柴油车排气后处理装置主动再生颗粒过滤器

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壁流式蜂窝陶瓷过滤器属于一种新型的高技术陶瓷产品，是对柴油机排放的微粒进行控制的最有效手段。当废气通过两端交替堵塞的蜂窝通道的多孔间壁时，废气中的微粒在过滤器内部产生的碰撞、截留、扩散和重力沉降的作用，获得90％以上的捕获效率。然后通过对过滤器的再生，燃烧除掉收集的碳微粒。随着排放法规对微粒排放质量的严格限制，新的排放法规（从欧5开始）将对严重危害人类健康的粒径20～300纳米的超细微粒的数量进行限制，引擎技术的改进已经不能满足对微粒质量特别是纳米微粒数量限制的要求，而壁流式微粒过滤器对20～300纳米微粒按数量计算的捕获效率可以达到99％，这是任何其它排气后处理装置无法实现的。因此，随着新的排放法规的执行，采用微粒过滤器的微粒控制装置将成为所有柴油车辆的标准配置。
壁流式微粒过滤器在国外柴油车辆的商业应用不到10年时间，但已经在满足国外现行排放标准的新柴油车市场及在用柴油车污染治理改造获得广泛的应用。壁流式微粒过滤器的生产工艺属于高技术陶瓷领域，国外仅美国、欧洲和日本少数厂家掌握成熟的生产技术。国内由于排放标准相对滞后，仅限于实验室研究阶段，还没有出现同类型的商业化产品。
贵州黄帝车辆净化器有限公司从2000年开始，瞄准柴油车辆排放后处理装置的发展和应用的动态，对国外柴油机微粒过滤器的应用细节和发展趋势进行了深入的研究，依托浙江大学等高校的技术优势，开始了对碳化硅壁流式蜂窝陶瓷柴油机微粒过滤器大批量生产技术的研究与试验，成功开发了具有自主知识产权的生产工艺技术，用于柴油车排气后处理系统的碳化硅蜂窝陶瓷壁流式微粒过滤器的大规模生产。
一、主要研究、试验内容与成果：
1、通过对国内外现状与发展趋势的分析，选择开发纯碳化硅材质的微粒过滤器。
2、改进纯碳化硅多孔材料的烧结工艺：以特定粒度分布的SiC颗粒和一定比例的亚微米SiC作为起始原料，加入适量的特种复合烧结助剂、有机结合剂和造孔剂，在低于2200℃的烧成条件下，得到颗粒间连接部具有大接触面微晶结构的纯碳化硅材料的蜂窝体。其机械强度和抗热震性超过传统工艺生产的R-SiC，材料的孔隙率可达到50％，孔径和孔隙率容易控制，烧成温度、烧成时间和对原料的要求大大降低，减少了能源的消耗和制造成本。
3、壁流式蜂窝体的结构几何参数和孔隙结构参数的研究试验：对过滤体的蜂房密度、壁厚、孔隙率、平均孔径和孔径的分布进行了优化设计，完善了孔隙率、孔径及其分布的工艺控制方案，以适应燃料携带催化剂、涂层催化剂和NOx吸附（DPNR）DPF等不同的用途，使产品具备高的工作寿命和低的压降。
4、主要工艺环节的研究：（1）SiC初始原料的结晶形态、粒度及粒度分布、原料的预处理；（2）有机结合剂、添加剂和造孔剂的选择，蜂窝体孔径及其分布和孔隙率的控制；（3）高密度挤压模的结构设计优化和加工；（4）生坯体无变形开裂的接坯和快速定形工艺；（5）无缺陷的交替堵孔配方和堵孔方法；（6）高成品率的高温烧成温度制度、气氛控制和装窑工艺；（8）具有热补偿特性的粘结剂的试验和单元体的粘结和加强工艺；（9）坯体的切割、表面加工等特殊的工艺参数和设备。通过对主要工艺环节的研究试验，完善并形成了相应的技术体系与操作程序。
5、主要专用工艺设备和装置的研究开发：（1）高分散性粉料混合机，解决高粘度，低百分比组分物料的均匀混合；（2）全自动高压力蜂窝陶瓷挤出机及配套挤出模，适应低水分含量，高硬度低可塑性泥料挤制高密度薄壁蜂窝体；（3）连续挤出的坯体切断及接坯移送装置，实现产品的连续成型及无变形输送；（4）微波及热风联合连续快速定形装置；（5）堵孔工序用掩模及时间程序控制压力注浆堵孔装置；（6）温度及气氛均匀的大容积高温真空烧结炉。以上主要专用工艺设备和装置的开发与选型，可以满足高质量规模化大生产的需要。
6、产品应用性能的检测评价体系的研究：研究了产品检验评价所需的专用装置，建立了模拟试验的发动机台架，对检测评价装置和模拟测试的理论和具体结构进行了设计。
7、产品应用系统的研究与开发：针对在用柴油车污染治理改造的应用，开发了适用于城市柴油车污染治理改造应用的主动再生DPF系统及其控制部件。另外开发了国产DPF在线监视记录报警装置，同时正在进行降低DPF再生温度的燃料携带添加剂（催化剂）的研发工作。
二、研究与试验的检验结果及分析
1、碳化硅壁流式蜂窝陶瓷微粒过滤器应具备的技术条件：《贵州黄帝车辆净化器有限公司企业标准——碳化硅质颗粒过滤器》；国家环境保护标准HJ451-2008《环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置》规定的技术条件。
2、产品检验结果及分析
1）试制碳化硅蜂窝陶瓷的材料特性，委托洛阳国家耐火材料质量监督检验中心进行了理化指标的测试，主要指标如孔隙率、抗折强度及热学性能与日本同类产品相当。
2）碳化硅微粒过滤器系统样品，于2007年10月委托中国汽车技术研究中心天津索克汽车试验有限公司，按照国际公认的瑞士VERT规范，进行了颗粒过滤器过滤效率的测试，过滤效率的平均值为96.50％，过滤效率达到了标准规定要求，而且同时DPF 的背压满足VERT 的要求。
3）2009年2月，向中环协(北京)认证中心申请了环保产品认证，并抽样由天津汽车检测中心，按照HJ451-2008《环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置》进行检验，包括DPF热循环、压降特性、过滤效率、再生效率及耐久试验等技术指标的检验结果，全部满足《标准》的要求，2009年6月获得环保产品认证证书。
4）2009年5月，采用试制的微粒过滤器系统安装在江铃柴油轻型客车，委托天津汽车检测中心按照GB18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》，进行了原车和安装DPF系统后的排气污染物的测试（Ⅰ型试验），结果DPF使微粒的排放降低95％，排放由原车的国2（0.2 g/km）水平提高到大大超过国4（0.06 g/km）水平，接近欧5的微粒排放限值（0.005 g/km）。目前这个微粒过滤器系统已经装车正常超过运行6万公里。
三、技术创新点及获取专利的情况
开发的碳化硅蜂窝陶瓷微粒过滤器主要的技术创新点如下：
1、采用亚微米级的烧结助剂掺杂，促进碳化硅的烧结，并且改善晶粒的微观结构，在不超过2000℃的烧成温度，获得高强度及可控制的孔隙特征。
2、分割的蜂窝陶瓷单元体，采用方形断面、扇形断面及异形断面的成型坯体，烧成后拼合成圆形，避免了烧成后外形轮廓的加工，解决了不同断面形状的单元体材料特性的一致性问题。
3、采用掩模配合时间程序自动控制压力注浆的工艺，对蜂窝体两端进行交替堵孔，有较高的工作效率与一致性。
开发的碳化硅蜂窝陶瓷微粒过滤器具有完全的知识产权，目前，公司已经申请包括产品生产工艺技术和过滤器系统应用技术的六个国家发明专利和一个实用新型专利
四、总结
1、产品具有广阔的市场前景
研制的碳化硅蜂窝陶瓷柴油机微粒过滤器具备极高的耐久性、捕获碳烟的负载能力和低的压降，适应不同的再生工作方式，适合于新车型的原始安装和现有车型的改造。
预计到2010年我国汽车的产量要达到1000万辆以上，2015年的时候，汽车年产量达到1500万辆左右。目前我国汽车保有量预计到2010年将超过4500万辆。虽然由于历史原因，我国的柴油车发展较慢。但在天然气、压缩石油气及混合电动车等其它能源的车辆难以大规模应用的情况下，洁净柴油车辆成为解决环境污染和节能的有效途径。在今后的几年内，满足国4、国5排放标准的重型柴油车以及国产低排放柴油轿车的面世，届时柴油车的数量将会有大幅度的增加。目前,国内汽车制造商如奇瑞公司等拟开发符合欧盟排放标准的柴油整车进军国际市场，正在积极寻求柴油机微粒过滤器关键技术等一系列有关柴油轿车排放后处理的集成技术。碳化硅蜂窝陶瓷柴油机微粒过滤器在国内市场具有相当深远的市场潜力，具有自主知识产权和自主品牌的技术产品将为国产品牌柴油轿车的批量生产和进军国际市场做出重大贡献。
柴油机微粒过滤器及再生系统的开发，对在用柴油车颗粒物排放治理具有重大的意义。北京从2005年开始，开展了柴油公交车排放改造示范项目、柴油车排放改造治理可行性研究及100辆在用柴油车的改造治理示范项目，试验的柴油车辆包括国1、国2排放水平的公交车、邮政车、环卫车及公务车等，试验结果绝大部分车辆治理后的颗粒净化率达到要求。目前国内城市存在大量达不到国3标准的柴油动力的车辆（黄标车），如公交车及各种市政特种车辆，由于重型柴油车辆服务年限长，除个别大都市外，难以一律采用淘汰的办法，采用微粒过滤器系统进行改造，可以使微粒的排放达到国4标准，同时使现有资源得到充分的利用。
2、产品具有极好的社会效益和经济效益
中国是碳化硅原料的生产和出口大国，年产量的40％以上出口到以美国和日本为主的世界各地。碳化硅蜂窝陶瓷材料、结构和制造工艺，是高技术陶瓷领域现代制造技术的集成，产品具有极高的技术含量和附加值，现仅有日本及欧洲的几家公司生产，产品价格昂贵。开发具有自主品牌的高性能碳化硅蜂窝陶瓷过滤器，可以充分利用国内碳化硅原料和电力的资源优势，产品可创造极好的直接经济效益。
来自柴油机排放的微粒引起许多健康问题，美国专家分析，2010年来自柴油机微粒对健康有关的损失，估计合计1390亿美元。微粒过滤器可以使柴油机排出废气的微粒含量，降到低于清洁的环境空气微粒含量的水平。因此，柴油机微粒过滤器对于改善空气质量，保护人类健康，其社会效益是无法计算的。

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针对您提到的柴油车排气后处理装置主动再生颗粒过滤器的问题，该过滤器所采用的壁流式蜂窝陶瓷过滤器是先进技术陶瓷产品中的代表，具有极高的效率对柴油机排放微粒进行控制。其对两微米至数百纳米间的微粒通过壁流拦截与多重捕获机制获得高捕获效率。这种机制不仅仅体现在传统微粒数量的减少上，更能对严重危害健康的超细微粒进行捕捉和处理。配合主动再生技术，能够有效清除收集的碳微粒，满足最新排放法规中对微粒质量及数量的严格限制。在面临新的环保挑战时，这种先进的颗粒过滤器可为确保符合严格标准的同时满足日益严格的环保要求提供了强大的技术保障。对此领域的需求反馈和生产升级都具有深远影响。