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【技術回顧】四種干流機動車尾氣顆粒捕捉器孰優孰劣?
发布时间:2022-09-17 15:07:36 来源:贝博真人

  假设以黑、灰、白三色來評價顆粒物對健康的损害性,美國環境保護署(EPA)認為,顆粒物是導致壽命縮短及誘發哮喘的原因,断定為黑色﹔美國食物和藥物管理局(FDA)的断定是“無限挨近於黑的灰色”﹔德國環境部发布調查結果稱,以顆粒物為主的柴油車尾氣致癌性高達汽油車的幾倍甚至十倍,認為不僅是大型卡車,小型卡車及乘用車也應該配備顆粒捕捉器(DPF)。不僅德國,積極努力於環境問題的歐洲國家大多認為顆粒物對身體健康的损害性“當然是黑色”,自2005年開始實行的汽車尾氣規定“歐4”(Euro4)實際上便是規定車輛必須安裝顆粒捕捉器。

  日本國立癌症中心也認為顆粒物具有致癌性,作出了“黑色”判斷。在尼崎公害訴訟案中,神戶地办法院作出的判決也承認了顆粒物會對道路沿線居民的健康构成損害,要求有關方面採取办法操控汽車尾氣排放。

  作為顆粒物對策,运用顆粒捕捉器是最有用的办法之一。全球首要推出顆粒捕捉器产品有4家企業,不過其特點各不相同,技術水平凹凸清楚。以“运用50ppm以下的低硫柴油為条件”,《日經機械》(現《日經制作》)雜志摆放的先后順序是:催化劑廠商英國庄信萬豐公司,生產環保技術產品的美國恩格哈德公司(即現在的巴斯夫催化劑公司),法國標致公司,日本五十鈴公司。

  庄信萬豐開發的顆粒捕捉器“CRT”(Continuously Regenerating Trap)(圖1)排在第一位。原因在於其結構簡單,且本钱較低。僅需安裝在車輛排氣歧管之后即可處理顆粒物,由於是從外部進行加熱,因而也無需准備添加劑等。

  圖2為CRT的結構。由不鏽鋼SUS304構成細長的圓筒狀外殼,兩端用蓋封閉,一個蓋的上方和下方分別設置有尾氣进口,以及用於安裝檢測外殼內壓力及溫度的傳感器的監測孔。在挨近另一個蓋的側面設置尾氣出口。进口通過凸緣與排氣歧管相連。DPF兼作消音器,因而無需安裝一般消音器。

  【圖2】CRT的結構。运用氧化催化劑使尾氣中的一氧化氮氧化,轉變為二氧化氮,然后二氧化氮會作為催化劑,在250℃的低溫下使中積存的碳氧化。

  從进口朝向出口觀看外殼內部,首要看到的是在圓盤上設置了很多小孔的SUS304整流板。整流板是為了使尾氣均勻地接觸这以后的氧化催化劑而設置的。所以,改變整流板上小孔的直徑及數量,便可改變單位面積的開口面積(孔密度)。從圖2看以清楚看出,挨近进口部分根本沒有小孔,離进口越遠,小孔直徑越大,數量越多。进口邻近由於尾氣流量較多,因而減小了孔密度,隨著距離进口越遠,通過添加孔密度,增大尾氣流量,使整體尾氣流量達到平等。

  整流板之后的氧化催化劑是以二氧化硅(SiO2)、氧化錳(MgO)及氧化鋁(Al2O3)粉末混合燒結而成的堇青石(氧化物陶瓷混合體)為載體,在其外表覆上高度涣散0.1納米級鉑原子的氧化鋁膜。從截面來看,像圍棋棋盤一樣整齊摆放著四角柱孔,這些孔是筆直的,貫穿兩端。

  在氧化催化劑之后設置的是碳化硅過濾器。與氧化催化劑同樣,截面是“蜂窩狀”。不過,相鄰的孔交錯加了蓋,另一端則相反地交錯加了蓋。也便是說,每個孔一端用蓋封閉,而另一端是開放的。關鍵在於使尾氣進入各個孔中,运用孔壁過濾尾氣。孔壁網眼設計直徑最小為20微米。不過,由於孔壁具有必定厚度,孔壁內部設置有錯綜復雜的過濾孔。所以還可捕獲直徑在20微米以下的碳。這種過濾器一般被稱為“壁流式蜂窩結構過濾器”(圖3)。庄信萬豐开始运用的是美國康寧公司及日本礙子公司(NGK)購買的氧化催化劑和過濾器,不過假设有價格較低,並且顆粒物捕獲率較高的裝置,隨時可換成其他公司的產品。

  淨化尾氣的原理如下。從排氣歧管一側流進进口的尾氣在通過整流板之后,會進入氧化催化劑的孔中。此時溫度約為300℃。在這裡通過鉑的氧化力,將尾氣中的碳化氫(HC)轉變為水(H2O)和二氧化碳(CO2),一氧化碳(CO)轉變為二氧化碳。並且還將氮氧化物(NOx)中的大部分一氧化氮(NO)氧轉化為二氧化氮(NO2)。

  不過,尾氣中所含顆粒物的首要成分碳(C)在溫度過低的情況下,會不發生氧化,而是直接通過氧化催化劑,發動機排出的二氧化氮和部分一氧化氮也同樣,在沒有變化的狀態下通過氧化催化劑。

  像這樣通過氧化催化劑進入過濾器的成分,首要包含水、二氧化碳、碳、二氧化氮及一氧化氮五種。其间,對健康無害的水及二氧化碳是氣體,可通過過濾孔壁,從出口排到外部。問題在於碳。由於碳是顆粒狀,因而無法通往過濾孔,會積存在孔中。

  假设碳一向堆積在過濾孔中,會導致背壓過大,發動機輸出功率下降。所以需求使碳發生氧化反應,變為二氧化碳排到外部。那麼,怎么使碳氧化?顆粒捕捉器企業的實力距离就體現在此處。

  使碳氧化需求600℃的高溫,而過濾器內的溫度最高是350℃。這個溫度無法使碳進行燃燒,因而,通常是运用加熱器及柴油燃燒器將過濾器加熱到600℃以上,以使碳燃燒。不過,假设运用加熱器和燃燒器,不僅要添加裝置,并且還需求電力及柴油等动力和燃料,本钱會上升。從技術層面來看,也算不上是聰明的办法。因而,庄信萬豐著重對與碳同樣通過氧化催化劑進入過濾器的二氧化氮進行了研讨,發現二氧化氮具有美妙的性質。

  這個性質便是二氧化氮可作為催化劑,使碳在250℃以上的低溫下進行氧化。幸運的是,尾氣中含有二氧化氮,并且,過濾器的溫度是350℃,所以,彻底無需從外部加熱,僅用發動機廢熱即可使碳燃燒。也便是說,安裝上顆粒捕捉器之后,僅需行駛即可*,無需任何操作就能發揮作用。安裝顆粒捕捉器之前,需求根據具體車輛,確定顆粒捕捉器的固定方位及巨细等條件。一切顆粒捕捉器都需求這一步。庄信萬豐的顆粒捕捉器安裝之后,除了維護,無需進行其他任何操作。本钱較低的原因就在於此。别的,過濾器中作為碳催化劑發揮了作用的二氧化氮,以及通過氧化催化劑的一氧化氮,會通過過濾器從出口排出。

  恩格哈德開發出了與庄信萬豐的“CRT”非常类似的顆粒捕捉器“DPX”(圖4)。與庄信萬豐同樣运用壁流式蜂窩結構過濾器,在其外表涂覆作為氧化催化劑的鉑等貴金屬催化劑膜。關鍵在於,與庄信萬豐的顆粒捕捉器比较,恩格哈德使氧化催化劑與過濾器實現了一體化。所以,無需运用加熱器等外部熱源,僅用發動機廢熱即可處理尾氣。

  【圖4】氧化催化劑與過濾器實現一體化的顆粒捕捉器“DPX”(恩格哈德)。在過濾器上覆上貴金屬催化劑膜,作為氧化催化劑。關於二氧化氮的專利問題遭到關注

  在使碳化氫及一氧化碳進行氧化這一原理上,恩格哈德與庄信萬豐相同。不過,由於恩格哈德並未发布其產品的碳氧化原理,因而並不清楚具體內容。不论怎么,由於不运用外部熱源,因而需求运用發動機廢熱,在300~350℃左右的低溫下燃燒碳。

  對此,恩格哈德标明“改進了催化劑設計”,而庄信萬豐則稱“或許是將二氧化氮用作催化劑”。庄信萬豐日本公司汽車催化劑技術部董事村木秀昭說:“將二氧化氮用作使碳氧化的催化劑,這是庄信萬豐的專利。所以,假设查明在過濾器內运用了二氧化氮的催化劑作用,便會觸犯專利權。恩格哈德没有发布二氧化氮測量結果。”而恩格哈德則反駁稱:“由於採用了催化劑與過濾器一體化的結構,因而並未侵略專利。”為了标明並未侵略庄信萬豐的專利,恩格哈德需求发布貴金屬催化劑成分,証明在不运用二氧化氮的情況下使碳氧化的原理。

  並且,由於氧化催化劑與過濾器結成一體,貴金屬催化劑的氧化力或许會内行駛過程中減弱。恩格哈德的顆粒捕捉器在运用貴金屬催化劑氧化尾氣時,碳也會進入過濾器,覆蓋在外表上。假设碳覆蓋在過濾器外表,尾氣便會接觸不到貴金屬催化劑,導致碳化氫及一氧化碳的氧化率下降。雖然與顆粒物沒有直接關系,但會導致有害的碳化氫及一氧化碳處理功率下降,這也是不抱负的結果。

  反之,在碳的氧化方面,由於需求等候對碳化氫及一氧化碳進行氧化,因而功率有或许下降。假设功率下降,行駛距離會變短(維護次數添加),需求增大過濾器,添加外表積,或许整理無法處理、存積在過濾器中的碳和以發動機點火劑中所含的鈣為首要成分的油灰。

  當然,恩格哈德的顆粒捕捉器由於無需运用氧化催化劑過濾器,因而相應下降了本钱,并且體形較小,易於安裝,這些是其很大的優點。不過,是否能够运用,還需比及專利問題解決之后再作定論。恩格哈德发布的處理率,顆粒物為70~90%,碳化氫和一氧化碳均為80%。

  排在上述运用催化劑的裝置之后的是標致的顆粒捕捉器單元(圖5)。該公司首要在2000年5月15日上市的乘用車“標致607”上進行了配備。

  【圖6】標致的顆粒捕捉器結構。積存在壁流式蜂窩結構過濾器中的碳在液體添加劑的作用下,在450℃的低溫下氧化。液體添加劑的首要成分是氧化鈰(CeO)。

  圖6是標致顆粒捕捉器的結構。與共軌式直噴型柴油發動機配套运用,設置於排氣歧管與消音器之間。顆粒捕捉器本身在排氣歧管一側設置了氧化催化劑,在消音器一側設置了碳化硅過濾器。催化劑和過濾器均由揖斐電制作。過濾器與庄信萬豐、恩格哈德相同,均採用壁流式蜂窩結構。顆粒捕捉器进口與出口處安裝有壓力傳感器。

  當尾氣進入,碳堆積在過濾器內之后,通過兩個壓力傳感器的壓力差即可檢測到堆積的碳,顆粒捕捉器單元便開始對碳進行處理。首要,發動機操控單元(ECU)增強膨張行程中的燃料后噴射,通過后燃現象使流入排氣歧管的尾氣溫度上升200~250℃,提高到300~350℃,同時,稍微添加尾氣中未燃狀態的碳化氫,使其流入排氣歧管。進入顆粒捕捉器單元的未燃狀態碳化氫被氧化催化劑氧化后產生熱量,其結果是使尾氣溫度上升100℃左右,達到450℃。

  可是,要使過濾器裡堆積的碳燃燒,最低也需求550℃的溫度,至此還差100℃。標致決定在此採用添加劑。該公司選用的是法國羅地亞公司(Rhodia)開發的、以氧化鈰(CeO)為首要成分的液體添加劑“Eolys”。將之添加到噴射的燃猜中后,在過濾器內起到催化劑的作用,可使碳在比平時低100℃的450℃下燃燒。

  顆粒捕捉器單元對碳進行氧化的時間約為3分鐘~5分鐘,一般每行駛400~500公裡重復一次。在碳燃燒的過程中,發動機操控單元的學習功用啟動,避免發動機扭矩下降。相反,通過很好地操控增壓(渦輪)壓力以及柴油的噴射,也不會出現扭矩忽然上升的情況。通過壓力傳感器檢測出碳已充沛完结氧化,上游與下流已沒有壓力差后,發動機便恢復正常噴射。

  到此,讀者或许已經理解將標致的顆粒捕捉器排在庄信萬豐和恩格哈德之后的理由了吧。這是因為,要准備液體添加劑作為碳的燃燒助劑。雖然所需液體添加劑的量為均匀每60升柴油添加3.75× 10-2升(37.5立方厘米),相當少,但即使將汽車上配備的5升液體添加劑罐加滿,最多也隻能行駛8萬公裡。標致发布的均匀汽車运用壽命換算成行駛距離后約為50萬公裡,因而,必須在某個当地至少補充6次液體燃料。

  并且,本钱也理所當然會上升。這是因為,不僅要准備液體添加劑的儲罐及配管,還必須採用用於計量添加劑及調整流量的操控單元,以及添加了通過檢測尾氣壓力及溫度對裝置進行操控的功用的發動機操控單元。

  并且,兩次維護之間的行駛距離有點短。由於作為液體添加劑首要成分的氧化鈰是一種催化劑,因而不會發生化學變化,而是直接堆積在過濾器上。因而,除了其他顆粒捕捉器在過濾器上積存的燃油灰格外,氧化鈰也會成為過濾器網眼阻塞的原因。其結果是,行駛了大約8萬公裡之后,要對罐中已見底的液體添加劑進行補充,同時還必須用高壓水槍將氧化鈰及油灰從過濾器中沖洗掉。雖然根據所运用柴油的硫黃含量而情況各有不同,但庄信萬豐的大型卡車顆粒捕捉器兩次維護之間的行駛距離為10~20萬公裡,比標致的8萬公裡要長。

  别的,盡管令人擔心的氧化鈰的安全性尚不明確,但標致雪鐵龍駐日代表稱:“至少沒有記載其有害性數據的文獻,歐盟已對Eolys的产品化進行了認証。”因為會通過過濾器進行濾除,所以不用那麼擔心,但稳重起見,清洗時最好還是留意一下。

  接下來談談排在最终一位的“五十鈴顆粒捕捉器系統”(圖7)。與其他比较,這種顆粒捕捉器裝置的不同之處很简单看出來。最大的差別有兩點。

  首要是過濾器(圖8)。其他公司採用的是堇青石(Cordierite)及碳化硅等一體成形的陶瓷。可是,五十鈴的過濾器採用的是日本宇部興產公司開發的、由硅、碳、氧、鈦或许鋯構成的陶瓷纖維“Tyranno纖維”。宇部興產准備直徑為9微米及14微米的陶瓷纖維,由日本Tosco公司分別用這兩種纖維制作氈布。之所以制作2種氈布,是為了得到網眼巨细不同的過濾器。

  【圖8】五十鈴顆粒捕捉器的過濾器。用直徑為9微米及14微米的碳化硅纖維制成不同的氈布,將2張氈布疊在一起,夾在電加熱器和金屬網之間做成“三明治”。將其折疊並卷成筒狀成為過濾器。通過採用2種氈布,在過濾器網眼阻塞與碳捕獲率之間获得平衡。可是,與其他公司的陶瓷制過濾器比较,網眼太粗。

  網眼較粗、由直徑為14微米的纖維制成的氈布在外側,網眼較細、由直徑為9微米的纖維制成的氈布在內側,這樣粘合在一起,外側用電加熱金屬網、內側用一般金屬網夾住,制成帶狀的過濾器元件。接著,將過濾器元件折疊,用直徑為14微米的纖維制成的氈布從外側纏成圓筒狀,過濾器便完结了。

  從過濾器外側進入的尾氣首要通過網眼較粗的過濾器,越往裡網眼變得越粗。也便是說,在過濾器的較淺處捕獲直徑較大的碳,在深處網面上捕獲直徑較小的碳。宇部興產稱:“假设網眼全都較粗,那麼捕獲率就會下降。可是,假设將網眼悉数做成細的,背壓又會上升。”最终,該公司想出了組合运用上述2種氈布制作過濾器的计划。

  另一個不同之處是碳的燃燒办法。圖9為五十鈴顆粒捕捉器的整體構成。能够看出,過濾器在左右各有一個,共計有兩個。作业原理是:從發動機排出的尾氣通過切換閥進入恣意一方的過濾器中。行駛約2個小時之后,當在运用的過濾器中有碳堆積,則電加熱器發熱,用大約15分鐘對碳進行氧化。在這一氧化過程中,閥門進行切換,用另一方的過濾器吸收尾氣並進行碳捕獲。然后同樣在2小時后,通過電加熱器對碳進行燃燒。也便是内行駛的過程中替换运用左右過濾器。假设說庄信萬豐及恩格哈德採用的是运用一個過濾器進行捕獲及燃燒的連續燃燒(再生)办法,那麼,五十鈴採用的便可稱為替换运用兩個過濾器的斷續再生办法。

  五十鈴採取了上述通過設在外部的加熱器對積存的碳進行燃燒的簡易办法,且不說這在技術上顯得蠢笨,弱點相當多也是不能否認的事實。

  首要,本钱比其他公司高得多。正如上文所述,相對於其他公司的顆粒捕捉器僅运用一個過濾器,該公司則要准備兩個過濾器。并且,由於碳燃燒的操控非常復雜,因而,必須在車輛上安裝切換閥、交直流發電機,加熱器和各種操控器等。電氣配線的處理也非常麻煩。根據車型,需求進行安裝這些裝置及附件的特別設計,在這種情況下,不僅要别的花費費用,還會浪費時間。

  並且,顆粒物的捕獲率隻有70~80%,相當低。估計其原因在於氈布過濾器。這是因為,與燒結體過濾器比较,氈布的網眼必定比較粗。那麼,為什麼五十鈴採用了氈布過濾器呢?這其间有著以下緣由。

  曾经日本的顆粒捕捉器過濾器是用堇青石制作。但有一個缺點,便是過濾器的網眼過細,碳简单積存构成阻塞。凭借外部加熱器對過濾器進行加熱后,結成塊的碳就會起火燃燒起來,當一般情況下在600℃邻近就應氧化的碳達到1000℃以上時,過濾器便會熔融,這種事端曾经頻繁發生。由於有了這種經驗,五十鈴便想到了採用織入可耐熱的碳化硅纖維的過濾器。最終,該公司實現了這種過濾器的實用化,東京都採用它進行了實驗。

  可是,一位了解日本國內顆粒捕捉器發展歷程的顆粒捕捉器廠商技術人員說:“氈布式過濾器的網眼過粗,因而碳的捕獲率相對較小。夸張地說,由於網眼稀稀落落的,所以碳不會結塊,盡管加熱也不會燃燒,過濾器也不會發生熔融情況。反過來說,之所以耐熱性超卓,便是因為網眼稀稀落落。”雖然宇部興產對此反駁道,“在1000℃高溫下可耐受1000小時,所以耐熱性沒有問題”,但即使耐熱性足夠,氈布網眼相對較大這一點卻是毫無疑問的。

  氈布的網眼較粗,不僅意味著顆粒物的捕獲率下降。事實上,美國有報告稱,對健康构成損害的是直徑為2.5微米以下的顆粒物,自1997年7月起,這已成為美國的新環境標准。因而,不僅僅是直徑較大的顆粒物,假设不能捕獲直徑在2.5微米以下的顆粒物,那麼顆粒捕捉器的價值便會大大下降。

  可是,“70%的捕獲率僅僅通過對質量較大的、直徑為2.5微米以上的顆粒物進行處理就能達到。因而,可對健康构成損害的顆粒物成分有或许原封不動地排放了出去”,庄信萬豐日本公司汽車催化劑技術部柴油催化劑室副部長鬆田邦介這樣說。假设這是事實,那麼,五十鈴的顆粒捕捉器便沒有意義了。要對這種說法進行駁斥,就必須发布詳細的數據。

  不過,在此問題曾经,五十鈴的技術人員就曾說過心裡話:“開發這種办法的顆粒捕捉器在本钱上不合算。僅憑1家公司很難發展成一項業務。”

  再來談談五十鈴顆粒捕捉器的優點,便是能夠运用含有高濃度硫黃的柴油。日本在JIS標准中規定,柴油的硫黃含量應操控在500ppm以下,事實上各石油廠商銷售的是含有350~400ppm硫黃的柴油。因為五十鈴的顆粒捕捉器不受硫黃的影響,所以能够运用這種柴油。

  可是,其他3家公司的顆粒捕捉器都會遭到硫黃的影響,硫黃含量越高,顆粒物氧化率也降得越低。例如庄信萬豐的顆粒捕捉器,氧化催化劑中的硫黃會阻礙一氧化氮變成二氧化氮,因而,在過濾器中對碳起到氧化催化劑作用的二氧化氮缺乏,不能對積存的碳充沛進行處理。並且,發動機排放的二氧化硫(SO2)與水發生反應后變成粘性較高的霧狀硫酸(H2SO4),像“面糊”一樣將許多顆粒物包住,构成膨大的顆粒物成分。由此构成的顆粒物較大、不易燃燒,因而,顆粒物的處理功率下降。

  2000年1月,一家由美國动力部(DOE)主導建立,美國的國立研讨所、柴油發動機廠商、顆粒捕捉器廠商參加的評估機構就已宣告了以下評估結果:當採用硫黃含量在150ppm以上的柴油時,在碳氧化過程中,採用催化劑的顆粒捕捉器反而會使顆粒物添加。也便是說,對於硫黃量為150ppm以上的柴油,採用催化劑的顆粒捕捉器沒有用果。事實上,全歐洲自2005年起,將柴油中的硫黃含量標准下降到50ppm。之所以在對4家公司的顆粒捕捉器進行排序時,以硫黃含量為50ppm以下的柴油作為条件,便是因為這個原因。

  顆粒捕捉器(DPF)是一種运用陶瓷過濾器等捕集並過濾柴油車尾氣中所含的石墨等顆粒狀物質(PM),對尾氣進行淨化的裝置。柴油機尾氣中所含的微粒有或许引發支氣管哮喘及肺癌等。在日本,東京都政府於1999年8月提出了“柴油車NO 作戰”計劃﹔在2000 年1月的“尼崎公害訴訟案”中,汽車尾氣中的PM 被認定為损害健康的原因。這些事例使柴油車導致大氣污染的問題開始遭到社會關注。作為對策,有關方面開始探討在車輛上安裝DPF。

  现在在歐洲,隨著汽車排放標准的強化,DPF已快速遍及。在日本,相關標准也逐漸被強化,生產DPF的首要廠商有揖斐電公司、礙子公司和電裝公司等。(日經动力環境網 供稿)

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