柴油机微粒过滤器全面介绍和分析

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柴油机微粒过滤器(一)
柴油机仍是最有效的内燃机，因此广泛的用于遍及全世界的重型货车和非路车辆。近年柴油引擎在客车的使用也剧烈的增加，目前在西欧注册的新车已接近51.9%的高峰（约700万辆）。尽管在美国销售的柴油轿车的比例小于2％，由于燃料价格的上涨及对温室气体排放的敏感性，相信不久的将来对柴油轿车的兴趣将进一步增加。
    考虑到柴油机排气中的氮氧化物(NOx)和微粒(PM)对健康非常危险，为适合将来全球范围的排放标准，诸如柴油机微粒捕获及氮氧化物分离等废气排放控制技术将是必须的。
    柴油机排放的PM可以通过发动机更好的燃烧（高温及氧气过剩）来降低，然而NO的排放增加(称为PM-NOx折衷)，因此法规限制二者的污染物。有两种可能的方法达到PM/NOx的限制：PM过滤器或NOx处理（将来二者同时采用）。众所周知用于发电厂的SCR(NOx的选择性催化剂还原法) 技术，从2005年起引入用在欧洲商业交通工具，已满足欧Ⅳ标准（2005年）和欧Ⅴ标准（2008年）。在美国，重型柴油交通工具中的多数在2007年必须装备，以满足美国环境保护机构的标准。对于轿车，PM过滤器从2000年以后已经实现，其市场也预期展示一个极大的增长，预测在德国PM过滤器更新的轿车约70万辆。关于柴油机排气控制技术的广泛的评论，在SAE出版物定期发布。
DPF的原理和作用
微粒及过滤：
    由于引擎中柴油机燃料的不完全燃烧，排放出各种类型的柴油机微粒（PM），其成分为碳、无机氧化物及碳氢化合物，包括一些有毒的多环芳烃(PAHs)，这些微粒由尺寸5～20nm的原始微粒组成，并且凝聚成尺寸50～150nm团，其尺寸和成分受发动机、燃料、添加剂及其在排气管中运动的影响。
    微粒定义为尺寸小于10μm（PM10）或2.5μm（PM2.5）,法规要求对所有的排放物质过滤并通过重量分析的方法进行检测，假如可能采用适当的检测装置，纳米颗粒对健康影响的持久的讨论，或许对将来关于颗粒数量和尺寸的限制产生改变。
    柴油机微粒过滤器（DPF）装置需要一个捕获装置和捕获装置的再生系统，另外颗粒会阻塞捕获装置并引起背压的增加，过滤器必须承受再生时产生的热状态。
    虽然孔径50nm以下的过滤器，商业上用于液体的过滤，由于压降太大不适用于气体。大孔径的过滤器材料过滤微粒不仅是作为一个筛子，另外采用其它的方法，即碰撞和扩散（称为深床过滤，见图一），作为一个例子，高效空气微粒过滤器采用净化室的纤维毡净化脏的气体，过滤期间，捕获的颗粒通过称为“滤饼过滤”的作用提高捕获效率。
    与筛子不同需要考虑的是捕获颗粒的效率，收集和阻止颗粒（除颗粒尺寸、孔径及过滤层厚度以外）主要受气体/颗粒速度的影响，因此，废气通过过滤器需要采用合适的速度，引擎在全功率时的废气体积在小直径的通道产生非常高的气流速度，只能由过滤器几何轮廓的高横断面面积来减少。微粒过滤器同样作为消声器工作，因而完全或部分取代通常安装在汽车地板下非常有限空间的吸音系统。
再生：
    过滤器收集的颗粒使压降增加，这是为什么要通常周期性的采用加热的方法清洁过滤器的原因。收集的灰在温度约600℃时开始自燃，然而这样的温度在排气管中不是可以常常得到，因此需要采用技术手段控制过滤器的再生，不采用燃料添加剂时可采用电加热或气体燃烧的方法提供高的温度。通过控制发动机（后喷射）及过滤器前面的氧化催化器，排气温度也可以升高至超过400℃使积灰点燃，对这样的系统，过滤器需要一个特别的催化剂涂层，或者通过燃料添加剂由催化剂使灰浓缩（称为fuel-borne additives），因为灰的氧化放热，点火后局部温度升高，取决于过滤器材料的热性质（比热容及热导率），也与排气量及排气温度有关，最坏的情形是全部积聚的灰点燃后引擎停止，过滤器局部1000℃或更高的温度将产生。相比采用氧气的游离O2，有一个更有效的方法在较低的温度下燃烧灰，CRT(continuous regeneration trap)过滤器采用特别配方的催化剂，采用NO2代替O2，但需要采用超低硫燃料( <50 ppm)并且废气温度大于240℃，通常，氧化催化剂仅氧化吸附在颗粒上的可溶有机组分（SOF）。
    再生方法的选择取决于采用DPF的系统，作为一个例子，通过控制发动机进行再生在改造应用中是困难的。
灰的储存：
    再生后过滤器中无易燃物质残留，残留物来自燃油添加剂、润滑油、环境空气中的盐类、发动机磨损物，其主要由氧化物、铁、钙和锌的硫酸盐和磷酸盐，如采用燃料添加剂，其主要来自燃料添加剂，残存灰的积聚导致压降增加，过滤器的能力退化，过滤器的寿命受到限制。再生期间，过滤器材料还必须抵抗与残存灰在高温下的相互化学作用。
过滤器材料选择
过滤器的孔径、形状和孔体积
孔结构（尺寸、体积和形状）和壁厚决定过滤效率，同时也决定压降和材料强度，使用中存在不同的结构，如粉末烧结、短纤维毡或长纤维编织、开孔泡沫。
粉末烧结制造的刚性过滤器的孔径主要由粉末颗粒的尺寸控制，窄分布的平均孔径10μm过滤器厚度约400μm适合于过滤超过90％的烟尘颗粒，上述材料通常提供40～50％的孔隙体积，然而采用特别的成孔物质，孔隙体积可增加到约60％，高孔隙率将显著降低材料的强度。
纤维编织的方法显示的孔隙体积超过90％，但孔隙尺寸分布较大，因而需要较大的过滤厚度以保证过滤效率，但由于技术的可行性和价格，纤维材料的选择受到限制，此外，小的磨损的纤维可能对健康有害。工业生产的开孔泡沫展示85～95％的孔隙体积，但孔隙尺寸仅能做到100μm以上。材料的选择也由于小的体积需要提供高的通过面积的技术方法而受到限制。
压降和渗透性
除了高的过滤效率外，低的压降是过滤器的主要要求。气体（或液体）通过多孔材料流动的压降，采用达西（Darci）定律和福希海默尔（Forchheimer）扩展定律描述（式1），比渗透率κ与惯性系数β是多孔材料的特性，对于低气体流速，福希海默尔扩展定律可被忽略。
Δp= (η/k ) dv +βρdv2                       (1)
上式中Δp —压降 (Pa), η—动力粘度 (Pa s),  k— 比渗透率 (m2), d－ 厚度 (m), v －气体流速 (m/s), β－惯性系数 (1/m), ρ－ 气体密度 (kg / m)。
多孔材料的比渗透率主要取决于孔隙尺寸、孔隙体积和孔的形状，后者连接为曲折的形状构成通道的长度，气流被迫通过材料流动，有许多不同的和复杂的模拟试图计算渗透性，下面的Ergun方程式，通过式2可以进行粗略的估计。
用于DPF的陶瓷材料的渗透性范围约由10-12 m2 (壁流式过滤器)至10-9m2 (纤维或泡沫过滤器)。
κ=ε3 D2 / [150(1-ε)2]                  (2)
式中ε－孔隙率（－），D－孔径（m）。
全部过滤器系统的流动阻力也很大程度受其它一些因素的影响，入口和出口（收缩与扩展）损失造成压降，壁流式过滤器的通道摩擦也造成压降，运行期间，孔隙或材料表面过滤灰饼的生长，使压降上升。
最近壁流式柴油机微粒过滤器再生期间的压力损失行为和热效率二者已经较好的采用计算机的方法进行模拟。
材料选择
系统中材料应具有高温稳定性，抗热应力，抗侵蚀稳定性及足够的机械强度，以满足过滤、再生和应用的所有要求。材料应具有低的杨氏模量，低的热膨胀系数（CTE）及好的导热率，使热应力效应较低，对于汽车应用大规模生产的可行性要求具有低价格和轻重量。
目前已经投入商业应用及正进行的壁流式过滤器的材料主要有堇青石、重结晶碳化硅、硅－碳化硅、钛酸铝、莫来石等非金属材料以及耐热钢类的烧结多孔金属材料。
壁流式过滤器的结构：
    壁流式过滤器作为陶瓷蜂窝催化剂载体的应用，由挤压生产的大量通道的陶瓷体已是众所周知，交替堵塞通道的前端和后端，强迫气体由多孔的通道壁流过（所以称为壁流式过滤器）。通常采用每平方英寸200（或300）个方形通道，壁厚约350－400 μm的蜂房整体结构，某些情况下，在过滤器进口端采用大的蜂房以增加灰的储存能力（称为八边形蜂房或波状蜂房。
    陶瓷体的孔隙尺寸和孔隙体积稍有不同，取决于再生策略。采用燃料添加剂方式再生的陶瓷体，开孔体积约50％，平均孔径10μm的窄孔径分布。对于承载催化剂涂层的过滤器底层，孔隙率可达65％，平均孔径20μm。
    过滤器的总尺寸取决于引擎保持低背压的排气体积，对于乘用车的典型的标准是直径144mm (5.66 英寸)，长度152mm (6英寸)，容积约 2.5 升，过滤面积约1.9m2（对蜂房密度200cpsi），得到几cm/s的过滤速度。
    过滤器采用来自商业氧化催化器的标准技术封装。
    新过滤器在排气体积900 kg/h范围时的典型压降约3500－5000 Pa，大致由过滤壁、通道摩擦及收缩/扩展各占三分之一引起，工作期间压降增加，例如对于7g/L的灰聚积压降达到30,000－40,000Pa，灰负载能力为防止再生期间过滤器的损坏限制在9～12g/L（对SiC材质）。DPF的压降和需要的再生能量通常增加2～5％的燃料消耗，再生视发动机和行驶状况每500～1000km后必须进行，完成再生仅需数分钟。
壁流式过滤器材料发展现状：
蓳青石
    蓳青石是采用天然原料高岭土和滑石制成的镁铝硅酸盐化合物，蓳青石陶瓷于空气中约1250℃烧成。由于蓳青石已大规模生产用作催化剂载体，其作为DPF材料有最长的历史。1978年，Corning Inc（康宁公司）开发这种多孔陶瓷微粒过滤器用于除去柴油机排气中的微粒。蓳青石的主要优势除价格较低外，具有非常低的热膨胀系数（CTE），平行于挤出方向的CET可优化到0.4×10－6 1/K，可减少再生期间的热应力，因而可生产紧凑的整体元件，例如直径144mm（5.66英寸）。康宁公司的Duratrap Ex 80孔隙体积50％时的平均孔径12－13μm，主要用于象起重机之类的非路应用。日本NGK公司1989年开始蓳青石DPF的生产。
    DaimlerChrysler AG公司（德，斯图加特,戴姆勒-www.cartech8.com 大众）于1985和1987年在California（加利福尼亚）Mercedes（梅塞德斯）轿车投入应用，然而，蓳青石的再生和热稳定性在此不能满足，蓳青石过滤器主要的材料问题在于低导热性，材料非常低的熔点，在不利再生状况下导致热斑点。最近进行的研究已试验通过优化再生方法和热容量及最佳化过滤材料的孔径/孔隙体积，以限制这些热斑点（例如康宁公司的DuraTrap“RC”产品）。蓳青石材料的另一个问题据报告是对象含钠化合物的灰组分的抗侵蚀性有限。目前在欧洲DPF市场仅有一些少量的应用。
    康宁公司非常积极的开发对蓳青石的其它可能材料的发展。除SiC外，被称为NZPs（钠－锆－磷酸盐）的材料，由于非常低的热膨胀系数和耐高温，成为有希望的候选材料。然而，NZP过滤器的生产似乎复杂并且相当昂贵。
钛酸铝
钛酸铝是众所周知用于冶金工业的材料，由于其优异的抗热震性也用于汽车工业作为催化剂载体。类似蓳青石，钛酸铝晶体的热膨胀系数，除较大范围显示高的各向异性，导致该多晶材料中的微裂纹，同时引起低的杨氏模量和低强度。最近，康宁公司已开发一种钛酸铝基过滤器材料，并宣告于2005年进入市场，特别用于轻型交通工具。其结构由约70％的钛酸铝和和钙－锶长石加莫来石组成。该产品据报告具有极好的抗热震性和化学/热耐久性，然而机械强度稍低。
碳化硅
采用不同结构和结合颗粒的碳化硅陶瓷，众所周知用于非常不同的工业应用。其中的一些象硅酸盐结合碳化硅或重结晶碳化硅，存在固有的孔隙，其它的象无压烧结碳化硅（SSiC）或低压烧结碳化硅（LPS-SiC），最初发展作为致密材料。通常所有这些材料都可以调整为可控多孔材料，用作柴油机微粒过滤器。
重结晶碳化硅（RSIC）：
重结晶碳化硅是一种纯的碳化硅材料，通过由双峰分布的碳化硅粉组成的混合料，在保护气氛下（氩气）超过2200℃的温度生产。小的碳化硅晶粒升华及凝结的结果使晶粒生长，残余的粗粒骨架被结合。Ibiden Co.Ltd（ 日 揖斐公司）在1985年开始用于过滤目的的高孔隙RSiC的研制，采用特别的添加剂得到片晶结构，其蜂窝陶瓷DPF在1993年首次报告，2000年开始应用的最初系列，采用50％孔隙率及10μm的窄孔径分布，如今也用在涂载催化剂的粗糙版本。最近，报道在尝试通过细颗粒改进RSiC的结合颈部或采用添加剂提高颈部强度及材料的韧性。               
    碳化硅过滤器通常分割成横断面约35mm×35mm的蜂窝体块，用含有硅酸铝纤维、碳化硅粉和二氧化硅结合剂的低模数粘结剂粘结成总体，以满足在不均匀再生期间，由于碳化硅的热膨胀系数高于蓳青石，而产生的应力保持较低。
    丹麦的Stobbe Tech Ceramics公司，随后Notox 公司及LiqTech公司于1993年开始生产一种粗糙的40μm孔径及1mm壁厚的重结晶蜂窝陶瓷DPF，同时聚焦于宽范围孔隙率/孔径的小规模应用。Notox 公司和LiqTech公司均在其蜂窝体采用粗糙的和圆周分割，同时发明了一种特别的堵孔技术，在一些场合使用。
    德国的Thomas Josef Heimbach GmbH & Co.公司采用初始的硅和碳添加剂的反应结合的重结晶工艺。由于Heimbach过滤器用于直接电加热再生的目的，加入其它的添加剂如采用硼，以调节碳化硅的导电率。【30】该系统特别设计用于固定柴油引擎和机车、船舶的应用。Heimbach公司于2003年末关闭其在陶瓷过滤器的机构。
硅结合碳化硅（Si-SiC）
NGK公司最初聚焦于蓳青石过滤器，于2000年开始研制Si-SiC过滤器材料。由于硅的热机械特性与碳化硅非常相似，据报道多孔Si-SiC与重结晶碳化硅比较具有相似强度和耐久性。硅结合的热稳定性和抗化学性低于纯碳化硅，另外Si-SiC导热率由于SiC-Si晶界存在热屏障，比RSiC低一点。然而，到此为止广泛的耐久性测试已证实其成功的性能。
其它碳化硅基材料
    硅酸盐结合碳化硅过滤器材料，已较好的确定用于加压流化床燃媒装置（PFBC）的高温气体净化直至850℃。采用相似的碳化硅陶瓷，作为DPF的不分割设计蜂窝体也进行了尝试，然而耐腐蚀和耐热性未得到充分提供的数据。由于这种材料可以在空气中，相对低的温度约1350℃烧成，相比低的价格是有利的。另一种多孔碳化硅材料采用所谓的液相结合，由于具有较好的可控制烧结及孔径分布，也成为候选材料，可是至今未在商业DPF应用中使用。
氮化硅
    氮化硅也是用于DPF的候选陶瓷材料之一。与碳化硅相比，氮化硅陶瓷呈现较高的强度，稍低的热膨胀系数，但是中等的导热率，若采用氮化硅粉作原料价格较高。2003年，Asahi Glass Co., Ltd（日 旭硝子公司）报道一种采用硅原料氮化生产的氮化硅过滤器。旭硝子公司采用众所周知的反应结合技术（RBSN）用于氮化硅，提供一个高孔隙率（孔径10μm，孔隙率60％）和不分割蜂窝体测试的详细说明，据报道是具有好的抗热震性和高的机械强度，表面晶粒呈晶须状的材料，该晶须设想产生低填充灰饼，从而具有低压降，然而，晶须如释放到外界，将引起健康的危险。
莫来石
    由于其低的热膨胀系数同时耐高温及对腐蚀的耐久性，莫来石同样作为DPF的一种候选材料，但是缺乏满意的导热性。遗憾的是，常规的烧结技术，仅在存在相当高的玻璃相时，才能生产出具有针状结晶结构的高强度莫来石，但其热稳定性由此降低。Dow Global Technologies Inc（陶氏公司）采用一种不同的方法，用粘土和氧化铝制成的预烧结蜂窝体，通过在氟气中进行催化气相合成反应处理，由此导致针状莫来石结晶的生长，形成一个多孔互锁网络构造。
    另外还有纤维制造的过滤器、开孔泡沫制造的过滤器、烧结金属材料过滤器（略）。

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好资料，两年后，随作欧4排放标准的实施，柴油机微粒过滤器将成为热门话题。