燃油经济和排放控制挑战柴油的过滤技术

作者：Anthony Bennett

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 为了降低全球能耗并控制碳的排放，世界各国纷纷出台了一些法规，对燃油经济性和排放控制提出了更严格的要求。柴油过滤是首当其冲的一项应对措施。Anthony Bennett和业内享有盛名的几家公司就这一问题进行了探讨。 全球性和地方性因素 Hollingsworth and Vose（H&V）公司发动机与工业过滤部的全球市场管理负责人Andrew Shepard介绍，交通运输工具消耗的能源占全球总能耗的22%，并且它们排放的碳超过了全球碳排放量的四分之一，因此，世界各国的政府部门都开始执行更加严格的燃效标准和排放控制措施。“例如，美国政府提出了新的燃效标准，要求汽车的燃效在2025年时达到54.5 MPG，” Shepard解释说，“此外，还要求重型货车在2018年时达到一定的燃效，为了达到这些燃效标准，业界对于液体和空气过滤提出了更高的要求。” 尽管减少废物的排放是全球的首要目标，但是实际的过滤要求取决于不同的地区需求。Shepard补充说：“例如，在不断变化的柴油过滤市场，影响过滤要求的区域性因素包括当地的排放要求、生物燃料的类型和百分比，以及当地燃油中的颗粒和水分含量。为了满足这些不同的地区需求，必须具有多种多样的各类产品，独一无二的研发工具和当地的专业知识——Hollingsworth and Vose公司完全具备这三点。” 过滤介质 据Shepard介绍，H&V公司提供多种不同类型的过滤介质，来解决所有的颗粒滤除和脱水问题，以满足欧VI、美国Tier IV和国IV标准的要求。H&V公司对传统的湿法纤维素产品进行了改良，旨在提高效率，降低成本，提高容尘量，以及延长产品使用寿命。 该公司的高性能玻璃纤维燃油介质在过滤4淀级颗粒时的有效率超过了99.5%，并且具有渗透性高和容尘量大的特点。“我们自己设计和生产玻璃纤维，” Shepard解释说，“因此能够指定独特的纤维直径和直径分布，以满足各种过滤需求。” 为了解决潜在的健康、回收利用和划伤喷油器等问题，市场越来越需要无玻纤的解决方案，H&V公司已经研发出了一种新颖的高性能无玻纤介质。它是一种人工合成物——由不同形式的纳米和亚微米级纤维组合在一起，形成一种分层的复合介质——其中不含有玻璃微纤维。“该介质过滤4 淀级颗粒的有效率超过了99.5%，并且具有渗透性高和容尘量大的特点，能够满足最严格的应用标准的要求。” Shepard说。 “这些最新的产品完全满足了许多应用市场的需求，向市场提供具有更高过滤效率和更长过滤寿命的无玻璃介质，它们不仅符合未来的排放要求，而且具有领先的低压降技术特点，”他补充说。 Hollingsworth & Vose公司的创新 H&V公司的重要创新工作之一是对人造纳米纤维产品进行了研发和优化。Shepard解释说：“我们的颗粒优化模型能够根据特殊的设计要求生成亚微米级纤维和网状结构。”这些小直径纤维独特的几何结构能够改变产品的传统性能。为了使产品适合特殊的过滤应用，H&V公司与过滤器制造商密切合作，对这些复合结构进行优化。 为了使内燃机符合目前的法规和发动机性能等级的要求，必须使用洁净干燥的燃油，这是一项十分关键的措施，并且这一点对于柴油来说尤为重要。柴油中的水会造成气穴现象，氢脆，损失润滑油和腐蚀等问题，进而导致发动机受损，使用寿命缩短。 在西欧，燃油中的最大容许含水量为200 ppm（根据DIN EN590标准）。在其他湿度大、日温差大的地区，柴油中的含水量可能远远超过了该最大值。 Shepard告诉我们，H&V公司通过控制树脂类型、纤维的几何形状、制造过程和混合分层，能够适应这些环境变化。“因此，”Shepard解释说，“我们能够根据规定的颗粒微米等级和客户期望的过滤器设计形式，研发出他们所需要的脱水或者凝聚产品。” “我们的科研人员与当地领导密切合作，” Shepard接着解释道，“他们广泛吸取全球各地的经验，研发出最适合当地需求的产品。” 该公司最新的Tier IV产品对于4 μm级颗粒的过滤效率超过了99%，容尘量（DHC）超过了200 g/m2。针对中国市场，H&V公司设计了China III产品，它对于4 淀级颗粒的过滤效率为98.5%，容尘量（DHC）超过了130 g/m2。 H&V公司针对欧VI和国IV标准，继续采取各种优化措施，以便更好地过滤燃油，其中包括对于4微米级颗粒的过滤效率超过99.5%的无玻纤介质，领先市场的低压降技术，超过250 g/m2的容尘量，以及符合ISO 4020的极长使用寿命（超过了60分钟）。 Shepard补充说：“我们遍布全球的技术和营销专家理解区域需求的复杂性，同时借助我们分布在美国、欧洲和亚洲的多个技术研发机构和制造工厂，能够满足全球客户的需要。” 燃油调质技术 AXI公司针对汽车领域的应用生产了一系列颗粒过滤与油水分离设备，它们是柴油系统必不可少的组件，但是在该公司涉足汽车领域之前，它的另一项工作重点是燃油调质。 Algae X International（AXI）公司的董事长Bill O'Connell解释说：“燃油生产中的变化（包括催化裂化和硫的减少，）对燃油的稳定性造成了不良影响。这会导致燃油中形成沉淀物，进而导致过滤器的使用寿命变短，燃料的燃烧特性变差——损失能量，过量排放废物颗粒，损伤喷射器和燃油泵，使燃油箱变脏。” 燃油调质逆转了形成沉淀物的工艺过程，因此提高了燃油质量。于是过滤器的使用寿命得以延长，发动机性能得到了优化，排放物减少，发动机维护的频率和强度也减小了。 “我们的业务中仅有一小部分面向汽车、货车和公共汽车市场，” O'Connell补充说。“我们的主要业务是为汽车行业提供自动燃油养护系统和油箱清洁系统，以及高性能的化工流程。” Algae-X公司的创新 Algae-X Fuel Conditioner是AXI最具有创新性的系列产品。O'Connell 继续说道 ：“其重要性体现在它驱散了燃油中的沉淀物，从根本上恢复了最佳燃油品质，因此有利于延长燃油滤清器使用寿命，改善燃烧特性，产生更大的功率，减少排放，延长喷射系统零件的寿命，保持油箱的清洁。从根本上说，它节省了资金，提高了车辆的性能。” O'Connell告诉我们，公司在研发方面的工作重心是设计大规模的燃油传输系统，同时继续研发燃油添加剂。 推动过滤与分离行业发展的一个重要因素是新兴市场的发展壮大。在全球汽车市场持续发展的同时，像中国这样的新兴市场在过去10年中大幅扩张。那么是否有迹象表明，过滤产品的设计与生产正从北美和欧洲向车辆产量增大的地区转移？ O'Connell回答说：“我们的工作重心是继续向加勒比海、拉丁美洲和非洲地区的汽车与货车市场拓展业务，这些地区的燃油品质普遍较差。我们确实发现在中国、印度和印尼出现了许多新兴的公司。” 推动柴油过滤技术发展还包括其他一些重要因素，例如旨在减少排放物的法规、人们对健康问题的日益重视、能效的提高，以及可持续发展的问题。 “我们赞成许多旨在提高能效、减少排放的措施，” O'Connell回答说，“但是，我们认为生物燃料存在着严重的问题，因为它们使用资源的效率太低。例如，每生产一加仑生物柴油需要八加仑水，而其燃烧产生的BTU热量值仅为碳氢化合物基燃料的90%。此外，生物成分的维护和存储成本都相当高昂。” 这些因素将会带来新的市场机会。例如，客车技术的发展体现了随着氢燃料电池技术的发展，车辆从混合汽油/柴油到电动车辆的变化趋势。这些技术发展是否更可能取代柴油发动机，而不是汽油发动机，以及它们是否会给过滤技术的创新带来长期的机会？ “这些技术不可能取代碳氢化合物基燃料，” O'Connell说，“它们不仅成本高，效率低，而且会带来输送、存储和维护方面的一些新问题。” “我们的工作重心是燃料优化技术——实用的物理和化学解决方案，同时继续研发传统的过滤与油水分离技术。喷射系统的变化意味着需要进一步提高燃油过滤技术，使被过滤颗粒的大小减小到2微米级，以防止损伤昂贵的喷射零件。现在已经有这样的技术了，今后它将被越来越多地应用到汽车领域中。” 内置分离技术 现在我们可以大致总结出目前的市场趋势，机动车辆制造商在车辆或者工业用发动机中安装内置的燃油滤清器时，亟需更高的过滤质量和更佳的汽水分离效果。我们已经发现，不论是以水还是颗粒的形式存在，燃油中的污染物都会导致柴油喷射系统出现重大故障，尤其是对于高压共轨喷射（HPCR）系统，因为它们工作在极高的压力下。虽然可以在供应链的不同工作点清除燃油中的颗粒污染物，但是水汽会进入储油箱或者汽车油箱内，并且油箱壁上的冷凝液也会滴入燃油中。 Parker Hannifin公司的创新 Parker Hannifin公司Racor分部的燃油产品经理Adam Pearce解释说，“首先，柴油过滤的主要作用是防止燃油中的污染物进入发动机喷射系统。这是市场中所有解决方案的基本功能。此外，在选择过滤器时，通常还要考虑过滤效率、耐用性和维护性等因素。” “虽然现在市场中不断出现一些创新的技术，旨在提高汽车柴油过滤方方面面的性能，包括工作寿命和总体拥有成本。” “但是，有评估结果表明，大约每十套柴油发动机喷射系统中就有多达八套系统因为受污染的燃油而出现故障，越来越多的商用车辆制造商意识到为他们的发动机装配预过滤系统能够带来重大的经济效益。” Parker Hannifin的Racor部门制造燃油滤清器，它在一套系统中结合了颗粒过滤器和油水分离器的功能， 过滤粒度低至2微米级。 “而且，”Pearce解释道，“像我们的400 HH系列产品还具有一个特殊的滤油器端部，其中包括了一个‘正温度系数’加热器，以便加热流过滤油器的燃油，降低由于燃油在低温环境下结蜡而导致滤油器或者燃油管道被堵塞的风险。” Racor HH设备如图4所示。 这样的燃油加热器在柴油发动机中并不罕见，但是Racor称HH加热器能够根据温度和流量自动调节它消耗的能量。该加热器的工作在12-42 V的直流电压范围内，当管路中没有燃油流过时，它会安全地断电。 Pearce补充说：“Parker Racor还拥有领先市场的先进的热燃油再循环技术，该技术被集成到滤油器端部，大幅改善了冷启动环境下的工作。” “在已经具有发动机滤油器的车辆中再增加一个燃油管路过滤器会增加一定的成本，但是，如果由于燃油受污染导致喷射系统受损而必须更换一套新的喷射系统，这时所花费的成本将远远超过前者。燃油管路过滤器的成本通常不超过一箱燃油成本的25%。” 考虑到相关法规，Pearce继续解释道，针对柴油发动机应用选择合适的过滤器时，还必须考虑其他一些重要因素。“例如，”他说，“欧六是目前最严格的欧洲排放标准，它规定从2014年1月开始所有新的重型货车都必须遵守该标准。” “虽然商用车辆制造商面临着种种法规的要求，压力不小，但是现在已经有帮助他们的解决方案了，燃油滤清器能够使柴油发动机更环保，并减少寿命周期成本。” Racor称HH过滤器除了保护发动机免受水分和颗粒的污染，还特别适合新一代的低硫燃油和生物柴油。自2009年（EN590标准）以来，含硫量减少到了最大不超过10 ppm的程度，因此现在的燃油变得比2009年之前含硫量较高的燃油更容易结蜡。此外，与传统的石化燃料相比，生物柴油往往会被更多的灰尘所污染，从而导致发动机上安装的燃油滤清器提早堵塞。 诸如生物柴油和生物柴油混合燃料（以及超低硫柴油）这样的碳中和燃料向发动机制造商们提出了新的挑战。“对于这一问题，”Pearce解释道，“最新一代的过滤技术能够提供有效的解决方案。” “当使用某些生物燃料时，柴油发动机中的燃油滤清器会迅速被颗粒堵塞，特别是在较冷的环境中，从而导致车辆在某些情况下彻底损坏。而且，生物柴油的溶解能力比传统柴油强大得多，会分解旧车辆中的积聚物和灰尘，进一步污染燃油系统。因此，建议终端用户在首次更换为生物柴油混合燃料之后行驶不超过800英里时更换燃油滤清器。” Racor介绍，HH过滤器组件在设计时充分考虑到了这些现代的燃料。它配备有10微米级的过滤器元件，透明的大容量集水杯，以及安装在起动注油泵内的构件，这使得过滤器能够处理生物柴油中常见的典型污染情况。 “此外，还带来了其他好处，” Pearce总结说。“例如，与石化燃料同类产品相比，生物柴油具有较高的润滑指数，这有利于延长柴油发动机的燃油喷射器的使用寿命。而且，生物柴油是一种较好的溶剂，众所周知，对于原来使用传统柴油的车辆，生物柴油能够溶解车辆燃油管道中的残渣沉积物。最后，实践证明生物燃料不仅环保，而且有利于保护发动机。” Mann + Hummel公司的创新 与Mann + Hummel公司的进一步沟通证实了目前的情况，全球各地不断推出相关法规来控制新柴油车辆的废物排放情况，业界越来越需要新一代的HPCR系统，全球可用的燃料品质存在着多样性，为了解决这些问题，业内需要不同的、专业的过滤系统。 “这向车辆制造商、发动机生产商、喷射系统制造商以及过滤系统供应商提出了新的挑战，” Mann +Hummel公司负责工程过滤元件业务的副总裁Gunnar-Marcel Klein解释道。“无论将来的燃料品质如何，必须向喷射系统提供恒定的燃料清洁度。尤其是在亚洲的某些地区，那里的燃料品质还未达到欧洲或者北美洲的水平，这一转变要求我们研发出比如今提供的系统质量更优的过滤系统。” “在过去十年中，我们已经研发出了适用于柴油滤清器的各种高性能过滤介质，” Klein补充说，“首先我们在2002年推出了取得专利的基于喷熔的复合介质Multigrade F-HC。”该介质达到了β4>5 (ISO 19438)。与基于单层纤维素的过滤介质相比，这种新介质的过滤效率增大了3倍，容尘量和过滤器检修间隔增大了超过50%。后来又在此研发成果的基础之上继续推出了更精密的‘Multigrades’系列滤材，如F-HE (β4>20) 和F-HE+ (β4>50)。 “我们现在正在推出最新一代的Multigrade研发成果，” Klein解释说。新研发的F-HE++滤材具有β4>300的特性，最近已经首次被应用在HPCR工业重载发动机中。 “通过在过滤复合介质中应用聚合纳米级纤维，使得过滤介质能够达到如此卓越的性能，” Klein补充说。“在今后几年中，其他汽车和工业发动机都将装配这种采用最新技术的滤油器。” 除了这种内置技术，Mann + Hummel还在研发新的过滤方法，以达到业界所期望的柴油燃料清洁度，以便用于将来的发动机，尤其适用于像亚洲这样的燃料品质较低区域的工作。“目前我们正在准备研发一种基于纳米纤维的全人造复合介质，其过滤效率的指标Beta4值超过了10000，” Klein证实道。 另一项从柴油中分离水分的创新方法是Mann + Hummel公司生产的三级脱水器。它通过扩大水滴的方法，从燃油中分离出水分，从而使细密分散的油包水乳剂达到要求的纯度。 Klein继续解释说“新脱水器能够集成到现有的安装空间中。初级使用一种精密的凝聚式过滤介质，柴油中细小的乳化水滴聚积在该过滤器上，然后相互结合成更大的水滴。” “在第二级，这些水滴的体积在通过下游的凝聚层之后被放大。脱水器内的流量经过了特殊的设计，旨在依靠重力来分离燃油内的大水滴。由一种憎水屏蔽膜介质提供第三过滤级，它充当一道最终的屏障来拦截任何残留的水滴。” Mann + Hummel公司称，该新研发系统的主要优点在于，主要的油水分离级（凝聚层和最终的憎水屏蔽膜）位于颗粒过滤复合介质的下游。因此，能够在受污染的燃油中一直保持很高的油水分离效率，从而确保在过滤器元件的整个维修间隔期内始终保护柴油喷射系统。 “这种新颖的油水分离原理，” Klein解释说，“目前正被应用于原型系统中，并通过现场试验对其进行验证。此外，我们整理的研究结果也被业界采纳，一方面作为验证油水分离器性能的试验标准，另一方面被直接用于客户的油水分离项目中。通过与车辆和发动机制造商的密切合作，我们不断研发出创新的产品，以便为即将到来的挑战提供解决方案，同时满足客户的需求。” 结论 我们已经看到市场上出现了不少创新的技术和产品，它们可用于不同类型的柴油和生物柴油混合液，以便过滤其中的颗粒，并进行油水分离。我们调研了过滤介质的发展，以及这些介质在柴油发动机中的应用情况。我们还发现了燃油调质的重要性，它有助于在燃油进入发动机之前提高燃油品质。 市场的增长将继续成为业内的主要驱动因素，诸如中国这样的市场越来越需要有效的燃油调质、过滤和分离产品。在欧洲和北美洲经济发展不利的趋势下，各政府部门仍将继续出台相关法规来减少废物的排放。此外，尽管业界还在争论使用生物柴油的优缺点，但是考虑到可持续发展的重要性，生物柴油对过滤与分离行业的影响将日益增长，它将推动业内诞生更多的创新技术与产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/13/2013)