柴油機(jī)DPF微粒捕集器再生.docx

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1、柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)研究由于柴油機(jī)具有低油耗、高熱效率和低排放等特點(diǎn)，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性，因而被廣泛地用作汽車和工程機(jī)械的動(dòng)力。但其尾氣中含有大量的微粒（PM），約為汽油機(jī)的30～80倍，成為城市中的一個(gè)重要污染源。柴油機(jī)排氣微粒由不可溶炭粒（IDF）、未燃液體碳?xì)浠衔铮⊿OF）和硫酸鹽組成，微粒粒徑小，主要為0.01～2μm，質(zhì)量輕，能長(zhǎng)時(shí)間懸浮在大氣中，容易被人體吸入并沉積在肺泡中，對(duì)人體健康造成極大的危害。日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)的實(shí)施迫使人們尋求解決汽車排氣污染的有效途徑和技術(shù)。自20世紀(jì)70

2、年代以來(lái)，人們對(duì)柴油機(jī)排氣微粒后處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入地研究。微粒捕集技術(shù)是目前公認(rèn)的最為有效的微粒凈化技術(shù)，也是目前商用前景最好的技術(shù)之一。微粒捕集器（DPF）安裝在柴油機(jī)排氣管上，過(guò)濾技術(shù)的機(jī)理主要有：排氣通過(guò)時(shí)微粒經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、截流、慣性碰撞和重力沉降等原理被過(guò)濾體捕集。捕集效率主要受到微粒粒徑、過(guò)濾體微孔孔徑、排氣流速及氣流溫度等因素影響。隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)濾體內(nèi)堆積的微粒增多，發(fā)動(dòng)機(jī)的背壓將上升，影響柴油機(jī)的正常工作，須用燃燒等方法將這些微粒除去，即過(guò)濾體的再生。DPF的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料及其再生的選擇和研究

3、。一、過(guò)濾材料過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)整個(gè)微粒捕集系統(tǒng)的性能（如壓力降、過(guò)濾效率、強(qiáng)度、傳熱和傳質(zhì)特性等）有很大的影響。DPF對(duì)過(guò)濾材料的要求是：高的微粒過(guò)濾效率，低的排氣阻力，高的機(jī)械強(qiáng)度和抗震動(dòng)性能，并且還須具備抗高溫氧化性的耐熱沖擊性與耐腐蝕性。其中高的過(guò)濾效率與低的排氣阻力是相互矛盾的，選擇材料時(shí)要綜合考慮這兩方面的性能。國(guó)外在過(guò)濾材料上的研究已經(jīng)取得較大的突破，出現(xiàn)了一些商品化的產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的過(guò)濾材料有陶瓷基、金屬基和復(fù)合基三大類。（一）陶瓷基過(guò)濾材料目前研究和應(yīng)用最多的是陶瓷基過(guò)濾材料，它們通常由

4、氧化物或碳化物組成，具有多孔結(jié)構(gòu)，在700℃以上能保持熱穩(wěn)定，比表面積大于1m2/g，主要結(jié)構(gòu)包括蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纖維氈。蜂窩陶瓷常用熱膨脹系數(shù)低、造價(jià)低廉的堇青石制成，這種材料開(kāi)發(fā)最早，使用最廣，有壁流式、泡沫式等多種結(jié)構(gòu)。目前在DPF過(guò)濾體上研究和使用較多的是壁流式蜂窩陶瓷。它具有多孔結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)通道中，一個(gè)通道進(jìn)口被堵住，而另一通道的出口被堵住，為保證其機(jī)械強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度，孔道密度一般約為16孔/cm2時(shí)，孔道截面為2mm×2mm左右，壁厚為0.4mm左右，見(jiàn)圖1，這種結(jié)構(gòu)迫使排氣由入口敞開(kāi)的通道進(jìn)入，穿

5、過(guò)多孔的陶瓷壁面進(jìn)入相鄰的出口敞開(kāi)通道，而微粒就被過(guò)濾在通道壁面上，這種DPF對(duì)微粒的過(guò)濾效率可達(dá)90%以上?？扇苄杂袡C(jī)成分SOF也能被部分捕集，近年來(lái)在制造技術(shù)上取得明顯的突破，蜂窩陶瓷壁厚減薄，開(kāi)口橫截面積增大，從而降低了背壓損失，擴(kuò)大了使用范圍。目前應(yīng)用最廣的美國(guó)Corning公司和日本NGK公司生產(chǎn)的DPF采用的就是壁流式蜂窩陶瓷。但這種濾芯受溫度影響較大，排氣溫度較低時(shí)沉積在壁面的HC成分將在排溫升高時(shí)重新?lián)]發(fā)出來(lái)，并排向大氣；發(fā)動(dòng)機(jī)工作的熱循環(huán)引起過(guò)濾體尺寸的交替振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾材料的持續(xù)退化；若采用熱再生，

6、導(dǎo)熱系數(shù)小的堇青石容易受熱不均而局部燒融或破裂。a陶瓷蜂窩載體b陶瓷纖維編織網(wǎng)c金屬纖維編織網(wǎng)圖1微粒捕集器過(guò)濾村料泡沫陶瓷是將浸漬堇青石陶瓷漿體的聚氨酯泡沫塑料半成品經(jīng)過(guò)高溫鍛燒，塑料氣化逸出得到的陶瓷骨架。與蜂窩陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增強(qiáng)，孔隙率大（80%～90%）且孔洞曲折，材料的熱膨脹系數(shù)各向同性，具有更好的熱穩(wěn)定性，近年被用作柴油機(jī)排氣微粒的過(guò)濾材料，但捕集效率較低（50%左右），煙灰吹除困難。陶瓷纖維材料不受固定尺寸的限制，過(guò)濾體的孔形狀和孔分布有廣泛的選擇余地，通過(guò)改變各種設(shè)計(jì)參數(shù)可使應(yīng)用達(dá)到優(yōu)化。陶

7、瓷纖維氈具有高度表面積化的特點(diǎn)，過(guò)濾體內(nèi)纖維表面全是有效過(guò)濾面積，過(guò)濾效率可高達(dá)95%。但陶瓷纖維是一種脆性的耐高溫材料，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜且易損壞。（二）金屬基過(guò)濾材料金屬在材料的強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱性等方面有陶瓷無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前研究較多的是泡沫合金和金屬纖維氈。泡沫合金是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)骨架的材料，日本住友電工公司曾采用泡沫鎳作為過(guò)濾材料，但鎳的抗蝕性差，為改善其在高溫環(huán)境和含硫氣氛中的抗蝕性，采用耐熱耐蝕的鎳鉻鋁和鐵鉻鋁高溫合金，合金表面是結(jié)構(gòu)牢固的。例如α-Al2O3，可在800℃的高溫下靜置200h基本不受侵蝕。這

8、種泡沫合金具有高的熱導(dǎo)率，可兼作熱再生裝置的輻射加熱器，熱度分布均勻，再生時(shí)過(guò)濾體不會(huì)開(kāi)裂與熔化。泡沫合金的主要優(yōu)點(diǎn)包括：具有大孔徑和薄骨架結(jié)構(gòu)，泡沫合金表面容易被熔融鋁液浸透并覆蓋，退火處理后得到保護(hù)層；由于合金骨架的機(jī)械強(qiáng)度高，可大大改善過(guò)濾材料的耐振性能；應(yīng)用粉末冶金技術(shù)制造泡沫合金，可以降低生產(chǎn)成本。金屬纖維