其微粒的数量，而且使微粒变得更细，增加了危害性。要想达到欧洲4号、5号排放标准，微粒后处理技术将成为控制柴油机微粒排放的主要措施。对于在用车的碳烟微粒排放控制，后处理技术尤为重要。应用较多的柴油机微粒后处理分为两类：一类是用蜂窝陶瓷作为滤芯，其效率较高。具有代表性的企业美国的康宁公司生产的后处理排放装置，从1993年至今，在欧美市场已经投放了150万个。但是这种应用蜂窝陶瓷作为滤芯的微粒捕捉技术，但其再生难以实现，通过燃烧器再生、电热再生、微波再生和催化剂再生等方法都很易使滤芯因为过热或局部过热而破坏。近来，美国和欧洲正在应用的连续再生过滤器(CRTContinuousRegeneratingTrap)虽然能够较好地解决再生问题，但其需要车辆燃用低硫柴油(含硫量不大于50ppm)，这一点不太适合中国目前的国情。最近美国和欧洲正在应用的连续再生过滤器(CRTContinuousRegeneratingTrap)能够较好地解决再生问题。但其需要车辆燃用低硫柴油(含硫量不大于50ppm)，这一点不太适合中国目前的国情。另一类是使用贵金属作催化剂的催化氧化转换器(OCCOxidationCatalytic Converter )，它可以氧化柴油机排气中的大部分HC、CO及微粒中的可溶有机成分SOF，但不能氧化固态的碳颗粒。可使微粒中的SOF降低90左右，从而使得微粒总排放量相应地降低2550。由于OCC不收集固态的碳颗粒，所以它就不需要技术复杂、成本较高的再生系统，当然，它的效率也远低于微粒过滤系统。其缺点在于它可能导致硫酸盐排放的增加。因为贵金属催化剂有将SO2转化成硫酸盐微粒的倾向，这就要求降低燃油中的硫含量。否则，硫酸盐的增加有可能平衡可溶有机物(SOF)的减少，甚至使总微粒排放增加。目前，美国、欧洲、日本和香港都已使用低硫的燃油，这使OCC的使用成为一种可能。对于中国的目前柴油中的含硫量确定了该技术在中国应用存在很大的障碍。 中国国内一些大型企业和科研机构近年来一直在对柴油机排放的机外处理技术进行研究，因为中国依靠国内技术暂时难以在大多数型号的柴油发动机上仅靠机内净化达到欧洲三号排放标准。中国国内在这方面的研究工作。例如：（1）3.5吨以上清洁柴油车技术研究与开发（玉柴与清华、吉大、天津运校合作）（2）奇瑞低排放柴油机技术研究与开发（奇瑞汽车公司与天内所合作） 上述研究的这些中国国家科技部支持的柴油机后处理总成的开发，都说明了该技术项目的重要性和技术难度。 日本广岛精研工业株式会社依靠自己的专利技术，最近推出了一种新型的柴油机尾气净化装置，该装置的技术特点：（1）该产品采用0.02mm厚度的不锈钢箔，经过精密特型冲压制成滤芯，可以完全取代目前通常采用的蜂窝陶瓷滤芯，使得生产出来的碳烟颗粒采集、氧化催化装置，其流通性远远高于陶瓷过滤器，不会对背压产生大的影响。由此技术制作的净化装置，尺寸大小不会改变原装消音器装置的大小形状。（2） 该产品是通过该公司开发的纳米粒子催化剂，经过超微加工到金属表面，氧化触媒能够高效促进PM的燃烧，不会像陶瓷过滤器容易产生微粒堵塞等问题，对PM的净化率可达90%以上。（3）对正在使用中的车辆进行改装十分方便。根据日本国土交通省行驶规定，对在用车辆（五十菱4吨车：1994年管制车）进行了试验，该车安装了该装置，行驶1万公里后也达到了93%以上的PM触媒燃烧。该技术项目在再生方面，大大优于美国的技术产品，颗粒排放物收集的滤芯生产技术和工艺具有独特性，是日本公司的专利技术。该碳烟颗粒净化装置在日本获得的4项专利l 【日本专利（DPC项目）】環境浄化的一种新型系统 （特願2004-72750）金属超微粒子的製造以及製造装置（特願2004-75770）微粒子除去装置 （特願2004-129860）流体的浄化装置（特願2004-71613）第二章柴油机微粒排放的污染1. 柴油机颗粒物形成机理及危害 1.1形成机理 柴油机颗粒排放物是一个复杂的、动态的组成。它由碳烟、来源于未燃燃料和润滑油的可溶性有机组分、燃料中的硫燃烧后生成的硫酸盐、机油中的灰分以及添加剂等组成。各成分在微粒中所占的比例会随着发动机的工况特征、技术水平和燃油品质等因素的不同而发生变化。柴油机排放颗粒物产生的主要原因是由于燃料燃烧不均匀或不完全，在高温缺氧条件下氧化、裂解而形成。在发动机运行过程中，外界空气温度、压力、湿度、燃料、工况等都会影响发动机污染物的形成。1.2组成及其危害 排气微粒（PM即part I cu late matter）大致可分为两种组份：一种是可溶于有机溶液的可溶性有机组份（SOF即soluble organic fraction），主要来源于未燃烧的燃料、润滑油及其中间产物；另一种是不溶于有机溶液的干组份，主要由游离态的碳和硫酸盐组成。由于硫酸盐含量相对较少，一般称之为碳烟（DS即drysoot）。微粒对环境及人类的危害主要来源于化学成份非常复杂的可溶组份，其中许多多环芳烃具有很强的“三致”作用和生物蓄积性，因此受到广泛关注。1976年美国环保局提出的129种“优先污染物”中，多环芳烃类化合物有16种。空气中细颗粒物（空气动力学当量直径2.5m，以PM2.5表示）是对人体健康最有毒害的污染物之一，因为它富集了空气中有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒，且大部分可进入人体的肺部在肺泡沉积。目前许多学者对大气环境中不同粒径颗粒物的源解析、组分进行了比较深入的研究，并调查显示机动车尾气排放、汽车扬尘是PM2.5的重要来源，因此严格控制柴油机污染物的排放已成当务之急。2 国内外排放标准 最近几年，国内外对车用柴油机的排放，尤其是其PM和NOX的排放，提出了越来越严格的限制。机动车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前已实施若干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧、1996年起开始实施欧、2000年起开始实施欧、2005年起开始实施欧。其排放限制逐年降低，见图1。3 柴油机颗粒物分析技术 柴油机排气微粒研究的第一步是把SOF从颗粒物中分离出来，测取SOF和DS的含量。分离SOF的方法主要有3种：热解质量分析法、萃取法和真空挥发法等。在前人的研究中，从颗粒物中分离出SOF基本都采取索氏萃取方法。 3.1颗粒物组分的分析 随着科技的发展和环境问题的出现，研究人员在对大气污染物中检测到的有害组分源解析时发现机动车排放贡献不可忽视。在颗粒物组分分析方面，气相色谱，液相色谱，气质、液质联用等方法较为成熟，为许多学者所应用，除此之外，宋崇林等采用了热重分析发测定柴油机中有机可溶成分SOF含量。以下对研究结果做出概述。国外对柴油机颗粒物组分的研究始于20世纪70年代初。最初I.M.Khan等仅限于对柴油机燃烧产生的碳烟和凝结物的研究。FrancisW.Karasek等初次利用气质联用技术测定了吸附在柴油机颗粒物上的有机物，被确定的碳氢化合物有35种之多，其中包括正构烷烃、多环芳烃和酚醛类含氧化合物。DilipR.Choudhury等于1981年提取柴油机排气颗粒中的多环芳烃，并用高效液相色谱-紫外光谱法分离13。H.Y.Tong等用GC-FID对柴油机排气微粒中的含氧多环芳烃，硝基多环芳烃，邻苯二甲酸酯进行了定量分析14。国内对柴油机颗粒物的研究起步于20世纪80年代，李疏松等分别采用稀释法和不稀释法进行采样，用过滤收集器将颗粒物采集到玻璃纤维滤膜上，测得颗粒排放量及其随负荷的变化情况。何元等采用电子显微分析仪对柴油机排放颗粒物进行观测，得出固体物质包括粉尘颗粒、碳颗粒及金属颗粒，并对其来源进行了详细分析。张延峰等分析车用柴油机排气颗粒物组分得出有机酸、有机碱、脂肪烃类、芳香烃类、中极性和高极性有机物6种组分在SOF中的比例。王桂华等在十三工况下采集排气微粒，分析结果表明：微粒SOF组分中80%左右为正构烷烃和支链烷烃，碳数为C9C28，余下组分为多环芳烃及少量其它有机物；同一工况下，随采样温度升高，微粒排放质量流量、SOF组分种类均呈现减少的趋势。谭丕强等分析了一台增压中冷直喷式柴油机排气微粒的SOF成分。结果表明，怠速及中低负荷工况下SOF排放量较低，随着负荷上升排放量增加，在最大扭矩和标定转速工况下达到最高。 3.2颗粒物中多环芳烃的检测 由于多环芳烃具有较强的累积毒性效应，国内外许多学者将研究重点放在了颗粒物有机可溶性组分中多环芳烃（PAHs）的定性定量上。SarahG.Riddle等从轻型汽油车颗粒排放物中检测出大量多环芳烃20，其中以分子量为300374的68环芳香烃居多，且研究显示，某些多环芳烃异构体比苯并a芘具有更大的毒性。MoacirTavaresJr等检测了巴西隆德里纳公交车站柴油机排放的PAHs，发现有10种多环芳香烃，平均浓度范围为（1.40.3）ng/m3。SandroBrandenberger等研究发现润滑油对有机物排放有着显著贡献，同时也是PAHs的重要排放源。RuideAbrantes等利用逆流高效液相色谱法，检测到轻型柴油车排气颗粒中总多环芳烃值介于1.1335.801mg/km。潭建军等针对柴油机颗粒物中PAHs组分提出了预处理和分析方法。文章对比了各种提取和分析方法，用二氯甲烷作溶剂索式提取，再用高效液相色谱法对荧蒽、苯并a蒽、苯并b荧蒽、苯并k荧蒽、苯并a芘、二苯并a，h蒽和苯并ghi苝进行定量分析。蔡智鸣等采集了多种柴油车尾气管（连消声器）中沉积的碳烟颗粒冷凝物样品，对其中有机污染物的化学组成和含量进行了研究。结果检出144种有机化合物及其同分异构体，BaP含量为1127g/g。4. 柴油机颗粒物毒性研究 前人的研究表明柴油机颗粒物是大气污染的主要来源，且对人体呼吸系统具有较强的负面效应，故国内外许多学者已对尾气颗粒物的毒性研究做出报道。柴油机排气微粒已被确定为人体致癌物质，并与呼吸道过敏症，心肺发病率和死亡率的增加密切相关，然而其致突变性、致癌性分子机制仍然不是十分清楚。柴油机排气微粒中的多环芳烃一旦沉积于气道粘膜表面，很容易通过上皮细胞结合为胞质受体从而影响细胞的生长和分化。人体肺泡上皮细胞和巨噬细胞是肺部的重要靶细胞，它们吞噬柴油机排气微粒，增加促炎症细胞因子的释放。叶瞬华等采用Ames试验，检测6种国产和进口柴油机排气颗粒物的诱变性，研究发现：6种柴油机排出颗粒物均呈阳性，其颗粒提取物和诱变性之间，存在剂量-反应关系。此外，还有报道指出柴油机颗粒物对生殖系统具有慢性毒性。长期吸入较高浓度的柴油机排气颗粒，可以影响内分泌功能而改变性激素平衡和生殖细胞的形态和功能。大量的实验和流行病学调查显示柴油机尾气和人体器官病变并不是偶然的联系，颗粒物的组分和癌症的发生也有很好的理论上的解释，但目前的研究结果还不能准确地对柴油机尾气的危险度作出定量的评价，有许多不确定的因素导致实验的结果说服力受到影响，研究方法还有待于进一步改进。第三章 降低柴油机有害排放物的几种控制技术1. 进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统 Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合适的燃油喷射系统。 目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发lms内完成一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。喷射压力已提高到160180MPa，实验室内已到200 MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等，可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射 规律 和喷油压力。2. 增压及可变气门配气定时 当今柴油机增压和增压中冷已成为标准特点，随着发动机的轻量化与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增压器效率。在进一步提高大负荷区的过量空气系数a时可以减少颗粒排放，同时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗，随着高增压和高a化，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的涡轮几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。 目前，在小缸径柴油机上4气门和喷油嘴垂直中置技术得到广泛的应用，为了减少换气损失，使混合气的形成进一步优化，现正在研究采用可变气门配气定时，从而使发动机在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。3. 全电子优化控制 如前所述，目前对燃油喷射时间、喷射量、惯性增压、增压器、进气涡流及废气再循环(EGR)等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用；但是，这些控制中的多半内容，如EGR、自动诊断等，还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发，今后还将继续开发其它方面的电子可变控制机构，尤其是与整车相协调统一的综合化的全电子控制系统4. 排气后处理技术 柴油机能否像汽油机那样使用催化剂大幅度减少排放，尤其是NO x ，这是柴油机研制者一直追求的目标。日美欧现都在对此进行研究，日本有关大学、研究所和厂家正在对沸石镁及氧化铝的催化剂上用还原剂进行NO x 还原试验，美国福特等公司也正在对催化还原系统(SCR)及DeNO x ，催化器两种NO x 还原系统进行研究。 SCR技术是利用氮氧化物有选择地与存在于废气中的或喷入的反应剂反应，利用一个催化器降低NO x 排放，排出生成的氧气。还原反应剂可以是在柴油机废气中的HC化合物或是由附加油箱直接喷入废气流中的物质，如氨等。 与SCR技术相比，DeNOx催化技术系统简单，无有害生成物，目前认为最具发展潜力。DeNOx催化技术主要是将NOx催化热裂变为N 2 和O 2 ,目前的问题是废气在催化器中停留时，催化器效率不高，因此带来转化还原效率也受到很大限制。 为减少颗粒排放而研制的各种“柴油机颗粒收集器或称过滤器(DEF)”，虽然不少产品已在欧洲轿车柴油机上装车使用，但由于DEF的耐久性差且过滤器的再生问题也没有彻底解决，因此，该项技术也正在进一步改进和发展中。 5. 改进燃料 燃料性能的改进，对减少排放起到很大作用，日本继美欧之后，从1997年开始把轻油中的硫含量降到0.05%以下，以此大幅度减少排放颗粒中的硫酸盐，同时减少EGR造成的发动机内部的腐蚀磨耗及催化剂中毒；进一步减少硫含量，提高十六烷值，可进一步降低NO x 。减少芳香烃，尤其是减少3环以上的芳香族成分，可减少排放颗粒中的硫化物、降低90%的蒸馏温度、改进点火性能；通过使用含氧燃料或添加剂，可降低黑烟颗粒。为了适应低硫化及喷射压力的大大增加，确保燃油喷射装置的润滑性，人们对燃料的改进开发寄予了很大期望。 6. 代用燃料 随着世界能源危机和环境污染问题的日趋严重，寻找一种更清洁的替代石油的原料已势在必行。经过多年的研究试验，目前公认天然气是21世纪的首选替代燃料。美国一些学者认为天然气发动机汽车是与电动车相媲美的清洁能源动力车。日本研究表明，天然气汽车在环境保护、石油燃料替代及实用性等方面有着无可比拟的优点。近年来，天然气发动机、包括柴油与天然气的双燃料发动机 发展 很快，目前，全世界有几百万辆天然气或双燃料汽车在运行，预计到2010年，全球将有1/3的国家使用天然气汽车。正如人类本世纪初从固体燃料向液体燃料过渡一样，如今已开始从液体燃料向气体燃料过渡，从而将提高整个能源系统的效率和清洁性。 第四章 柴油机微粒捕捉器1. 微粒捕捉器(DPF)的组成和结构及工作原理1.1 组成 微粒捕捉器(DPF)由收集排气微粒的滤芯和各类周期性地把滤芯中集存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成。DPF的过滤机理主要包括：碰撞原理、截流原理、扩散原理和重力沉降原理等。其两大关键技术是过滤材料和过滤体的再生。1.2 结构 试验所用的微粒捕集器,为SiC壁流式微粒捕集器。整套装置为双室结构,捕集器壳体内的前部设有一个支盖,将壳体分为前后两腔,滤芯和自动燃烧器分别设在前后腔内,从而过滤与再生分区进行,使得过滤与再生互不干扰,无论发动机处在何种工况下,系统都能自动工作。该微粒捕集器有着较大的孔隙率和足够大的孔隙,它既可以负载各种催化剂,也可以过滤、减少微粒的排放。微粒捕集器的工作主体是滤芯,滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。试验所用DPF由丹麦的DNEX公司提供,滤芯材料为SiC,与堇青石材料相比,孔径更均匀,并且具有流通性能好、过滤效率高、耐高温(超过1600)和通用性好等特点。在滤芯的结构设计中,GM公司认为最具发展前途的4种过滤体形式为:壁流式蜂窝陶瓷体、泡沫陶瓷体、金属丝网和编织陶瓷纤维。其中,壁流式蜂窝陶瓷是目前综合性能最好的过滤体,但国内尚不能生产。1.3 工作原理 柴油机的排放,含有大量碳烟微粒的污染物,通过排气管道进入微粒捕集器。捕集器内部为蜂窝状结构,其两端一边是敞开,一边是堵塞的通道壁,废气从敞开的一端进入,穿越多孔的蜂窝壁,然后从相邻的通道排出。大部分碳烟微粒由于体积过大而无法穿越壁孔,因而被吸附在通道壁上,而不会排放到空气中。2. 过滤材料 DPF对过滤材料的要求有以下几个主要方面：高的微粒过滤效率、低的排气流动阻力、高的耐温性能、较高的机械强度、优良的耐腐蚀性能和良好的抗震性。其中过滤效率和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。国外在过滤材料的研究方面已经取得了突破性进展，出现了一些商品化的产品，但由于过滤材料的研究需要高的工艺水平和资金投入等原因，国内在这方面与国外仍然有较大的差距。目前国内外常用的过滤材料主要有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维和金属丝网等。其中，壁流式蜂窝陶瓷和陶瓷纤维属于表面过滤，泡沫陶瓷和金属丝网属于深床过滤。各种过滤材料的过滤效率见表1。表1 不同过滤材料的过滤效率比较5过滤形式表面过滤深床过滤过滤材料壁流式蜂窝陶瓷陶瓷纤维泡沫陶瓷金属丝网过滤效率65957099407020502.1 壁流式蜂窝陶瓷壁流式蜂窝陶瓷试制于20世纪70年代初美国康宁(Corning)公司，它以其良好的性能逐步取代了早期应用的Al203球粒载体，占据了催化器载体的主导市场。目前，世界上最大的两个厂家美国康宁公司和日本的NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷分别占世界市场的50和40。壁流式蜂窝陶瓷的结构及工作原理见图2。流入蜂窝陶瓷入口截面的排气必须经过内部多孔薄壁到相邻的通道流出。多孔薄壁为柴油机排气颗粒过滤的基本作用单元，壁孔结构的大小对排气颗粒流的作用有两种情况：一是壁孔较大，颗粒流中的所有颗粒物通过，过滤器不起作用；二是壁孔小于颗粒物粒径，拦截全部颗粒高效捕集，粒径小的颗粒随气流通过壁孔而排出。可见蜂窝陶瓷多孔薄壁孔的几何尺寸、孔分布的均匀性及排气颗粒物的粒径是影响过滤器捕集效率的要素。壁流式蜂窝陶瓷壁内小孔的尺寸都在微米级，过滤效率可达90以上，且耐高温，机械强度高7。其主要缺点是过滤体的制造工艺复杂，目前国内还不具备生产能力; 蜂窝陶瓷材料具有各向异性的特点，其径向膨胀系数是横向膨胀系数的两倍，且微粒都沉积在孔道内，因此再生过程中受热不均匀，易发生热应力损坏。另外，微粒在蜂窝内成板状结构，不利于着火燃烧。径小的颗粒随气流通过壁孔而排出。可见蜂窝陶瓷多孔薄壁孔的几何尺寸、孔分布的均匀性及排气颗粒物的粒径是影响过滤器捕集效率的要素。壁流式蜂窝陶瓷壁内小孔的尺寸都在微米级，过滤效率可达90以上，且耐高温，机械强度高7。其主要缺点是过滤体的制造工艺复杂，目前国内还不具备生产能力泡沫陶瓷2.2 泡沫陶瓷泡沫陶瓷是一种耐高温，体积密度小，气流通道曲折和气孔率较高等综合性能良好的过滤材料。它是将陶瓷原料配制成泥浆，并在聚酯或聚醚泡沫塑料内浸渍成型，最后经烧制而成的。其内部由许多小孔组成，称为“气室”，小孔直径一般为0.22mm, 如图3所示。每个气室通过窗口与多个邻室相连，在过滤体内形成许多曲折的通道10。由于微粒直径小于气室直径，当排气微粒流经这些曲折通道时，由于气流不断改变方向，微粒由于惯性碰撞拦截、扩散拦截和几何拦截等多种作用而沉积于过滤体内部。相关研究表明： a. 柴油机用泡沫陶瓷过滤器的过滤机理以惯性碰撞机制为主。a. 柴油机用泡沫陶瓷过滤器的过滤机理以惯性碰撞机制为主。 b随着流速的提高，微粒的惯性碰撞捕集效率逐渐降低。当流速达到一定值时，大微粒的捕集效率将迅速上升，而小微粒的捕集效率继续降低。 c. 微孔直径越大，扩散捕集效率越低。a. 柴油机用泡沫陶瓷过滤器的过滤机理以惯性碰撞机制为主。 b随着流速的提高，微粒的惯性碰撞捕集效率逐渐降低。当流速达到一定值时，大微粒的捕集效率将迅速上升，而小微粒的捕集效率继续降低。 c. 微孔直径越大，扩散捕集效率越低。 d当粒径小于1.0 m时，惯性捕集效率随微粒粒径的变化不大，当粒径大于1.0m时，惯性碰撞捕集效率随微粒粒径的增大而迅速上升。 e.柴油机负荷的增加将导致过滤效率的降低。图2 壁流式蜂窝陶瓷过滤器的构造 图3 泡沫陶瓷的微观结构 根据生产原料的主要成分不同，泡沫陶瓷材料可分为堇青石泡沫陶瓷、三氧化二铝泡沫陶瓷、碳化硅泡沫陶瓷等。泡沫陶瓷的优点是制造工艺相对简单，且成本低，可以根据微粒的过滤及过滤体再生的要求，制成各种形状，以满足不同的需求。另外，泡沫陶瓷的多孔结构，使火焰易于传播，微粒的着火温度比壁流式陶瓷低50，从而使燃烧更加安全，再生更加彻底10。泡沫陶瓷各向同性，再生时热应力小，不易造成过滤体热损坏。其缺点是结构疏松，强度低，在排气冲击和机械振动条件下易出现损坏。堇青石泡沫陶瓷和碳化硅泡沫陶瓷是目前应用比较广泛的过滤体材料。堇青石泡沫陶瓷材料价格便宜，原材料易于取得，且生产工艺简单易行。碳化硅泡沫陶瓷具有孔隙率大，孔径均匀，机械强度高，高温性能好以及具有较高的导热系数和微波吸收能力等特点。两者的基本性能比较见表2。表2 碳化硅及堇青石泡沫陶瓷材料的基本性能 材料耐压强度/(kg/cm2)热膨胀系数(1/)导热系数/(W/m)耐火度/化学成分碳化硅10404.0241600SiC-SiO2-Al2O3堇青石10201.00.10.21200MgO-Al2O3-SiO22.3 编织陶瓷纤维 编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的抗高温能力，没有固定尺寸的限制，为过滤体内孔形状和孔的分布提供了广泛的选择余地，可以通过改变各种设计参数使应用达到优化。陶瓷纤维能适应催化剂使用的需要。由于编织陶瓷过滤体内纤维表面全是有效过滤面积，因此过滤效率高，可达90以上。但是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，生产工艺比较复杂。2.4 金属丝网采用金属丝网成本相对较低，且孔隙大小沿气流方向可以任意组合，使捕获的微粒在过滤体中沿过滤厚度方向分布均匀，增强了过滤效率及过滤时间；其次，金属丝网的耐高温及抗震性能好，使用寿命长；金属丝网良好的导电性能，使其更容易捕集到带电微粒。但单纯金属丝网过滤体的捕集效率较低，为2050。根据国内王宪成、宁智等人的研究表明：利用金属丝网良好的导电性，在过滤体上游加上电晕荷电装置，使微粒荷电，带电微粒在经过金属丝网时由于静电映像力的作用吸附在金属丝网上，可以使组合金属丝网的过滤效率达到5075。3. 再生 柴油机微粒捕捉器只能把微粒收集起来，它本身不能清除微粒。如果过滤体中收集的微粒不能及时清除，就会发生滤芯堵塞以致柴油机背压急剧上升的现象，影响柴油机的换气和燃烧，降低性能。因此，再生技术是柴油机微粒捕捉器实用化的关键。再生实际上就是利用热能将沉积在过滤器内的微粒烧掉。国内外研究的再生方法主要有：强制再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生和连续再生以及燃油添加剂辅助再生等。这些再生方法可以分为3类，前4种为加热再生，逆向喷气再生属低温反清洁再生，后两种属催化再生9。 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，强制性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。 喷油助燃再生技术发展得较早，因此相对也比较成熟。该再生技术是通过一套专门的系统，适时地向过滤体上游空间喷人一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使过滤体的温度上升，微粒着火燃烧，以实现过滤体的再生。喷油助燃再生系统可分为三种形式，即旁通式、部分旁通式及全流式。在旁通式中，柴油机废气在再生过程中从旁通通道排入大气，因此再生过程可以不受排气流动的影响，可在柴油机任何工况下实现对过滤体的再生。旁通式再生系统比较简单，并且易于控制。但研究发现，在喷油助燃再生中，一定的气流速度是保证安全可靠再生的重要因素。而单纯依靠车用压缩空气提供所需的空气流动速度难以办到，且能耗也很高。为此，美国通用汽车公司开发了一种部分旁通式再生系统，即利用柴油机驱动空气泵提供部分新鲜空气，再利用部分废气来满足流动要求和氧气供给。但这种方法需要一个比较复杂的废气流动控制装置，它应能保证在任何工况下再生时，流过过滤体的气流速度满足安全再生的要求。所谓全流式系统，是指过滤器再生时，排气全部流经过滤器，这种系统比较简单，但对燃烧装置的功率要求比较高，并且再生过程比较难以控制。 电加热再生技术与喷油助燃再生技术相类似，只不过以电能代替喷油燃烧热能加热空气或废气，以实现对过滤体的再生。这种再生技术对电功率要求比较高，一般需要1.53 kW，为了有效地利用电能，一般都采用废气旁通装置。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行可靠的再生。尽管电加热再生技术具有一定的优点，但由于是表面加热，电热丝的能耗效率低，而且一般陶瓷过滤体的导热性很差，不利于火焰的传播，所以再生效率不高。这种表面加热方式极易造成加热的不均匀性，因此会造成过滤体的再生不均或因局部过热而引起烧熔或炸裂，并且电加热再生对车用电源的要求很高，这些都是在实用过程中需要解决的问题。 微波加热再生是利用微波能独有的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的碳烟颗粒进行加热，使碳烟颗粒原位加热、着火、燃烧，从而实现过滤体再生。微波加热是指在300MHz300GHz频率范围内对物体进行加热，它不同于一般的加热方式，是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。其能量是通过空间或媒质以电磁波形式传递，加热过程与物质内部分子的极化密切相关。微波加热再生的关键技术在于如何在谐振腔内激励尽可能多的模式及控制腔内碳烟颗粒的燃烧温度，防止过滤体因温度过高而损坏。另外，微波对于不同的过滤体材质有不同的微波加热及再生特性，应该根据过滤体的材料性质合理选取加热功率，并设计合适的再生系统内部结构。 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。这种再生技术最大的特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂或烧熔的问题，另外也解决了不燃物