柴油机被认为是热效率最高的内燃机，所以在全世界被广泛地应用在重型车辆上。然而，随着人们日益关注柴油机废气对大气质量的危害，汽车和发动机制造商不得不开发有效的解决方案来抑制排放。
由于发动机的排量和驱动方式不同，现在有几种技术被应用在这个行业来处理柴油机废气中的颗粒物质和有害气体。
柴油机的发展趋势
柴油机在重型车辆和非道路车辆上的广泛应用已经有很长时间，近期在欧美市场上应用柴油机的客车和轻型卡车激增。这种增长部分是由于油价上涨刺激了对高效率柴油机的需求。
然而，伴随着柴油机数量的增长，人们也越来越关注其排放的废气对空气质量的影响。废气中的污染气体如碳化物、氮化物（NOx）和颗粒物质被认为是危害健康的主要污染物。
排放法规的发展趋势
欧美制定洁净空气法规的机构采用柴油机排放标准中要求，使用颗粒物过滤器来满足颗粒物的排放限制。欧洲的新排放法规中，颗粒物和氮化物的排放量比目前的标准少三分之一。
图1为欧洲的新排放法规的发展趋势，这些日益复杂的排放控制要求过滤器具有较高的孔隙率、低的流动损失以及高的过滤效率。 
图1. 欧洲废气排放法规（左）和CO2排放法规的趋势（右）
（来源: www.isuzu.co.jp）
目前柴油机排放后处理的技术措施
柴油机的排放物主要包括气体排放物，如 CO、CO2、NO、NO2和颗粒排放物，包括碳和碳氢化合物。
CO和碳氢化合物的去除
柴油机催化氧化转化器（DOC）被用来氧化排气气流中的污染气体，它可以和消音器集成在一起。
在许多封闭曲轴箱柴油机中， NOx、HC和有毒有害气体被直接重新引入进气系统再次燃烧，而不是排到外界污染大气环境的。
NO和NOx的去除
选择性催化系统（SCR）能够通过在废气中喷洒尿素或者氨水，将NOx的排放减少60-90%。然而，由于储存空间的需要，只能用在大型发动机上。
细长的NOx催化器（LNC）与选择性催化系统（SCR）类似，不同的是，LNC向柴油机废气中喷的是柴油而不是尿素。
废气再循环（EGR）设备将发动机废气的一部分送回发动机，降低燃烧温度的峰值，从而减少NOx的排放。废气再循环设备已被用于码头机械、建筑设备和公路车辆发动机上。该项技术能将NOx的排放减少40-50%。
柴油机的颗粒物（DPM）
柴油机颗粒物的控制基本上靠两个过滤器，即柴油机微粒过滤器（DPF）和一次性过滤元件。
柴油机微粒过滤器一般是应用蜂窝状或者网状器具，放置在排气管内，物理捕集或者氧化颗粒物。收集到的颗粒物连续或者定期地通过加热再生从过滤器中被移走。
另一种柴油机颗粒物处理装置是采用一次性过滤元件的过滤装置，其应用日渐增多。由于发动机制造商不断通过高效的发动机管理来降低系统成本， 以减轻柴油机废气后处理技术方面的压力，所以相比前一种过滤器，这种一次性的过滤装置为降低成本提供了一种有效的方法。
DPF所用滤材现状
有很多过滤材料被应用在柴油机微粒过滤器（DPF）中，包括陶瓷块、陶瓷纱线、陶瓷泡沫、陶瓷纸、合成纤维、金属网和烧结金属纤维材料。这些过滤材料具有高过滤效率、低压降、高烟尘容纳能力，以及能耐高温、耐热应变和耐热收缩、耐化学腐蚀等性能，并且与再生工艺相容。按照再生技术的要求，柴油机的过滤材料要置于1,000℃或更高的温度下接受大量的热冲击。这是造成材料失效（例如融化或者开裂）的主要原因。
使用这些滤材的柴油机微粒过滤器具有60-95%的过滤效率。两种常用的系统是陶瓷过滤器（陶瓷基和深床过滤）和一次性纸质过滤器。陶瓷过滤器主要应用在重型车辆和道路车辆上 ；而一次性纸质过滤器主要应用在固定机械和非道路车辆上，如叉车。所有滤材都有各自的优缺点，所以在使用时也应有选择。
陶瓷过滤器
柴油机陶瓷微粒过滤器可以是壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器也可以是缠绕成的滤筒，最常用的是壁流式微粒捕集器（占有70%的市场）。它是整体挤压成型的，主要成分是堇青石或者金刚砂。交替堵住蜂窝状多孔陶瓷的孔两端，柴油机的废气被迫通过这个多孔的墙壁而被过滤。壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器的特点是机械强度好、耐温性好、并且具有良好的过滤效率。这种陶瓷基材可以覆上一层催化剂来降低温度从而再生。
图2. 壁流式陶瓷纤维滤材微粒捕集器
（来源：Dieselnet.com）
这种过滤器的缺点是热膨胀系数大，当烟尘量较大时，压降也相对较大，从而导致过滤器阻塞。因为它们是易碎的材料，所以容易在热环境中或者机械振动中损坏。
金属基的陶瓷纤维滤筒用连续的陶瓷纤维缠绕在多孔金属支撑筒上，废气被迫通过陶瓷纤维流入金属筒内，使柴油机废气中的微粒停留在纤维中间。通过电加热去除堆积在过滤装置中的微粒，可以使过滤器再生。
有一些陶瓷纤维滤筒使用陶瓷纱线制成的薄布，这种布的制作过程就像造纸一样，然后成型的过滤器要经过烧结处理。Fleetguard公司开发了一种由复合过滤介质（覆以SiC的氧化铝纤维）和壁流式蜂窝陶瓷过滤元件组成的过滤器。
一次性/长期使用/可回用的纸质过滤器
一次性的柴油机废气过滤器一般是折成褶状的滤筒，就像一般的发动机进气过滤器，效率可以接近100%。由于过滤器的最高使用温度都低于120℃，这种过滤器需要一个随车的冷却器，如喷水器或者散热器，这种过滤器的设计寿命是最多3次。
一次性/长期使用/可回用的纸质过滤器的最高使用温度可以达到200℃，过滤材料一般使用合成纤维或者与陶瓷纤维混合以达到更高的使用温度。这样的过滤材料可以连续多次使用。
DPF介质的最新进展
由于日益增长的排放法规限制，对经济、可靠的过滤材料和系统的需求日益增长。Ahlstrom公司一直致力于柴油微粒过滤技术的研究，包括一次性过滤器、可重复利用和可再生过滤器。
一次性DPF过滤介质
Ahlstrom公司已成功开发出一种用于公共交通车辆中的微粒捕集器，这是意大利政府赞助的一个名为Projetto Blue的项目的研究成果。据说这种过滤器可以使用2,500 km或者最多达十天（以每天行驶250 km计算）（见图3、4和5）。 
图3. 装有折叠过滤材料的过滤器的堆积情况
图4. 安装在重型公共汽车上的过滤系统
图5. 过滤器上游的微粒堆积情况
纤维素基过滤介质适用于最高为120℃的低温环境，且具有根据需要控制压降和过滤效率的特点。
连续使用/耐高温/可再生的纤维介质
经过过去几年的不断努力，Ahlstrom公司已经开发出100% 陶瓷纤维的柴油机微粒过滤器过滤介质，这种过滤介质能耐800℃甚至更高的温度，还能够用作再生过滤器的基材。
这些材料的过滤效率的比较见图6和图7。图中，CER 160 DPF、CER 140 DPF和CER 120 DPF代表过滤材料中含有不同的无机纤维，从而具有不同的过滤效率、压力降和耐高温性。这些特性可以根据不同的发动机设计需求来配置。
图６. 用粉尘级PTI细灰（100 mg/m3）测得的压力降对比
（空气流量10.8 m3/h、空气面速度30 cm/sec，测试面积100 cm2）
图7. 用PTI细灰测得的原始过滤效率
（空气流量10.8 m3/h、空气面速度30cm/sec，测试面积100 cm2）
从两图可以看出，利用无机纤维材料，过滤效率是可以接近100%的，并且相对陶瓷基壁流式微粒捕集器具有相对较低的压力降。
利用这种无机纤维过滤介质制成的过滤器，相对目前的陶瓷基过滤器，可以将柴油机微粒过滤器的成本降低至少50%。
Ahlstrom在DPF方面的创新技术
Ahlstrom公司又有一个独特的技术平台，能够轻而易举地开发出DPF市场所需的工程解决方案。
DisruptortTM技术
DisruptorTM材料是Ahlstrom公司的纳米氧化铝纤维技术，是利用大约2nm粗、100 nm长的的氧化铝陶瓷纤维枝接微米级的玻璃纤维制成的。与其它所有纤维相比，DisruptorTM纤维具有最高的纵横比（半径和长度的比）和表面积（最高达600 m2/g）。
这种材料作为DPF介质的一个特殊优点是，它可以使极细的粉末（例如催化剂）附着到纳米级的氧化铝纤维中（见图８）。
图８. 用电子显微镜拍摄的显示纤维过滤介质工作原理的照片
结论
柴油机是一种高效率的内燃机，在全世界范围内的应用越来越广泛。然而，近年来日益增长的油价和欧洲日益严格的排放法规已经引起了公众的注意。因此，对高效率、低压降和低成本的柴油机废气过滤器的需求在不断增加。Ahlstrom公司一直积极开发用于柴油机废气后处理系统的一次性、连续使用和可再生的纤维基柴油机微粒过滤器介质。(end)
|
