使用柴油作燃料的壓燃式內燃機排放的微粒(Particulate,縮寫PT),一般要比使用汽油作燃料的點燃式內燃機多幾十倍。排放微粒的主要物質是碳,其粒度一般小于0. 3μm,可深入人的肺部造成機械性超負荷,損傷肺內各種通道的自凈機制,從而使其他化合物容易發揮致癌作用。碳粒還吸附有多種有機物質,具有不同程度的誘發和致癌作用。在柴油車較多的城市中,柴油機排放的微粒可使市內光線受折射,使天空變暗。對于轎車和輕型車用的輕型柴油機,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/km的數量級,對于重型車用的重型柴油機,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/(kW·h)的數量級。車用柴油機排放微粒的凈化技術是微粒過濾器及其再生,已經研究開發的體積過濾濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉繩或陶瓷纖維筒等疏松材料制成,表面過濾濾芯材料用蜂窩陶瓷,這些材料各有特點。本文提出了一種新的濾芯材料的使用———粉末冶金材料,并設計了粉末冶金微孔過濾器的再生結構及方法。

　1、排氣微粒的理化特性
　　柴油機排氣微粒[1]的組成取決于柴油機的運轉工況,尤其是排氣溫度.當排氣溫度超過約500℃時,排氣微粒基本上是很多碳質微粒的聚集體,稱為碳煙粒。當排氣溫度低于500℃時(柴油機絕大多數工況都是這樣)煙粒會吸附和凝聚多種有機物,稱為有機可溶成分(SolubleOrangic Fraction,縮寫SOF)。沿著柴油機的排氣管道和測試取樣系統,可觀測到微粒粒度不斷增大,且由于存在于氣相中的有機化合物逐漸冷凝在微粒上,使其SOF含量增加。微粒中的SOF含有對健康和環境有害的成分,包括各種未燃碳化合物、含氧有機物和多環芳烴及其含氧和含氮衍生物等。
　　經電子顯微鏡觀測表明,柴油機排氣微粒是一種由很多原生微球聚集而成的聚集體,這種聚集體可以包含103~104個微球體。這些微球體都是燃燒產生的碳粒,其直徑在10~100 nm數量級,但大多數在15~40 nm范圍內。測得的微粒粒度大多在0. 02~1. 0μm范圍內,其體積平均粒度為0. 1~0. 3μm。微粒的表觀密度在0. 25~1. 0 kg/L范圍內,煙粒的實測比表面為200 m²/g左右,可見其結構很疏松。

　2、排氣微粒凈化技術及其特點分析
　　目前,比較可行的車用柴油機排氣微粒凈化技術,還是微粒過濾器DPF(DieselParticulate Filter)。
　　2. 1　微粒過濾器DPF　　微粒過濾過程按濾芯結構特征不同分為表面過濾型和體積過濾型兩種。
　　體積過濾型DPF主要用比較疏松的過濾體積容納微粒,濾芯是用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松材料制成的,共同缺點是過濾效率、排氣阻力與外形尺寸之間有很大的矛盾,即在令人滿意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸顯得過大。
　　表面過濾型濾芯用比較密實的過濾表面阻擋微粒,一般單位體積的表面積很大,材料壁薄,既可獲得較高的過濾效率,又可具有較小的阻力。目前,公認最成功的表面過濾型DPF濾芯是蜂窩陶瓷DPF,但濾芯形狀復雜,在很高的溫度和溫度梯度下易于損壞。
　　2. 2　微粒過濾器DPF的再生
　　DPF只能把微粒從柴油機的排氣中過濾出來,沉積在濾芯內,它本身并不能清除微粒。清除DPF中積聚的微粒,以恢復到接近原先的低阻力特性,這個過程稱為DPF的再生。
　　已經開發的有用丙烷或柴油作為燃料、用電點火的燃燒器來引發DPF的再生。柴油燃燒器應用與柴油機相同的燃料,比較方便,但燃燒過程的組織比較困難,尤其啟起動時可能燃燒不良,引起二次污染;應用丙烷作為燃燒器的燃料,容易保證完全燃燒,但需要單獨的高壓丙烷氣瓶。平均溫度在700~800℃,可以可靠點燃已沉積的微粒,但陶瓷濾芯因尺寸大再生周期延長,使濾芯過熱而易碎裂或熔融。
　　用電阻加熱器供熱也可使其再生,電阻加熱器由車載蓄電池供電。其一種結構型式是把螺旋形電阻絲塞入蜂窩陶瓷濾芯進口一側的蜂窩,另一種結構型式是采用回形電阻絲,布置在各蜂窩孔道的進口段。其電阻絲直接點燃微粒,DPF前部微粒燃燒的火焰隨著排氣氣流向DPF的尾部傳播,將整個通道內的微粒燃燒完畢。用電阻加熱器供熱再生可避免采用復雜昂貴的燃燒器,同時電加熱可消除任何二次污染,但由于蜂窩陶瓷濾芯孔道數很多,這種結構是十分復雜的。

　3、粉末冶金微孔過濾器在柴油機上的應用研究
　　3.1　粉末冶金微孔不銹鋼
　　自20世紀60年代,特別是80年代以來,國內外材料工作者在金屬多孔材料方面做了大量的研究工作。研究發現,金屬多孔材料除具有可焊性等基本的金屬屬性外,還由于大量的內部空隙,使得金屬多孔材料表現出了諸多優異的特性,如質量輕、比表面積大、能量吸收性好、導熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔體)、滲透性優(通孔體)、電磁波吸收性好(通孔體)、阻焰、耐熱耐火、抗熱震、氣敏、能再生、加工性好等。近幾年來,人們也開展了抗腐蝕、耐高溫的鈦及三維通孔不銹鋼粉末冶金等多孔金屬材料的研究。多孔不銹鋼主要是采用加造孔劑的粉末冶金方法制備,也有的使用纖維燒結的方法,這兩種方法所制備的主要是微孔或閉孔的泡沫不銹鋼。
　　選用粒度小于44μm不銹鋼粉末作為原料,前驅體中漿料浸入量在0. 5 g/cm³左右, 1 260℃溫度下燒結30 min后制成三維通孔不銹鋼。圖1a, 1b, 1c為用該法制備的多孔不銹鋼表面孔洞的形貌照片及多孔材料內部截面及孔壁結構SEM圖,圖1a顯示了多孔不銹鋼表面均勻的孔洞分布及良好的網狀結構;從圖1b中可以看出多孔金屬內部的孔洞分布也比較均勻,孔徑大小為1 mm左右,而且通孔性能良好,使多孔金屬具有較高的開孔孔隙度、比表面積和良好的透氣性能,這對于將材料用作為催化劑載體是非常有利的;以上條件下制備的不銹鋼泡沫材料也具有較高的力學性能,抗彎強度達到50MPa以上;圖1c為燒結試樣的孔壁結構圖,多孔不銹鋼泡沫的強度主要就是依賴多孔體中各個相連接的孔壁。
　　3.2、過濾機理
　　采用鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)等材料,使用粉末冶金技術可制成微孔過濾器。其基本技術參數:
　　使用溫度: 850±50℃
　　系統阻力: 800~2 800 Pa
　　除塵效率: 99. 5%
　　使用粉末冶金微孔過濾器,當含微粒氣體單向通過微孔過濾器時,其微粒過濾機理主要有下列幾種:
　　①截留　粒子到微孔的距離小于粒子的半徑時,流動過程中被微孔所捕獲;

　　②在微孔附近氣流流線發生彎曲,由于粒子的慣性,粒子將不隨從流線的彎曲而射向微孔材料并沉降在其表面,顯然隨粒子直徑的增大和氣流速度的增加,慣性沉降作用也隨之增大;
　　③擴散沉降　由于布朗運動,粒子的運動軌跡不與氣體流線一致,粒子從氣流中可以擴散到粉末冶金微孔材料上并沉降在其表面,粒子直徑越小,布朗運動越顯著,擴散沉降效率也增加;
　　④重力沉降　由于重力影響,粒子有一定的沉降速度,結果粒子的軌跡偏離氣體流向,從而接觸到粉末冶金微孔材料表面而沉降;
　　⑤靜電沉降　粉末冶金微孔材料中的金屬微粒和流經過濾器的粒子都可能帶電荷,由于電荷間庫侖力的作用,也同樣可以發生粒子在微孔材料表面的沉降。

　　在正常過濾速度下,該項阻力一般和過濾氣體速度呈較線性的關系,如圖2中的曲線4所示。
　　清潔狀態時過濾器的阻力是指未過濾微塵前的阻力,由于設計的氣流速度,屬于氣體的黏性流動區,其阻力與流速成正比,見圖2中的曲線2所示。
　　過濾器過濾微粒后,其上沉積有粉塵,從而產生附加的阻力,其阻力大小與微粒的厚度與性質有關,如圖2中曲線3所示。

　　在柴油機排氣管道里設置通孔粉末冶金微孔過濾器對排氣進行過濾收集排氣煙粒,根據過濾器前后的壓差,進行煙粒厚度的識別,接著進行運行的在線再生工作。
　　3.4　再生控制設計
　　由于粉末冶金微孔過濾器具有良好的導電特性,所以采用電渦流發熱進行再生,使得其結構簡單,且易控制。
　　3. 4. 1　渦流再生發熱的原理設計
　　在一根導體外面繞上線圈,并把線圈通交流電,那么線圈就產生交變磁場,導體內會產生感應電動勢。由于線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合回路,所以在導體的圓周方向會產生感應電流,電流的方向沿導體的圓周方向轉圈,就象一圈圈的漩渦,所以這種情況下產生的感應電流被稱為渦電流。渦流與普通電流一樣要放出焦耳熱,利用渦流的熱效應進行加熱的方法稱為感應加熱。

　　由此可知:渦電流強度與交變電流的頻率成正比,交變電流頻率越高則發熱越多。因此可以通過調節交流電的大小來控制渦電流的大小,從而控制粉末冶金微孔過濾器的外部溫度以實現再生。
　　利用柴油機上電源并設置一控制電路,可以實現微孔過濾器線圈的通電。
　　這種方法的優點是電流易于控制,從而溫度易于控制,再生速度能夠提高。
　　3. 4. 2　再生控制結構及原理設計
　　粉末冶金微孔過濾器渦流再生控制的設計思想如圖3所示。
　　在發動機排氣管道設置兩個通道,每個通道安裝一套粉末冶金微孔過濾器及其再生裝置,其中包括溫度傳感器、壓力傳感器及渦流再生微孔過濾器。
　　其過濾再生原理設計是:　　根據排氣道壓力差的大小決定是否啟動渦流再生系統,根據微孔過濾器溫度的高低決定通電時間的大小、次數及渦流頻率,即控制渦流發熱量的程度,燒去過濾器內的沉積排氣微粒。

　4、小結
　　本文在分析目前柴油機微粒過濾器的特點及再生技術的基礎上,提出了用粉末冶金材料作為柴油機微粒過濾器的過濾材料,并設計了粉末冶金微孔過濾器的渦流再生結構及原理。它具有以下特點:
　　1)通孔粉末冶金微孔過濾器系統允許阻力大,過濾能力強;
　　2)再生是采用在粉末冶金微孔過濾器上設置導線,按照排氣道壓力差大小的方式控制渦流的大小進行,這種方式易布置及實現、電流大小易控制、再生速度能夠提高且粉末冶金微孔過濾器不會因熱量而破碎、電加熱不會產生二次污染等特點,比蜂窩陶瓷過濾器有更強的適應性;
　　3)采用兩套并聯的通孔粉末冶金微孔過濾器及再生裝置避免了過濾器過大。　　目前,該設計方案在學院和企業正聯合進行試制、試驗,并根據其結果確定下一步工作。