鐵鉻鋁纖維過(guò)濾氈在柴油車尾氣排放裝置中的應(yīng)用

1. 歐盟范圍內(nèi)貨車的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)急劇加嚴(yán)，這使得有效的排氣后處理系統(tǒng)必不可少的程序。現(xiàn)有的兩個(gè)后處理方案是顆粒捕集器和選擇催化還原系統(tǒng)。顆粒捕集器是設(shè)計(jì)用來(lái)減少80%以上的顆粒排放，而采用一種氨形成還原劑的SCR系統(tǒng)則能降低相近數(shù)量的NOx排放。基于這些方案的后處理系統(tǒng)的主要開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是系統(tǒng)的耐久性。特別是為了保證所有運(yùn)行范圍的功能，排氣后處理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制兩者之間的必要聯(lián)系仍須加以研究開(kāi)發(fā)。為了達(dá)到0.02g/kW·h水平，顆粒物保留在捕集器中并被氧化以使捕集器再生。顆粒氧化期間捕集器的結(jié)構(gòu)可能承受極大負(fù)荷。

2.如果只單獨(dú)采用顆粒捕集器而發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是要求將NOx排放限制在3.5g/kW·h的水平下，那么僅能滿足歐標(biāo)準(zhǔn)的第一步要求。若將歐3標(biāo)準(zhǔn)作為參考點(diǎn)，這意味著總NOx排放要減少另外的30%。發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳統(tǒng)解決辦法，例如延遲燃油噴射，會(huì)導(dǎo)致顆粒排放增加。如果采用顆粒捕集器，則顆粒物能降低到要求水平。

具有高熱容量和大熱傳導(dǎo)率的材料是一種優(yōu)勢(shì)材料。捕集器的設(shè)計(jì)較大地影響燃燒期間熱量的散發(fā)。顆粒局部燃燒后，放熱反應(yīng)在捕集器中擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，這導(dǎo)致擴(kuò)展方向上溫度升高，特別是當(dāng)某處存在較多顆粒聚集時(shí)。因此，短火焰路徑也是一種有利條件，它意味著捕集器中需要短的流動(dòng)通道。

3 燒結(jié)金屬制造捕集器

用燒結(jié)金屬制成的捕集器具有高熱容量和大熱傳導(dǎo)率，且它們證明了其實(shí)用價(jià)值，特別是在極端高溫條件下。因此，多年來(lái)它們被成功地用于卡車比賽。特別堅(jiān)實(shí)的金屬捕集器是由各種單一的金屬板制成的。金屬板的形狀多種多樣，各種單一的金屬板被焊接在捕集器外殼中。廢氣徑向地由外向內(nèi)流過(guò)捕集器，從而保持短火焰路徑和低熱應(yīng)力。鐵鉻鋁纖維氈就是其中一種金屬濾板的材料。

4 捕集器再生過(guò)程

來(lái)自柴油機(jī)的顆粒物主要由固體物質(zhì)組成(顆粒和灰塵)，捕集器將這些物質(zhì)幾乎100%捕集下來(lái)。此外，HC和硫酸鹽依賴于溫度狀況會(huì)不同程度地吸附在顆粒物上，然后被釋放。這樣捕集器的總有效程度取決于捕集器中顆粒物的成分和溫度分布情況。然而大多數(shù)捕集器將10～100nm范圍內(nèi)的顆粒物減少90%以上。

若采用硫含量少于10ppm的燃油，試驗(yàn)證明在歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)，捕集器的總效果及其對(duì)其他污染物的轉(zhuǎn)化率高于90%。這意味著通過(guò)安裝一個(gè)捕集器，利用歐2標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)能很容易達(dá)到歐4的顆粒排放標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，主要?dú)w因于CRT催化劑的氧化作用，排放物中HC和CO大約減少90%。

如同任何高負(fù)荷氧化催劑一樣，這種CRT氧化催化劑可高效地將燃油中討厭的硫轉(zhuǎn)化成使顆粒排放物增加的硫酸鹽。因此，當(dāng)燃油的硫含量大約為30ppm時(shí)，單單由于硫酸鹽的形成就會(huì)導(dǎo)致顆粒排放超過(guò)歐4限值。

5 排氣背壓

排氣處理系統(tǒng)的背壓值應(yīng)該保持盡可能低，這樣才不致影響燃油經(jīng)濟(jì)性。僅有單獨(dú)的消聲器時(shí)可以達(dá)到的50～100mbar的背壓值只有采用容積很大的捕集器才能保持。這樣就導(dǎo)致排氣后處理系統(tǒng)變得巨大、笨重和昂貴。因此，對(duì)每種獨(dú)特的應(yīng)用，必須找到排氣背壓與系統(tǒng)大小及成本兩者之間最可能的折衷。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中不但必須考慮到某個(gè)新捕集器的排氣背壓，而且還必須考慮到捕集器中來(lái)自不可燃?xì)堅(jiān)姆e灰的影響，特別是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油添加劑積灰的影響。油灰主要由硫酸鈣和磷酸鋅組成。這些物質(zhì)不能通過(guò)捕集器的正常再生來(lái)消除掉，這樣就在捕集器中聚集起來(lái)。特別是用來(lái)延長(zhǎng)機(jī)油更換周期的高質(zhì)量潤(rùn)滑油通常含有大量添加劑成分，這樣就生成更多的油灰。通常貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中成灰物質(zhì)的成分大約為1%～2%。

燃燒1L機(jī)油生成大約15g灰，這意味著達(dá)到10萬(wàn)km距離后，當(dāng)機(jī)油耗為1L／1000km時(shí)，捕集器捕到的灰單獨(dú)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油就有1500g。通常捕集器中的沉積灰呈粉末狀，但根據(jù)不同的基本工況，熔化可能發(fā)生，這加大了任何可能的系統(tǒng)凈化的程度。因此，除了后處理系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)大小和應(yīng)用工況之外，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗和進(jìn)氣系統(tǒng)也是絕對(duì)必要的。

自1995年以來(lái)，帶CRT再生的顆粒捕集器就一直被采用，特別是用在城市公共汽車上。再生通過(guò)CRT催化劑維持。比較試驗(yàn)清楚地表明，由于機(jī)油耗增大，捕集器保持低排氣背壓的10萬(wàn)km性能不能充分實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前解決辦法是將捕集器從系統(tǒng)上拆下來(lái)，然后單獨(dú)清潔。即使在采用快速拆封裝置的地方，這也是一項(xiàng)費(fèi)錢的保養(yǎng)措施，它不可能避免地增加了貨車的運(yùn)行成本。此外必須預(yù)想到，即使捕集器清潔處理后，原來(lái)的排氣背壓值將再也不會(huì)達(dá)到。由于這個(gè)原因，捕集器進(jìn)行某種設(shè)計(jì)以免除捕集器的清潔工作。

對(duì)低水平保養(yǎng)捕集器系統(tǒng)的要求是：在捕集器通路中不應(yīng)長(zhǎng)期積灰；灰的去除須在不將排氣后處理系統(tǒng)從車輛上拆下來(lái)的條件下進(jìn)行；灰能得到恰當(dāng)處理。正因?yàn)檫@個(gè)原因，Purem公司將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)從通道結(jié)構(gòu)發(fā)展為金屬板捕集器。廢氣由外及里徑向地流過(guò)各個(gè)金屬板，這樣灰就不會(huì)在某個(gè)通道的一端聚集。采用燒結(jié)金屬過(guò)濾器意味著灰能容易地通過(guò)，并在灰箱里聚積。 正在進(jìn)行的耐久性試驗(yàn)是通過(guò)考查灰的形成和捕集器的清潔來(lái)達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化捕集器功能的目的。初步結(jié)果顯示一部分灰粘結(jié)到燒結(jié)金屬表面，一部分灰墜離。

6 聲學(xué)特性

由于用了氧化催化劑，那么就不能采用減小噪聲的吸收墊。然而聲壓強(qiáng)度能通過(guò)插入不同元件來(lái)減小。消聲器外殼的設(shè)計(jì)容積能通過(guò)具有大金屬板剖面的獨(dú)特形狀來(lái)開(kāi)發(fā)，因?yàn)閺U氣不必軸向流過(guò)捕集器。很多消聲器所采用的進(jìn)口和出口在同一側(cè)的設(shè)計(jì)也能用在燒結(jié)金屬捕集器上。